一、土体的结构性及其所存在的危害
土体的结构性是指土体颗粒和孔隙的性状、颗粒和孔隙的排列形式以及颗粒间的相互作用,因此土的结构性包括了土颗粒和孔隙的几何特征和胶结联结特征。
在西部地区的结构性黄土边坡大多具有直立或陡峭的边坡形态,有的高达几十米甚至更多,黄土的结构性成为这些黄土边坡可以直立并且保持长期稳定的原因之一。
沈珠江院士认为从结构性模型的观点出发,不应当再把土体看作是具有固定变形模量和强度指标的材料,原状土在刚开始受力时有一定的模量,其结构完全破坏后有一定的强度,而受力的中间过程则是从原状土到扰动土的逐渐转化过程。
因此,土体结构性的存在不仅使得土体在缺乏预兆的情况下可能会产生突然的破坏,而且土体的结构性也使得土体破坏后在短时期内无法恢复,从而加大了土体的变形,对隧道工程的建设造成不利的影响。
影响原状土结构性的因素
原状土结构性弱化造成的危害
二、计算模型与参数
A、计算模型
黄土地层深埋隧道的圆形洞径为8m,混凝土衬砌厚度为60cm,隧道埋深20m。在本数值分析中采用二维计算模型,以隧洞中心为坐标原点,建立的数值分析模型如图所示。
采用四边形四结点单元,划分单元时仍以隧道轴线为坐标原点,相应的有限元网格图如图所示,单元数为1403,结点数为1470,边界条件左右两侧为水平约束,下部为固定约束,上部为自由边界。
有限元网格划分
B、参数选取
计算中土体采用莫尔-库仑弹塑性材料模型,混凝土衬砌采用弹性模型,按照平面应变问题来处理,计算中所采用参数见表。有限元计算模型参数。
C、计算工况
为了分析黄土结构性强度在不同区域弱化条件下的地下结构的内力变化规律,考虑了4种黄土土体强度分区变化的计算工况进行模拟分析。4种工况分别模拟了不同区域的土体结构性强度在不同位置弱化后的分布情况。
工况一
工况1是模拟结构性土原状情况的工况
工况二
工况2模拟了当右部土体强度弱化的情况
工况三
工况3是模拟了当左下部分和右上部分土体结构性强度弱化的情况
工况四
工况4是模拟了上部土体强度弱化的情况
三、黄土隧道的数值分析
基于强度折减有限元法可以在一定程度上模拟破坏的优点,基于分区折减强度的计算思路,通过弹塑性应力场分布由计算得出的4种计算工况在拱顶、拱底和左右边墙的截面弯矩结果如表所示;
四种工况下衬砌横截面的弯矩
工况1为原状土结构性强度条件下的计算分析,计算结果表明:隧道拱底部弯矩大于拱顶弯矩,由于土体强度左右分布的对称性,引起左右边墙弯矩值也具有左右对称性,表现在隧道的左右边墙的弯矩值大小基本相等。
在工况2中,由计算结果可以看出,由于右部土体结构性强度弱化引起该部土体的自承能力降低,隧道整体抵抗外力的弯矩值变大,并且由于右部分土体强度降低幅度最大,隧道左边墙的弯矩值略有增大,隧道拱顶、拱底部弯矩增加较小,隧道右边墙的弯矩值变化幅度最大。由于土体强度左右分布的不对称性,引起边墙弯矩值变化也不具有左右对称性。
在工况3中,由计算结果可以得出,由于土的结构性强度在左下部分和右上部分发生弱化时诱发该部土体的自承能力降低,隧道整体内力变大,而且隧道拱顶、拱底部及左右边墙处等四个部位的弯矩值变化幅度都较大。由于土体发生不对称性强度弱化,引起弯矩值变化亦不具有左右的对称性。
在工况4中,由于上部土体结构性强度发生弱化,上部土体的自身承载能力降低,隧道整体的弯矩值变大,但增幅小于在工况3中相应部位的弯矩值。由于土体结构性强度弱化的对称性,引起弯矩值变化亦具有左右对称性。
四、结论
(来源:西安理工大学)
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