地震荷载作用下地下岩体洞室位移特征的影响因素分析.pdf

第 2 8 卷 2 0 0 6年 第 3 期 3月 岩土工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g V o l . 2 8N o . 3 2 0 0 6 地震荷载作用下地下岩体洞室位移特征的影响因素分析 李海波’ ，马行东‘ ， 李俊如’ ，戴会超’ ，肖 克强’ 1 . 中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 4 3 0 0 7 1 ; 2 . 中国长江三峡工程开发总公司，湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 摘 要用 F L A G 3 D 初步分析了 地震荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室位移特征的影响。分析 结果表明 地震荷载作用下， 地下洞室位移响应随埋深的增加而减小，当地应力侧压系数A i l 特别是A 2 时 ， 洞室 位移响应存在临界埋深 2 0 0 3 0 0 m，并随地应力侧压系数的增加而减小。洞室断面形状对洞室位移响应有一定影 响，圆形断面洞室拱顶和拱底位移较矩形和马蹄形小。分析结果还表明，随地应力侧压系数的增加洞室位移明显减小， 幅度随埋深的增加有减小趋势， 地应力侧压系数A ,1 时的情况。本文的工作可为工程设计提供一些概念性指导。 关键词地下洞室;地震荷载;位移特征; F L A C 中 图分类号 T U 4 5 7文献标识码 A文章编号1 0 0 0 一 4 5 4 8 2 0 0 6 0 3 一 0 3 5 8 一 0 5 作者简介李海波 1 9 6 9 一 ，男， 研究员，博士生导师，主要从事岩石动力学研究。 S t u d y o n i n f l u e n c e f a c t o r s o f r o c k c a v e r n d i s p l a c e m e n t u n d e r e a r t h q u a k e L I H a i- b o l , M A X in g - d o n g l , L I J u n - r u 1 , D A I H u i- c h a o 2 , X I A O K e - g i a n g I . I n s t i t u t e o f R o c k a n d S o i l M e c h a n ic s , C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s , W u h a n 4 3 0 0 7 1 , C h i n a ; 2 . C h i n a Y a n g tz e T h r e e G o r g e s P r o j e c t s D e v e l o p m e n t C o o p e r a t i o n , Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 , C h i n a A b s t r a c t T h e i n fl u e n c e o f o v e r b u r d e n a n d c a v e rn s h a p e a s w e l l a s i n - s i t u s t r e s s c o n d i t i o n o n t h e d i s p l a c e m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f r o c k c a v e rn u n d e r e a r t h q u a k e w e r e a n a l y z e d . I t w a s r e p o r t e d t h a t t h e c a v e rn d i s p l a c e m e n t d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e as i n g o v e r b u r d e n . Wh e n X .-} l e s p e c i a l l y W , t h e r e w as a c r i t i c a l d e p t h 2 0 0 3 0 0 m w h i c h d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s i n g , s i d e p r e s s u r e c o e f f i c i e n t . I t w as a l s o s u g g e s t e d t h a t t h e d i s p l a c e m e n t o f c i r c u l a r c a v e rn w as l e s s t h a n t h a t o f t r i a n g u l a r a n d h o o f - l i k e c a v e rn u n d e r t h e s a m e l o a d i n g c o n d i t i o n . A s w e l l , t h e c a v e