黃土隧道仰邊坡及洞口段地震動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)研究

邊 磊,梁慶國(guó),張欽鵬

(1.土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州交通大學(xué)),蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070)

21世紀(jì)以來，西部地區(qū)在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面取得了舉世矚目的成就，包括蘭新客運(yùn)專線、寶蘭客運(yùn)專線、連霍高速公路等一批高速鐵路、高速公路的建成通車，其中寶蘭客專是我國(guó)高速鐵路“四縱四橫”網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，其正線全長(zhǎng)401 km，全線共有隧道78座，總長(zhǎng)273 km，其中大部分隧道穿越濕陷性黃土分布區(qū)。眾所周知，黃土分布區(qū)同時(shí)又是地震活動(dòng)頻發(fā)區(qū)，據(jù)相關(guān)資料記載，僅強(qiáng)度大于7級(jí)的強(qiáng)烈地震就有6次[1]，同時(shí)伴隨強(qiáng)震的地質(zhì)災(zāi)害也較為嚴(yán)重[2-3]。隨著西部大開發(fā)的進(jìn)一步深入，對(duì)該地區(qū)的抗震減災(zāi)工作提出了更高的要求[4]。2008年我國(guó)四川汶川特大地震的發(fā)生，都迫切要求進(jìn)一步認(rèn)識(shí)巖土材料的動(dòng)力學(xué)行為及土工構(gòu)筑物的地震破壞規(guī)律[5]?！?·12”四川汶川特大地震造成了多座交通隧道的嚴(yán)重破壞，其中隧道洞口段的破壞尤其嚴(yán)重，這引發(fā)了眾多學(xué)者對(duì)隧道洞口段抗震性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)注和研究，隨后一段時(shí)間發(fā)表了相當(dāng)數(shù)量的有關(guān)強(qiáng)震作用下隧道，尤其是洞口段的震害調(diào)查統(tǒng)計(jì)、類型與破壞機(jī)理分析[6-11]、震后快速搶修[12]和洞口段抗震減震優(yōu)化措施[10-13]等領(lǐng)域的文章。因此作為最易受到地震波威脅的洞口段應(yīng)是抗震設(shè)防的重點(diǎn)[10-14]。本文將利用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)黃土隧道洞口段邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)力分析。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖1 振動(dòng)臺(tái)整體構(gòu)造

本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)以鄭西客專和寶蘭客專線上較典型的黃土隧道為工程背景(王家溝隧道)。模型試驗(yàn)借助中國(guó)地震局蘭州地震研究所的大型電伺服式地震振動(dòng)臺(tái)(圖1)。該振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為4 m×6 m，共由28臺(tái)伺服電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，其中，垂直向由16臺(tái)22 kW的AC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，水平向由12臺(tái)37 kW水冷式伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湓O(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用剛性密封模型箱，其尺寸為2.8 m(長(zhǎng))×1.4 m(寬)×1.1 m(高)，模型箱實(shí)物如圖2所示。長(zhǎng)度方向兩側(cè)為3 cm厚的有機(jī)玻璃板，寬度方向兩側(cè)為2 cm厚的鋼板。箱體四角固定M20吊環(huán)以便吊裝，底部采用50個(gè)六角螺釘組M16×60固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上。為減小模型箱所造成的邊界條件的影響，在土體與模型箱接觸的前后兩側(cè)加入鋸末摻和土緩解邊界土體的變形。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

1.2 模型相似性設(shè)計(jì)

進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)一般需要滿足幾何相似、物理相似和試驗(yàn)材料相似。但很多情況下三者并不能同時(shí)滿足，因此本文主要考慮幾何相似性和試驗(yàn)材料相似性。

(1)幾何相似性

試驗(yàn)原型為寶蘭客運(yùn)專線典型大斷面黃土隧道，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)按照1∶70的比例將原型進(jìn)行縮小。原型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)尺寸見表1，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

表1 原型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)尺寸

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?單位：cm)

(2)材料相似性

原型土、模型土壓實(shí)后的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比見表2。黃土隧道的襯砌施工時(shí)通常采用C25混凝土，因此試驗(yàn)中用石膏這類脆性材料來模擬隧道襯砌比較合適，為使石膏襯砌模型與現(xiàn)場(chǎng)混凝土襯砌滿足相似比，襯砌采用水∶石膏=2∶1的混合材料來制作；為了保證襯砌抗彎剛度的相似，采用φ1 mm的鐵絲網(wǎng)來模擬襯砌內(nèi)的鋼筋網(wǎng)，為保證襯砌強(qiáng)度相似，襯砌制作完成后靜置1周。

