山岭偏压隧道洞口段大型振动台模型试验方案设计

山岭偏压隧道洞口段大型振动台模型试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 山岭偏压隧道洞口段大型振动台模型试验 方案设计 2009年第8期 铁道建筑 RailwayEngineering6l 文章编号:1003—1995(2009)08.0061.05 山岭偏压隧道洞口段大型振动台模型试验方案设计 李育枢,李天斌,王栋,徐华 (成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都610059) 摘要:以国道318线黄草坪2隧道进洞12段为原型开展大型振动台物理模型试验方案设计.首先对模 型箱体设计以及模拟相似材料的物理力学特性和制作方法进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和介绍.在此基础上结合既有研究 成果和精简原则,对量测仪器进行了合理布置,最后介绍模型的浇筑过程和地震输入及加载制度.试验 结果表明,该模型试验方案设计是合理的. 关键词:隧道洞口段大型振动台模型试验地震反应 中图分类号:U453.1文献标识码:B 1情况介绍 近年来隧道及地下结构的震害现象频繁出现., "5.12"汶川特大地震中,震区已建和在建隧道也出现 了不同程度的损害.随着西部大开发的实施,在高烈 度地震区或活动断裂带附近隧道工程的地震安全问题 将会经常出现.近年来该问题已逐步引起重视,有关 山岭隧道的抗震研究已有了不少成果,但现有计算 理论和方法仍有待于实测数据的进一步验证和完善. 目前,山岭隧道地震反应的实测数据非常匮乏,有关振 动台模型试验也不多见,且考虑的试验条件也相对简 单. 本文以国道318线海子山一竹笆笼段改建工程中 的黄草坪2隧道进洞口段为原型,对复杂地质条件下 山岭偏压隧道洞口段的地震动力反应开展大型振动台 模型试验的方案论证和设计,最终试验取得了圆满成 功. 2原型工程背景 黄草坪2隧道为国道318线海子山一竹笆笼段 改建工程中的一项重要工程,全长917In.隧址区高 山林立,地表岩体破碎.隧道进洞口偏压严重,洞口边 坡表层覆盖有较厚的第四系松散堆积层,深部为结晶 收稿日期:2009-01.05;修回日期:2009.05.20 基金项目:西部交通科技项目(编号:200431800029). 作者简介:李育枢(1976一),男,湖南娄底人,讲师,博士. 灰岩,洞口段围岩以?类,?类为主.距离隧道300余 m处有一全新世活动大断裂(巴塘断裂)与隧道轴线近 于平行通过,场地地震设防烈度达到?度,隧道地震安 全问题非常突出.抗震设计过程采用了全洞身钢筋混 凝土柔性衬砌,洞口部分衬砌每隔10m设置纵向减震 层,层问钢筋彻底断开;洞门建筑采用C20混凝土现 浇,与拱圈之间用插筋连成整体;洞口护坡浆砌块石和 砂浆强度等级均提高一级. 3试验设计 3.1试验装置 试验在重庆交通科研设计院的大型高性能三轴向 地震模拟试验台阵上进行,该设备拥有国际上最先进 的数控系统,数据采集系统和测试分析系统,总体技术 性能指标处于国际领先水平(图1,图2).整个试验平 台由一个固定台阵和一个移动台阵组成,两台面尺寸 均为3m×6m,最大试件质量35t,最大倾覆力矩700 kN?m;最大回转力矩350kN?1'I1,工作频率范围0.1,70 I-Iz,最大位移?150/1'1//1(),?150//1//1(y),?100ln/n (z);最大加速度:?1.0g(),?1.0g(Y),?1.0g (z),可三向六自由度同时加载. 