软弱地层下管片支护的数值模拟研究.pdf

第3 6 卷第l 期 2 0 1 6 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 哐T A I J ．U R G I C A LE N G I N E E R I N G V o l _ 3 6 №l F e b i n a r y2 0 1 6 软弱地层下管片支护的数值模拟研究① 汪学清，马炯，乔胜利，胡德俊，侯公羽 中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要将超短钢纤维混凝土的准静态力学实验结果作为参数，运用到钢纤维混凝土管片的数值模拟中，通过对软塑状黏性土、饱 和粉土地层条件下不同材料的支护结果进行对比，得出在该地层条件下采用钢纤维混凝土管片可以有效减少隧道变形。 关键词钢纤维混凝土管片；软弱地层；数值模拟；支护 中图分类号T U 4 5 2文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 6 ．0 1 ．0 0 3 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 6 0 1 - 0 0 1 1 - 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fS e g m e n tS u p p o r tu n d e rS o f tG r o u n d W A N GX u e q i n g ，M AJ i o n g ，Q I A OS h e n g l i ，H UD e - j u n ，H O UG o n g - y u S c h o o lo fM e c h a n i c sa n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fi l 以n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ， C h i n a A b s t r a c t T h eq u a s i s t a t i cm e c h a n i c a lt e s t sw a sc o n d u c t e df o ru l t r a s h o r ts t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，w i t hr e s u l t s t a k e na sp a r a m e t e r sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es e g m e n t s ．B a s e do nt h ec o m p a r i s o na m o n g t h es u p p o r t i n gm e t h o dw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a lu n d e rs o f tc l a y ，s a t u r a t e ds i l t ，i ti sc o n c l u d e dt h a ts t e e lf i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ea d o p t e df o rs u c hs o f tg r o u n dw o u l dd i s p l a ys u p e r i o rp e r f o r m a n c ei nr e d u c i n gt h et u n n e ld e f o r m a t i o n ． K e yw o r d s s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es e g m e n t s ；s o f tg r o u n d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s u p p o r t 随着我国城市人口不断增加，城市建设进入了快 速增长期，老城区已经不能满足工业、民用建筑、城市 交通及市政建设等的发展要求，一味地扩大城市面积 并不能解决这些矛盾，反而带来新的交通、教育等问 题，因此，开发城市地下空间和建设城市地下轨道交通 已成为城市发展的必然趋势J 。在城市建筑密集区， 盾构法施工是城市地下轨道交通建设最主要的方法， 如何控制盾构施工过程中可能对周围建筑产生的影响 和地表变形，已成为岩土工程领域重要研究课题。大 量工程实践表明，隧道开挖在原始地层中形成新的空 间，初始平衡状态被打破，使隧道周围土体中的应力重 新分布。