表2 原型與模型壓實(shí)后的物理力學(xué)參數(shù)

1.3 模型制作

本次模型試驗(yàn)所用的填土就近取自蘭州劉家坪某邊坡表層剝落松散的Q3原狀黃土，總共取土量約6.5 m3。然后取少量填土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得出試驗(yàn)填土的液限WL=33.8%，塑限WP=17.6%。塑性指數(shù)IP=16.2，最佳含水量為16.5%，相應(yīng)的最大干密度為1.78 g/cm3。因此土質(zhì)為粉質(zhì)黏土。

隧道襯砌相似材料主要采用石膏，根據(jù)方案設(shè)計(jì)，預(yù)制長(zhǎng)95 cm的襯砌段。為保證襯砌結(jié)構(gòu)的一致性，襯砌采用雙層白鐵皮模具預(yù)制方法加工而成，采用φ1 mm的鐵絲網(wǎng)來模擬襯砌內(nèi)的鋼筋網(wǎng)，將鐵絲網(wǎng)卷成直徑為17 cm的圓筒并放置在雙層白鐵皮模具中，鐵絲網(wǎng)高度略大于白鐵皮模具高度，方便安放兩段襯砌時(shí)進(jìn)行現(xiàn)澆，如圖4所示。澆筑襯砌時(shí)，水膏比保持2∶1，由于在冬季試驗(yàn)，因此用熱水澆筑，并且周圍放置“小太陽(yáng)”防止溫度較低時(shí)石膏不能充分溶解。襯砌初凝后拆除模具，將襯砌段放置在有采暖設(shè)備的屋內(nèi)養(yǎng)護(hù)一周。

圖4 隧道襯砌的制作

1.4 傳感器布置與模型填筑

(1)加速度傳感器

試驗(yàn)的加速度傳感器采用東華DH301型電容式加速度傳感器，如圖5所示。傳感器埋設(shè)過程中，根據(jù)測(cè)定方向直接將傳感器埋入到土體中，輕壓周圍土體固定傳感器。加速度傳感器的具體布置見圖6，試驗(yàn)布置13個(gè)加速度傳感器：A0～A4和A5～A8分別每隔23 cm埋設(shè)1個(gè)傳感器，傳感器緊貼襯砌上下面布置，周圍用土壓實(shí)；A10～A13水平布置，分別與A5～A8對(duì)應(yīng)相距20 cm，分別與坡頂相距5 cm。

圖5 測(cè)試原件

圖6 加速度傳感器布置(單位：cm)

(2)土壓力傳感器

土壓力傳感器為CYY9型土壤巖石壓力傳感器，如圖5所示，埋設(shè)過程中，將傳感器水平埋入到土體中，輕壓周圍土體固定傳感器。土壓力傳感器的具體布置見圖7。

試驗(yàn)布置15個(gè)土壓力傳感器：T1～T5和T6～T9分別每隔21 cm埋設(shè)一個(gè)傳感器，離襯砌的垂直距離為2 cm；T11～T14水平布置，分別與T6～T9對(duì)應(yīng)相距20 cm，分別與坡頂相距5 cm。T10、T15和T16等距分布，且與3排傳感器分別在同一直線上。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

加速度和土壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用東華DH5929型處理分析儀，如圖8所示。

圖8 DH5929型數(shù)據(jù)采集儀

(4)模型填筑

將取土配成含水率為16.5%的試驗(yàn)填土，均勻翻拌，兩組試驗(yàn)分別在模型填土完成并靜置24 h后進(jìn)行，模型靜置時(shí)用塑料布覆蓋好。按照傳感器豎向分布距離，分層進(jìn)行填筑，每層填筑厚度15～25 cm，填筑時(shí)采用人工分層夯實(shí)，控制每層土體的夯實(shí)密度為1.70 g/cm3，即控制壓實(shí)度為95%，填筑完成后的最終含水率為15.5%，模型如圖9所示。

圖9 模型的填筑和成型

1.5 加載地震波設(shè)計(jì)