图1台阵系统图2数字控制室 62铁道建筑August,2009 3.2模型相似设计 在岩土一结构动力相互作用的振动台模型试验过 程中,要使模型的设计参数与原型参数完全满足相似 关系是十分困难的u,必须根据具体试验特点确定模 型与原型的相似重点.本次模型试验的相似设计主要 考虑以下因素: 1)试验中要模拟地震条件下洞口边坡的稳定问 题,因此不能忽略地球引力的影响.由于原型和模型 处于同一重力场,因此确定重力加速度相似比C=1. 2)模型试验若要做到严格意义上的几何相似即应 变相似比=1,根据相似理论,三个基本量即长 度,密度以及弹模的相似比必须满足特定的比例关系, 实际材料配比时困难很大;通常情况下,应变相似比偏 离1不多时也能满足工程要求.因此,试验中没有要 求严格的几何相似. 3)试验主要模拟的是围岩与衬砌问的动力相互作 用,除了应满足静力条件下的相似关系之外,还应保证 动力条件下围岩模型材料抗力的相似性. 4)必须考虑振动台台面尺寸,性能及试验能力的 制约. 参照以上因素,根据相似理论?确定模型相似关 系,如表1所示. 表1模型试验相似关系 物理量符号及关系式相似比物理量符号及关系式相似比 长度C1/4o蓝力C,:CEcE0.0333 质量密度1,O.75应变cE=Cjcyc;0.667 弹性模量cE1/2o位移C=clO.0167 时间ct=cl0.158加速度C=cc1 力C,:c72.083×10.频率=c6.324 3.3模型箱设计 1)模型尺寸 根据数值模拟研究结果b],当横向计算范围大于 8倍洞径后通常可以取得稳定的计算结果.结合试验 台阵尺寸和承载能力,本次试验模拟范围横向取隧道 中轴线两侧各40m,共80m(原型隧道等效直径10.4 m);纵向取K313+095一K313+205段,共110m;垂向 最大取98m.根据已确定的模拟范围,按表1几何相 似比缩放后,洞口段模型最大高度2450mill,横向宽 2450nlln,纵向长2750mln. 2)模型箱体设计 对于地下结构动力模型试验或数值模拟计算,需 要考虑波动能量在模型边界(或模型箱体边界)上的反 射问题Il引.试验中采取了两种 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 来消除反射效应 对所关心区域测试结果的影响,一是将模拟边界取得 尽可能远离隧道,二是在模型箱内侧四周设吸能边界. 同时,由于模型较大,整体质量近20余吨,除了便于模 型浇筑,方便吊装之外,振动过程中箱体结构必须安全 可靠. 根据以上要求并结合试验台阵设备实际情况,模 型箱体具体设计如下: 主体框架由40rtqtrn×40mm×4mm等边角钢焊接 而成,四面用厚2ITl/n钢板作围护,并在四周内衬厚度 约22.5em的聚苯乙烯泡沫层.考虑到模型浇筑方 便,将框架模型箱分为5层,层间用M16高强螺栓铆 固,且隧道轴向两侧用斜支角钢支撑,以提高整体自稳 能力.底座外围采用截面120mmx50inln与100mnl X50mrtl实心方钢框架,焊接成格状,并预留螺栓孔, 以便与振动台连接.沿隧道轴向在模型箱两端预留 300I/lnl方形观测孔(图3). 3001TUTI× 图3模型箱实物图 3.4相似材料设计 相似材料除了应具有满足相似关系的物理力学性 质之外,还应加工方便,价格合理.经多次比选,配比 试验和动力性能测试,各相似材料设计如下: ?类围岩相似材料的质量组分配比为:重晶石:氧 化锌:石英砂:石膏:甘油:水=63,70:6,10:14—20: 3,6:2.3:15,16;111类围岩相似材料的配比为:重晶 石:石英砂:石膏:乳胶:甘油:水=70,75:610:13, 14:5,7:0.8—1.0:14,15. 