rn d i s p l a c e m e n t d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s i n g入 s i d e p r e s s u r e c o e f f i c i e n t , a n d t h e d e c r e a s i n g r a t e s t e n d e d t o d e c r e a s e w i t h t h e i n c r e as i n g o v e r b u r d e n . I t w as f u rt h e r r e v e a l e d t h a t t h e c a v e rn d i s p l a c e m e n t a n d i t s d e c r e a s i n g r a t e w i t h i n c r e a s i n g X a t t h e c o n d i t i o n o f X 1 . T h e p re s e n t w o r k c o u l d b e u s e d a s a p r i m a ry g u i d a n c e t o t h e a n t i - e a r t h q u a k e d e s i g n f o r u n d e r g r o u n d c a v e rn. K e y w o r d s u n d e r g r o u n d c a v e rn ; s e i s m i c l o a d i n g ; d i s p l a c e m e n t c h a r a c t e ri s t i c s ; F L A C 0 引言 地下工程破坏是地震引起的主要灾害之一。如 1 9 7 6 年的唐山大地震， 造成了大量地下通道、 煤矿巷 道和人防工程的破坏[I l l . 1 9 2 3 年的日 本关东大地震， 致使邻近约2 5 条隧道受到严重破坏[“ . 1 9 3 0 年日 本 伊豆发生 7 . 0级地震，使正在修建的丹那铁路隧道在 穿越丹那断层带 宽4 0 m 处的排水导洞错开2 .4 0 m , 也使惠那山 公路隧道排水洞产生水平向 错动2 .3 9 m . 竖向 错动0 . 6 m “ . 1 9 9 5 年发生的日 本大阪 神户地震， 造成地铁车站、地下停车场、地下商业街发生严重破 坏 9 . 1 9 9 6 年 美国 旧 金山8 .3 级 地 震， 使 奈 特1 号 隧 道沿圣安德烈斯断层产生 1 . 3 7 m的水平位移， 相邻的 奈特 2号隧道支架断裂、 顶部坍塌[[9 1 0 1 9 8 9年美国 L .o m a P ri e t a地震，导致部分海底隧道破坏[11 2 1 . 1 9 9 9 年台湾集集地震，造成地震区附近高速公路隧道、水 电站地下输水管道、 铁路隧道等发生不同程度的破坏。 其中， 一水电站的地下输水隧道垂直向变形达到4 m, 水平向 变形高达3 m ，整个隧洞破坏[ 1 0 1 目前，针对地震荷载作用下岩体洞室 隧道安 全的相关研究重要集中在震后现场调查以及数值分析 的 初步工作。 例如， 文献[2 - 1 2 1根据地震后的现场调查 分析了地下岩体工程的变形破坏模式、程度与覆盖层 厚度、岩石类型、支护类型、地震参数之间的关系。 文献【 1 3 - 1 8 1应用有限 元、离散元等分析方法， 分析了 地 荃金项目国家自 然科学基金重点资助项目 5 0 4 3 9 0 3 0 ; 9 7 3 项目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 5 收稿日 期 2 0 0 5 一 0 3 一 2 8 第3 期李海波，等. 地震荷载作用下地下岩体洞室位移特征的影响因素分析 下岩体洞室 隧道在地震动荷载作用下的速度、加 速度、 位移等响应特征和规律。 本文尝试采用F L A C 3 D 初步分析埋深、洞室形状、地应力对地震荷载作用下 地下岩体洞室位移响应的影响规律，旨在为工程设计 提供一些概念性指导。 表 1岩石物理力学指标 T a b l e 1 P r o p e rt i e s o f i n t a c t r o c k m a t e r i a l 力学特性值 1 计算模型及参数选取 1 . 1 计算模型 数值分析中，取 1 0 0 mX 4 0 mX 1 5 0 m的区域为 研究对象， 洞室基本尺寸为1 0 mX 4 0 mX1 0 m 。 计算 模型、断面形状以及数值分析中的监测点位置见图 1 所示。 密 度 / k g m 3 弹性模量E ,J G P a 体积模量习G P a 剪切模量G ,1 G P a 泊松比 粘聚力/ MP a 摩擦角1 “ 抗拉强度/ MP a 2 5 0 0 4 5 . 6 3 4 . 5 1 7 . 8 0 . 2 8 1 . 0 41 1 . 1 应力波 a 计算区域及边界条件设置 b 网格划分 图 1计算模型 F i g . 1 C o m p u t a t i o n a l m o d e l 1 . 2 岩石力学模型和屈服准则 数值模拟中，采用理想弹塑性模型，屈服准则采 用M o h r - C o u l o m b 强度准则，屈服函数如下[1 9 ] . f 5 6 1 一 6 3 N W 2 c 派 ， 1 1 . 