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用輸入加速度時(shí)程曲線的方式來實(shí)現(xiàn)模擬地震波，為了研究在動(dòng)力作用時(shí)不同進(jìn)洞高程下邊坡失穩(wěn)特性及隧道洞口段動(dòng)力響應(yīng)特征，本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)分別采用正弦波(3～50 Hz)、汶川臥龍波、EL-Centro波3種加載波形，采用水平方向(X)和豎直方向(Z)為加載方向，試驗(yàn)設(shè)置13個(gè)加載工況，為了研究不同地震荷載加速度幅值和加載方向條件下，襯砌結(jié)構(gòu)和坡體的動(dòng)力響應(yīng)情況，按照7度、8度、9度、9度強(qiáng)烈度遞增的順序分水平方向(X方向)和垂直方向(Z方向)對(duì)模型進(jìn)行加載，具體加載工況見表3。

表3 試驗(yàn)加載工況

2 動(dòng)力響應(yīng)分析

2.1 模型結(jié)構(gòu)變形破壞過程

試驗(yàn)選擇隧道在一側(cè)0.5H高程處進(jìn)入邊坡，另一側(cè)邊坡無隧道。圖10～圖12分別為邊坡坡體裂縫、隧道洞口裂縫分布以及模型整體失穩(wěn)破壞示意。

圖10 邊坡坡體裂縫

當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度達(dá)到0.40g時(shí)，坡頂出現(xiàn)橫向裂縫，達(dá)到0.80g時(shí)坡頂橫向裂縫寬度快速變大，裂縫到坡頂邊緣的距離約為18 cm；當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度達(dá)到1.20g時(shí)，坡腳以及坡中到坡頂之間出現(xiàn)多條斜向裂縫，并逐漸擴(kuò)展、變大；右拱腳處出現(xiàn)明顯滑塌，拱頂和拱腳處裂縫較多，坡面和坡腳處出現(xiàn)多條橫向裂縫；當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度達(dá)到1.40g時(shí)，模型發(fā)生整

圖11 隧道洞口裂縫分布

圖12 模型整體失穩(wěn)破壞

體失穩(wěn)破壞，沿坡頂、坡面和坡腳處的橫向裂縫發(fā)生滑塌和震陷，洞口被掩埋的現(xiàn)象，洞門處有大塊土體，并且當(dāng)峰值加速度增大時(shí)，拱頂和拱肩處有少量塊體水平拋射滑落，最終小塊碎土和大塊土體堆積于坡腳。兩側(cè)邊坡出現(xiàn)貫通裂縫，坡頂出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和震陷現(xiàn)象。上述現(xiàn)象與吳冬[15]、董金玉[16]等的試驗(yàn)結(jié)果所反映的破壞特征基本一致。

2.2 隧道存在對(duì)黃土邊坡動(dòng)力響應(yīng)影響

水平入射的地震波對(duì)洞口仰坡穩(wěn)定性的影響是主要的，垂直入射的地震波的影響則弱于前者。利用加速度放大系數(shù)(PGA)來表征黃土邊坡動(dòng)力響應(yīng)特征，PGA表示在同一工況下，兩側(cè)邊坡上各測(cè)點(diǎn)的加速度最大值與臺(tái)面所測(cè)加速度最大值的比值，GK則表示加載工況。參照?qǐng)D6的傳感器布置得到圖13的不同工況下坡頂水平方向加速度放大系數(shù)的變化曲線。由圖13可知，靠近坡頂邊緣處的加速度放大效應(yīng)比較明顯，這與試驗(yàn)中坡頂邊緣最先開裂破壞的觀測(cè)結(jié)果一致，坡頂中部(50 cm)處的加速度放大系數(shù)也偏大，但坡頂邊緣與坡頂中部之間的加速度放大效應(yīng)較小，隨著輸入加速度峰值的增大，放大效應(yīng)逐漸增大。對(duì)比圖13(a)、圖13(b)可知，水平入射的地震波對(duì)洞口仰坡穩(wěn)定性的影響是主要的，垂直入射的地震波的影響則弱于水平入射的地震波。