图4给出了隧址区各类岩土体的动剪模量一动剪 应变曲线与?类,?类围岩相似材料实测值的关系,由 图可见,在较小应变(<2×10I4)范围内,?类围岩相 似材料动力性能接近隧址区的强风化结晶灰岩,?类 围岩相似材料动力性能整体介于块碎石与砂砾土之 间.可见,围岩相似材料能很好地模拟原型围岩的动 力特性. 对二次衬砌结构安全起控制作用的主要是抗弯能 力,模型相似设计应以抗弯刚度为主.据文献[14]衬 砌厚度相似比取C=Cc",采用石膏:水=1:0.7, 并内置钢丝网进行模拟.系统锚杆,工字钢和格栅钢 架按相似比换算成相应直径和长度的铁丝来模拟.洞 口边坡喷锚支护采用水膏比为1:1的石膏浆液,声0.15 2009年第8期山岭偏压隧道洞口段大型振动台模型试验方案设计63 葛 图4场地岩土与围岩相似材料的 动剪模量一动剪应变曲线 n珊钢筋网以及相应长度的细铁丝进行模拟. 为研究隧道的减震问题,试验中专门模拟了各类 减震措施,具体方案如下:?在第6段衬砌(图5)环向 设置横向减震层,采用厚5mln聚苯乙烯材料紧贴衬 砌外围,形成衬砌一聚苯乙烯泡沫层一围岩减震系统; ?原型中各10m段衬砌间的纵向减震层采用玻璃胶 粘结材料进行模拟;?第8段衬砌(图5)周边围岩不 设置系统锚杆,而第7段周边围岩按常规设置系统锚 杆,以比较加固围岩的减震效果. 3.5测试方案 拟采集的数据包括:地震激振过程中围岩内部及 衬砌结构的加速度,结构动态应变,围岩与结构间的动 态接触压力,洞口建筑与洞口坡体动态位移变形.采 用的测试仪器如下:微型土压力传感器型号:DYB.1, 量程0.3MPa,灵敏度23.279MPa/V,尺寸声15null×5 mrtl;三向加速度传感器型号DH301,量程?20m/s,灵 敏度0.659V/g,尺寸15mlnx15nllTl×5mm;应变片型 号SZ120—10AA,电阻值118.5?0.2%,灵敏度系数 2.097?0.57%,尺寸10innl×3mln.Leuze公司激光位 移传感器,量程范围400mln,灵敏度42.088mm/V,尺 寸50mill×40mill×10mill. 传感器的布置应该满足以下原则:?仪器布置方 案要充分结合该隧道动力响应已有理论研究和数值计 算结果,预期的试验结果应该能和已有研究结果进行 相互印证;?在满足基本信息采集要求的前提下,应尽 量精简仪器数量,以免仪器布设造成人为结构面,破坏 模型完整性并影响测试结果.具体方案,见图5(a). 1)为研究距洞口不同深度处衬砌结构的横向动力 反应规律和偏压效应,设置了A—A,B.B,C.C三个横 断面,各断面的左边墙,右边墙,拱顶,仰供部位分别布 置加速度计(代号A),土压力计(代号P)和应变片(代 号G). 2)为研究衬砌结构的纵向反应规律和洞口放大效 应,沿右边墙布置有加速度纵断面A1,A4,A6,A9, A11,A12,A13,A14,A15,应变纵断面G2,G8,G17,G29, G35,G38;沿左边墙布置有应变纵断面G45,G6,G15, G28,G33,G37. 3)为研究地震条件下围岩与衬砌间的相互作用, 在B.B横断面上衬砌周边设置有加速度计A16,A17, A18,A19,见图5(b). 4)为研究地震条件下洞门建筑的反应规律,在洞 门左边墙,右边墙,拱顶,中轴顶拐角和右边角处分别 设置应变片,在洞门顶设置加速度计. 