4 地震荷载及边界约束条件选择 考虑到剪切波对洞室响应影响较大，模拟的地震 波为施加在模型底面的正弦剪切应力波，其速度时程 、一 、 ，二 2 n、 。一 、 一_ 、 ，__ _.、 二 、 _ 表征为v A a n --t ， 最大幅值取为0 . 1 3 m / s ， 卓越周 ’ T ’ 期T 为 1 s ,频率为 1 H z ，持续时间为2 s . 为减少动荷载作用下边界反射波的影响，采用粘 滞边界，如图1 所示。在粘滞边界动态中，速度与加 速度不能直接作用在模型边界，而要转换成力作用在 模型上[ 1 9 ] ， 转换的 公式为 6 a 2 p C , v . 与6 s 2 p C s V s， 4 其中 6 n 为 施 加的 正 应力; U s 为 剪 应力;p 为 密 度， 几传 入 的P 波;C S 传 入 的S 波; _ vn 为 振 动 点 垂 直 速 度分量;V S 为振动点 切向 速度分量。 几与C s 计 算公 式 如 下 、 一 K 4G 13p“ CS G /P 。 5 因此，本模型的实际分析中，速度时程转化为相 应的应力时程，转换关系式如下 6 5 2 p C , v , 2 派 不 A s i n 于 t 了 ’ 。 6 大 二 6 3 一 6 式中 Q 1 a 3 分 别为 最 大、 最小 主 应 力; 角;C 为粘聚力;6 c 为岩石抗拉强度; 2 p 为摩擦 N W 1 s i n p 1 一 s i n 毋 3 当 岩体内 某一点 应力满足f 5 0 时， 发生拉伸破坏。 1 . 3 岩体基本物理力学指标 模型岩石介质为凝灰岩，考虑到低应变速率下， 岩石的动态力学参数与静态力学参数差异不大，本次 数值模拟中采用岩石的静态参数〔2 0 1 ， 各项物理力学指 标见表 1 所示。 同时，数值模拟中采用局部阻尼。局部阻尼系数 取为0 . 1 2 5 . 1 . 5 洞型、埋深、地应力地确定 为分析不同断面洞室形状下的位移响应，数值分 析中，取矩形、马蹄形和圆形三种断面洞室。马蹄形 断面上部尺寸为半径5 m的半圆，下部为5 mXl O m 的矩形;矩形断面尺寸为 1 0 mX 1 0 m的矩形;圆形 断面尺寸为半径为5 m的圆。三种模型取相同特殊监 测点， 监测点坐标为拱顶 0 , 2 0 , 5 、 拱底 0 , 2 0 , - 5 。 根据实际工程中洞室的可能埋深情况， 数值分析 中， 埋深分别取为1 0 0 , 2 0 0 , 3 0 0 , 5 0 0 , 1 0 0 0 m 。同 时，以最大水平地应力与垂直向地应力的比值 侧压 系数又表征不同的地应力状态。实际分析中，取隧 道轴向与最大主应力方向一致。垂直应力近似表示为 岩 体自 重 6 ,, 沙 ， 最大水 平主 应力 取为6 i, A 6 , 岩土工程学报2 0 0 6年 侧压系数x 取 0 . 5 .5 . 5 ，最小水平主应力取为最大水 平主应力的一半。 2 埋深对洞室位移的影响分析 图2 、图3 分别为地应力侧压系数A 0 .5 , 1 , 2 , 3 , 4 ，埋深为 1 0 0 , 2 0 0 , 3 0 0 , 5 0 0 , 1 0 0 0 m时马蹄 形、矩形、圆形断面洞室不同点的位移变化规律，可 以看出在地震荷载作用下，洞室拱顶和拱底位移量值 都随埋深的增加明显减小。 0 .0 1 o r - k 马 蹄形 洞室拱 底 一a 0 .s _ 0 .0 0 8 卜 、 \-J L -A 1 E . 0 .0 0 6 卜 。 \- * - - A 2 i4 0 .}l 2 4- 叙 \\ - . Y A N G L i n - d e . E a r t h q u a k e d a m a g e o f u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e a n d a s e i s m a t i c m e t h o d [ J ] . E a r t h q u a k e R e s i s t a n t E n g i n e e r i n g . 1 9 9 9 , 4 2 3 - 2 8 . [ 4 ]于翔. 地下建筑结构应充分考虑抗震问 题一1 9 9 5年阪神 地震 破坏的 启 示[ J ] . z 程抗 震， 2 0 0 2 , 4 1 7 一 2 0 . Y U X i a n g . U n d e r g r o u n d s t r u c t u r e s a r e a l w a y s c o n s i d e r e d p o s s e s s i n g w e l l a n t i - s e i s m i c c a p a b i l i t y 一 R e v e l a t i o n o f 1 9 9 5 H y o g o k e n - N a m b u e a r th q u a k e [ J ] . E a r t h q u a k e R e s i s t a n t E n g i n e e r i n g . 2 0 0 2 , 4 1 7 一 2 0 . [ 5 ]于翔. 