由于岩土是天然形成的，性质千差万别，各个 地层深度参数均不相同且难以准确测定，给隧道建设 带来了很大困难心J 。有些支护结构由于承载力不足， 在施工中出现变形过大最终导致破坏，甚至有可能造 成重大安全事故。 钢纤维舭 S t e e lF i b e rR e i d o m e dC o n c r e t e ，S F R C 在2 0 世纪7 0 年代得到实用，它具有优良的物理、力学 性能，在隧道工程中得到广泛应用，节约投资成本的同 时也提高了结构的使用寿命。此外，S F R C 在欧洲、1 3 本等国已成为隧道支护的关键结构材料1 。近年来 S F R C 在我国得到较快应用，但由于我国国内暂时缺 少相应的测试和检验标准，因此虽频繁借鉴国外标准， 尚没有满足工程应用的经验。 1 钢纤维的增强效应 虽然国内外对钢纤维增强机理的研究取得了一定 成果，但由于S F R C 的多相、多组分和非均质性，其增 强机理十分复杂，再考虑不同的施工方式、钢纤维形状 以及粗骨料 对于有粗骨料的混凝土，钢纤维其实只 是在粗骨料之间的空隙里分布 等因素的影响，仍需 进一步探讨能反映实际情况的增强理论。国内外大量 试验和实践表明，钢纤维能有效阻碍混凝土内部微裂 缝的扩展及宏观裂缝的形成，它克服了混凝土抗拉强 ①收稿日期2 0 1 5 0 9 0 5 基金项目国家自然科学基金资助 U 1 3 6 1 2 1 0 ；中央高校基本科研业务费专项资金资助 2 0 0 9 Q L ll 】 作者简介汪学清 1 9 7 1 一 ，男，山东成武人，博士，副教授，主要研究方向为岩石动力学、工程爆破、人工智能及无线传感f 回络。 万方数据 矿冶工程 第3 6 卷 度低、极限延伸率小、性脆等缺点，显著改善了混凝土 抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能。有资料显示，S F R C 的纤维体积率在1 ％- 2 ％之间，较之普通混凝土，抗拉 强度提高4 0 ％一8 0 ％，抗弯强度提高6 0 ％一1 2 0 ％，抗剪 强度提高5 0 ％一1 0 0 ％，抗压强度提高幅度较小，一般 在O 一2 5 ％之间，但抗压韧性却大幅度提高。 钢纤维混凝土主要特点如下 1 强度和质量比增大。 2 具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度，能承 受较大的围岩和土体的变形作用而保持良好的整 体性。 3 具有卓越的抗冲击性能，钢纤维混凝土抵抗冲 击或震动荷载作用性能可提高2 - 7 倍。 4 钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低 7 ％一9 ％。 5 抗疲劳性、耐久性显著提高。 在岩石地层的矿山法隧道衬砌方面，采用喷射 S F R C 来取代传统的喷射混凝土支护，在国内已得到 广泛应用，这是当今S F R C 应用最广泛的工程领域之 一[ 3 ] 。在软土隧道轨道交通盾构支护中采用钢纤维 混凝土管片 S t e e lF i b e rR e i n f o r c e dC o n c r e t eS e g m e n t s ， S F R C S 方面，钢纤维也得到越来越多的研究和实践。 本文将在软土层围岩软弱地带对S F R C S 衬砌的应用 进行数值模拟分析。 2 三维有限元模拟方法及计算模型 2 ．1 衬砌结构单元 F l a c 3 0 能够模拟计算三维岩体、土体及其他介质中 工程结构的受力与变形形态。本文将衬砌管片定义为 1 0 0m m 壳 s h e l l 结构单元，可较方便地将隧道中的衬 砌嵌入分析模型中，从而对盾构开挖引起的软黏土地层 扰动问题进行数值模拟。基于文献[ 4 ] 对长度6r a i n 、长 径比4 0 的超细、超短、高强度钢纤维所做的试验研究， 将钢纤维力学性能在隧道衬砌中的应用来进行数值模 拟及分析。该实验揭示了S F R C 受压损伤破坏的基本 特征，不同钢纤维含量U 下，准静态实验在应变率 1 0 ‘5 ／s 、1 0 。2 ／s 下的部分应力应变曲线如图1 所示。 2 ．2 计算参数 根据S L ／T1 9 1 9 6 和G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 规范“ J fE 。 1 0 q ／ 2 ．2 3 4 ．7 4 ／F c ．， i t ，o ．2 式中E 。为混凝土的弹性模量；L ．。为混凝土立方体抗 压强度标准值；u 为泊松比。 经计算所得参数如表1 所示。 图1 钢纤维的应力应变曲线 a 苦 1 0 一／s ； b 分 1 0 2 ／s 表1 弹性模量计算值 某隧道采用管片支护，土质为软塑状黏性土及潮 湿、饱和粉土砂层、软土等J ，假设天然地面是半空间 半无限体 表面一个无限大的水平面，弹性体积模量 为5 0 0M P a ，弹性切变模量为3 0M P a ，计算摩擦角为 1 5 0 ，抗拉强度为3k P a ，初始应力为7 9 0k P a ，密度为 2 0 0 0k g ／m 3 。