5)为研究第6段衬砌所设横向减震在地震条件下 右边墒 (a】 图5试验仪器布置方案(单位:mil1) B_B'音I面 (b) 铁道建筑August,2009 的减震效果,在第7段衬砌(未设横向减震层)对应位 置设置有同类型的应变,加速度,土压力传感器以供对 比. 6)为研究第7段加固围岩(设置有系统锚杆)的减 震效果,在第8段衬砌(围岩未设系统锚杆)对应位置 设置有同类型的应变,加速度,土压力传感器以供对 比. 7)为研究各段衬砌间设置的纵向减震层(变形缝) 的减震效果,在第4,5段衬砌之间仰拱部位设置跨缝 应变片群,即G20,G21,G22,G23,G24,G25,以测取地 震条件下距减震层不同距离处的动态应变响应. 3.6量测仪器安装与模型浇筑 量测仪器能否正常工作是试验成功的关键.由于 二衬结构采用石膏材料进行模拟,且围岩相似材料局 部现浇时含有一定水分,加速度计,应变片,土压力计 安装前均应在选定洞壁位置先打磨平整,再采用万能 胶水进行黏贴,确保仪器与衬砌结构贴合紧密;同时在 仪器表面,导线与仪器接口处均涂抹防水密封胶,并在 导线上套热缩管进行保护.图6,图7分别给出了加 速度计和应变片安装后的图片. 图6加速度计安装 图7应变片安装 模型浇筑工艺和浇筑质量对试验结果影响很大, 也是试验的关键步骤之一.由于模型体积庞大,为保 证模型质量,缩短养护时间,整体采用分层,分段浇筑 的方式.其中,隧道轴线上下左右各30cm范围内采 用现浇,以方便锚杆,拱架,横向减震层,纵向减震层等 的安设,并保证隧道结构与围岩贴合紧密;其余区域采 用围岩预制块进行砌筑.预制块间砌缝粘结采用同样 配比的围岩相似拌合料,并按原型岩层产状进行砌筑. 砌筑过程中严格遵守每次的砌筑高度和养护时间要 求.图8和图9分别给出了模型浇筑过程中和浇筑完 成后的场景. 图8浇筑过程中的试验模型 图9已完成浇筑的试验模型 3.7地震输入及加载制度 地震输入采用相似换算后的场地人工模拟地震波 和Kobe波.为获取尽量多的实测数据,考虑从向 (平行隧道轴线),Y向(水平垂直隧道轴线),Z向(竖 向垂直隧道轴线),XY45.向,YZ45.向,XZ45.向以及 XYZ向,按50年63%,10%,5%和1%超越概率从弱 至强分多个工况进行试验. 据近年来国内外数1O次地震时的近断层加速度 记录分析,地震时竖向加速度峰值普遍约为水平向的 1/2,2/3.因此,本次试验过程中,考虑竖向地震作用 时(如z向,YZ45.向,XZ45.向),地震波峰值按2/3 折减进行叠加. 图10,图11分别给出了其中63%和10%超越概 率的场地人工模拟地震波. 2009年第8期山岭偏压隧道洞口段大型振动台模型试验方案设计65 4结语 . 一.IIIJI?l…J6JlIJ"1...1.-儿 . 胛.『1f''4?.4?5 O-3 02 0.1 魁0 餐州- 4).2 - 03 图10超越概率63%的人工模拟地震波加速度时程 . lIlIj.mJIlI'山jllILI^jlI_I-.n蚍 . 一『J1…4…5 时间Ss 图11超越概率10%的人工模拟地震波加速度时程 本文对复杂地质条件下山岭偏压隧道洞口段大型 振动台物理模型试验的设计方案进行了系统分析和研 究,为试验做好了充足准备.最终试验结果取得了圆 满成功,这表明,拟定的大型振动台模型试验设计方案 是合理的.有关试验结果的整理和分析见另文. 致谢:试验过程中得到了重庆交通科研设计院结构动力工 程所唐光武研究员,张又进高级工程师等人的指导和大力支 持,在此表示衷心感谢. 参考文献 [I]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,1996(5):7-16. 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