圖13 不同工況下坡頂水平方向加速度放大系數(shù)的變化曲線

隧道的存在會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，圖14通過對(duì)不同工況下有隧道和純邊坡上的坡面加速度放大系數(shù)PGA進(jìn)行對(duì)比分析，得到有隧道邊坡的PGA普遍大于純邊坡的，說明隧道的存在對(duì)邊坡坡面加速度有放大效應(yīng)，坡頂邊緣處的動(dòng)力放大效應(yīng)更加明顯，隨著坡面高度的增加PGA也在增大，并且增加趨勢(shì)呈線性增長(zhǎng)，在進(jìn)行GK8加載時(shí)坡頂?shù)姆糯笙禂?shù)達(dá)到最大值。

圖14 存在隧道和純邊坡對(duì)坡面加速度放大系數(shù)

2.3 隧道洞口段的加速度響應(yīng)特征

蔣樹屏等[17]研究表明，從襯砌關(guān)鍵位置(拱頂、拱肩、拱腳、仰拱)的動(dòng)力響應(yīng)峰值分布來看，拱頂和仰拱位置處的動(dòng)力響應(yīng)比其他位置更為強(qiáng)烈。根據(jù)圖6提取試驗(yàn)的4種工況下沿隧道軸向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)仰拱和拱頂加速度峰值的最大值及所在位置見表4。由表4可知，仰拱最大加速度多出現(xiàn)在A3附近，拱頂最大加速度多出現(xiàn)在A7周圍。參照?qǐng)D6可知，A3-A7斷面到洞口的距離為73 cm，是隧道最大跨徑18 cm的4.06倍。整體來看，仰拱最大加速度普遍略大于拱頂最大加速度。

分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大加速度多出現(xiàn)在距洞口3.89～4.06倍隧道跨徑處，加速度沿隧道軸向一般存在著先快速增大再減小的規(guī)律。考慮到洞口結(jié)構(gòu)的特殊性，建議洞口抗震設(shè)防長(zhǎng)度為5倍隧道跨徑處較為合適。

表4 不同工況下的加速度傳感器數(shù)據(jù)

2.4 隧道襯砌土壓力特征分析

本節(jié)主要討論黃土隧道洞口段的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特征，如表5所示，根據(jù)圖7提取試驗(yàn)4種工況下沿隧道軸向各監(jiān)測(cè)點(diǎn)仰拱和拱頂土壓力峰值的最大值及所在位置，由表5可知，隨著地震動(dòng)峰值加速度的增大，仰拱和拱頂?shù)淖畲笸翂毫χ滴恢弥饾u向隧道洞內(nèi)延伸，即相應(yīng)的抗震設(shè)防長(zhǎng)度增大，T4-T8斷面到洞口的距離為75 cm，是隧道最大跨徑的4.17倍，這與大部分文獻(xiàn)所考慮的抗震設(shè)防長(zhǎng)度基本一致，考慮到黃土的特殊工程性質(zhì)以及洞口段抗震的重要性，可以考慮抗震設(shè)防長(zhǎng)度為隧道最大跨徑的5倍，仰拱土壓力值普遍大于拱頂處土壓力。

表5 不同工況下的土壓力傳感器數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)過程中模型出現(xiàn)了坡頂邊緣的橫向裂縫、坡面中上部和坡腳處的橫向裂縫、坡頂中部的縱向裂縫、拱頂和拱腳處的斜向裂縫、坡頂中部的錯(cuò)臺(tái)和震陷。隨著地震動(dòng)峰值加速度的增大邊坡鼓出現(xiàn)象越來越明顯。整體看，存在隧道一側(cè)滑塌破壞程度大于純邊坡一側(cè)。

(2)隧道的存在對(duì)于坡面的動(dòng)力穩(wěn)定性有著重要影響，相同仰坡坡度的黃土邊坡，存在隧道的模型坡面加速度大于不存在隧道的純邊坡模型的坡面加速度。坡頂邊緣處的動(dòng)力放大效應(yīng)比較明顯，當(dāng)臺(tái)面峰值加速度增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)放大效應(yīng)趨于“飽和”的現(xiàn)象。

(3)隨著地震動(dòng)峰值加速度的增大，仰拱和拱頂?shù)淖畲笸翂毫χ滴恢弥饾u向隧道洞內(nèi)延伸。洞口段襯砌加速度和土壓力沿隧道軸向一般先增大再減小，根據(jù)分析建議洞口段的抗震設(shè)防長(zhǎng)度為5倍最大洞徑。

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