本文模拟3 个隧道开挖阶段，每个阶段 表示隧道进尺1m ，例如第1 阶段指隧道法线方向开 挖第一个1m 。 2 ．3 不同支护条件下的数值模拟比较 2 ．3 ．1隧道未采用结构单元支护在无支护受力条 件下的数值模拟如图2 所示。 未进行任何支护的开挖过程中，第1 阶段开挖后， 隧道顶部下沉6 9m m ，底部上升8 0m m 。第2 阶段开 挖后，隧道顶部下沉9 3m l n ，底部上升1 0 0m m 。第3 阶段开挖过程中，计算结果不收敛，说明无条件支护 下，隧道周围土体达到极限状态，隧道破坏。 万方数据 第1 期 汪学清等软弱地层下管片支护的数值模拟研究 图2 无支护模拟 2 ．3 ．2 隧道采用普通混凝土材料结构单元在C 3 0 混凝土管片支护受力条件下的数值模拟如图3 所示。 图3 混凝土管片支护 C 3 0 混凝土管片支护受力下的开挖过程中，第1 阶 段开挖后，隧道顶部下沉8 ．9i n l n ，底部上升1 5 ．1m i l l 。 第2 阶段开挖后，隧道顶部下沉1 7 ．8m m ，底部上升 3 0r a i n 。第3 阶段开挖后，隧道顶部下沉2 9 ．1r a i n ，底 部上升3 2m l n 。 2 ．3 ．3 隧道采用S F R C S 材料结构单元在6l l l l n 钢纤 维混凝土管片支护受力条件下的数值模拟如图4 所示。 图4 钢纤维混凝土管片支护 6m m 钢纤维混凝土管片支护受力下的开挖过程 中，第l 阶段开挖后，隧道顶部下沉8 ．4m ／n ，底部上升 1 6 ．7m m 。第2 阶段开挖后，隧道顶部下沉1 7m i l l ，底 部上升3 2m m 。第3 阶段开挖后，隧道顶部下沉2 3 ．7t o n i ， 底部上升3 3 ．5m i l l 。 2 。4 下沉量对比 将隧道顶部最大的下沉量记录到表格中，并比较 普通混凝土管片和S F R C 管片支护条件下最大下沉量 的差值。隧道在掘进工程中掘进方向上的压应力变为 。时，围岩应力重新分布，洞壁变形在弹性区域内保持 稳定，在靠近隧道洞壁处自然产生应力流，随着开挖深 度增加，掌子面因弹- 塑性变形只能维持短期的稳定， 但是应力从外朝内进行径向和纵向传播后会在离洞壁 较远处产生成拱效应，在这种情况下，若要洞壁长期稳 定，必须人为加固。在支护条件下开挖2m 时，围岩还 能保持弹．塑性状态稳定，洞壁变形量不大。而开挖3m 万方数据 矿冶工程 第3 6 卷 时，围岩已不能保持稳定而破坏，人为加固物受力增大 变形增加。如表2 所示。 表2 顶部下沉数据分析 开挖 塑墅竺下沉量减少下沉量减少 阶段无支护c 3 0 溉t 管片S F R C 管片僧矿r m百分比7 ％ 注表示土体已经破坏。 3 结论 1 C 3 0 混凝土管片和6m m 钢纤维混凝土管片 S F R C S 两种支护方式对比研究表明，在第1 阶段和 第2 阶段开挖过程中，隧道顶部下沉量相差不大，第3 阶段S F R C S 支护使隧道顶部最大下沉量减少5 ．4m m ， 减少下沉量1 8 ．6 ％，从而可以有效控制变形和减少地 面沉降。 2 隧道在无支护条件下第3 阶段破坏，说明开挖 进尺也是影响隧道破坏的重要原因。支护条件下第 2 、3 阶段各点竖直位移波动上升，表明后续的支护分 担了部分承载力，土层应力重新分布，各位置下沉和上 升量也重新形成。 参考文献 [ 1 ]晏浩，朱合华，傅德明．钢纤维混凝土在盾构隧道衬砌管片中应 用的可行性研究[ J ] ．地下工程与隧道，2 0 0 0 1 1 3 1 6 ． [ 2 ]文竞舟．隧道初期支护力学分析及参数优化研究[ D ] ．重庆重庆 大学土木工程学院，2 0 1 2 ． [ 3 ]同治国，朱合华，廖少明，等．地铁隧道钢纤维混凝土管片力学性 能研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 6 ，2 5 增1 2 8 8 8 2 8 9 3 ． [ 4 ]刘永胜，王肖钧，金挺，等．钢纤维混凝土力学性能和本构关系 研究[ J ] ．中国科学技术大学学报，2 0 0 7 ，3 7 7 7 1 7 - 7 2 3 ． [ 5 ] G B 5 0 0 1 0 - 2 0 1 0 ，混凝土结构设计规范[ S ] ． [ 6 ] M u n T h o m a s ．梁庆国，欧尔峰译．喷射混凝土衬砌隧道[ M ] ．北 京科学出版社．2 0 1 4 ． 一 一一 一一一 伯 列删 羚 一 辙 一 一椭嚣 | | 一胀鞴 一 一醐臻鼠 一 一中州皱例 一 磊篓一 一 根 删析址 扮 ●- 七1 、且 y 竺 粼 把瓤鼬 扮 一 篙删 一 “ 制章 “ 岱 复文 “ 一、 万方数据