地铁建设中应充分考虑抗地震作用一阪神地震破 坏的 启示[ J ] 铁道建筑技术， 2 0 0 0 , 6 3 2 一 3 5 . Y U X i a n g . S u b w a y c o n s t r u c t i o n a r e a l w a y s c o n s i d e r e d p o s s e s s i n g w e l l a n t i - s e i s m i c c a p a b i l i t y 一R e v e l a t i o n o f H y o g o k e n - N a m b u e a r t h q u a k e [ J ] . R a i l w a y C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y . 2 0 0 0 , 6 3 2 一 3 5 . [ 6 ] 季倩倩， 杨林德. 地下铁道震害与震后修复措施[[ J ] . 灾害学， 2 0 0 1 , 1 6 2 3 1 一 3 6 . J I Q i a n - g i a n , Y A N G L i n - d e . S e i s m i c d a m a g e a n d r e s t o r a t i o n m e a s u r e s o f s u b w a y [ J ] . J o u r n a l o f c a t a s t r o p h o l o g y . 2 0 0 1 , 1 6 2 3 1 一 3 6 . [ 7 l 张玉娥， 白 宝鸿， 张耀辉， 王赞之. 地铁区间隧道震害特点、震 害分析方法及减震措施的探讨[[J ] . 振动与冲击， 2 0 0 3 , 2 2 1 6 3 , 7 0 一 7 1 . Z H A N G Y u - e , B A I B a o - h o n g , Z H A N G Y a o - h u i , W A N G Z a n - z h i . D i s c u s s i o n o f e a r th q u a k e d a m a g e c h a r a c t e r i s t i c s , a n a l y t i c a l m e t h o d a n d s h o c k a b s o r p t i o n m e a s u r e o f s u b w a y t u n n e l [ J ] . J o u rna l o f V i b r a t i o n a n d S h o c k , 2 0 0 3 , 2 2 1 6 3 , 7 0 一 7 1 . 1 8 1 潘昌实. 隧道及地下结构物抗震问题的研究概况[[ J ] .世界隧 道， 1 9 9 6 , 5 7 一 1 6 . P A N C h a n g - s h i . S u r v e y t o s t u d y o f t u n n e l a n d u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e a n t i - s e i s m [ J ] . T u n n e l I n t e r n a t i o n a l , 1 9 9 6 , 5 7 一1 6 . [ 9 ] W A N G W L , e t a l . A s s e s s m e n t o f d a m a g e i n m o u n t a i n t u n n e l s d u e t o t h e T a i w a n C h i - C h i E a r t h q u a k e [ J ] . T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o lo g y . 2 0 0 1 , 1 6 1 3 3 一 1 5 0 [ 1 0 ] S H A R MA S , J U D D W R . U n d e r g r o u n d o p e n i n g d a m a g e f r o m e a r th q u a k e s p [ J ] . E n g i n e e r i n g o f G e o l o g y . 1 9 9 1 , 3 0 2 6 3 一2 7 6 . [ 1 1 ] Y O U S S E F M A , H A S H A S H , e t a l . S e i s m i c d e s i g n a n d a n a l y s i s o f u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e s [ J ] . T u n n e l li n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y . 2 0 0 1 , 1 6 2 4 7 一 2 9 3 . [ 1 2 1 李小军. 地下隧道式结构动力分析方法研究「 M ] . 北京 科学 出版社， 1 9 9 7 9 4 一 1 0 4 . L I X i a o 一 u n . S t u d y o n d y n a m i c a n a l y s i s o f u n d e r g r o u n d t u n n e l l i n g s t r u c t u r e s [ M ] . B e ij i n g S c i e n c e P r e s s . 