文档介绍：降雨条件下隧道稳定性的弹塑性位移计算分析
唐芳
(湖南城建职业技术学院, 湖南湘潭 411101)
摘要:降雨条件下隧道稳定性分析是一个系统工程,因此着重应用弹塑性理论和工程计算,对某隧道进行了沉降和纵向位移计算分析。隧道位移的弹塑性计算对隧道工程的设计、施工、监理和监测具有重要指导作用。
关键词:隧道;降雨;位移计算;弹塑性
中图分类号: 文献标志码:B 文章编号:1009-7767(2010)06-0000-00
Calculation of elasto-plastic displacement of tunnel stability under rain
Tang Fang
随着我国大规模交通建设的进行,在山区修建各等级公路、铁路、高铁处处可见。近年来,一些研究者对交通隧道进行了众多研究,如陈东瑞[1]对隧道边坡治理设计与施工进行了研究;王祥秋[2]用施工动态监测拱顶位移与有限元模拟来研究高速公路偏压隧道;杨小礼[3]采用侧壁导坑法对浅埋偏压隧道的施工工序进行了研究等等。尽管如此,技术人员对隧道的弹塑性位移计算仍普遍关心不够。因此,针对工程的特殊性和复杂性,本文拟探讨受降雨影响,隧道沉降与纵向位移的工程计算,这在目前计算实例中并不多见。
1 降雨入渗分析
降雨入渗是雨水从隧道顶部土体表面进入土体内部的渗透过程。降雨入渗,是先在岩土体浅层非饱和带形成一定厚度的暂态饱和水,随着降雨持时和降雨量的延续,入渗雨量会继续扩展,使深部干燥的土体变得饱和甚至在某一位置溢出。同时,顶部浅层土体又呈现出非饱和状态,这是一个复杂的趋替过程。其渗流场和应力场的耦合关系式为[4]:
。(1)
式中:为渗透系数;为压力水头;为水的容重;为竖向坐标;为土骨架的孔隙率;为水的弹性压缩系数,文中不考虑水的压缩性;为土骨架体积应变增量;为微分算子符号。
2 隧道弹塑性计算
弹塑性破坏准则
莫尔-库仑强度准则是目前岩土工程中应用最为广泛的破坏准则,其表达式为[5,6]:
。(2)
式中:I1,J2为应力张量第一不变量和应力偏量第二不变量;为应力罗德角;分别为黏聚力和内摩擦角。
采用非关联的流动法则,其塑性势函数与屈服函数具有相似的形式,即
。(3)
式中:为土体剪胀角,当时为相关联的流动法则, 时为非关联的流动法则。
弹塑性刚度张量
岩土的应变可分解为弹性应变和塑性应变,其理想弹塑性应力应变关系为:
。(4)
式中:为待定比例系数;K、G为体积及剪切模量;为应力偏量增量;为弹性应变;为塑性应变;为塑性势。
运用连续性条件,的表达式为:
。(5)
式中:为弹性刚度张量;为硬化参数;为屈服函数。
3 算例分析
工程概况
湖南省境内某高速公路隧道为双洞公路隧道[7],左洞位于高速公路左线K73+580—K74+460,右洞位于右线K73+780—K74+480。隧道按高速公路平原微丘区标准设计,车速按100km/h确定;、,行车道(含路缘带),。
计算模型
由于计算范围的大小对弹塑性分析结果有较大的影响,而弹性理论分析表明,在四周全部约束的情况下,边界到隧洞中心的距离在3~5倍洞径即可,所以结合该工程的特点,计算选定的范围为:左、