1 9 9 7 ,9 4 一 1 0 4 . [ 1 3 ] L I X J , T H O M A S H R , H E Y A n e x p l i c i t m e t h o d f o r t h e a n a l y s i s o f t h e e a r t h q u a k e r e s p o n s e o f n u c l e a r w a s t e r e p o s i t o ry [ R ] . R e s e a r c k R e p o r t s o f U n i v e r s i t y o f W a l e s , 1 9 9 7 . [ 1 4 ] 金峰， 王光纶， 贾伟伟. 离散元一 边界元动力祸合模型在地 下结构动力分析中的应用[[ J ] . 水利学报，2 0 0 1 2 2 4 - 2 8 . J I N F e n g , W A N G G u a n g - l u n , J I A W e i - w e i . A p p li c a t i o n o f d i s t in c t e l e m e n t - b o u n d a ry e l e m e n t c o u p l i n g m o d e l i n u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e d y n a m i c a n a l y s i s [ J ] . J o u r n a l o f H y d r u l i c E n g i n e e r i n g , 2 0 0 1 2 2 4 一 2 8 . [ 1 5 ]陈健云， 胡志强， 林皋. 超大型地下洞室群的随机地震响 应分析[[ J ] . 水 利学 报 ， 2 0 0 2 1 7 1 一 7 5 . C H E N J i a n - y u n , H U Z h i - g i a n g , L IN G a o . R a n d o m s e i s m i c r e s p o n s e a n a ly s i s o f l a r g e - s c a l e u n d e r g r o u n d c a v e rns [ J ] . J o u r n a l o f H y d r u l i c E n g i n e e r i n g , 2 0 0 2 1 7 1 一 7 5 . [ 1 6 ] 黄润秋， 王贤能， 唐胜传. 深埋隧道地震动力响应的复反应 分析 [ J ] . z 程地质学 报， 1 9 9 7 , 5 1 1 一 7 . H U A N G Y u n - q i u , W A N G X i a n - n e n g , T A N G S h e n g - c h u a n . C o m p l e x a n a l y s i s o f s e i s m i c r e s p o n s e o f a m o u n t a i n t u n n e l [ J ] . J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o l o g y , 1 9 9 7 , 5 1 1 一 7 . [ 1 7 ] 张丽华， 陶连金.节理岩体地下洞室群的地震动力响应分析 [J ] . 世界地震I程， 2 0 0 2 , 1 8 2 1 5 8 一 1 6 2 . Z H A N G L i - h u a , T A O L i a n 一 i n . D y n a m i c r e s p o n s e a n a l y s i s o f l a r g e u n d e r g r o u n d e x c a v a t i o n s i n j o i n t e d r o c k [ J ] . W o r l d E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g , 2 0 0 2 , 1 8 2 1 5 8 一 1 6 2 [ 1 8 ] F L A C 3 D u s e r s m a n u a l [ M ] . V e r s i o n 2 .0 . I t a s c a C o n s u l t i n g G r o u p I n c , 1 9 9 5 . [ 1 9 ] 夏 祥， 李俊如， 李海波， 刘亚群， 周青春. 爆破荷载作用下岩 体振动特征的数值模拟[[ J ] . 岩土力学， 2 0 0 5 ,2 6 1 5 0 - 5 6 . X I A X i a n g , L I J u n - r u , L I H a i b o , L I U Y a - q u n , Z H O U Q i n g - c h u n . U d e c m o d e l i n g o f v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f j o i n t e d r o c k m a s s u n d e r e x p l o s i o n [ J ] R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s , 2 0 0 5 , 2 6 l 5 0 一 5 6 .