地震作用下无衬砌直墙式黄土隧洞的围岩稳定性分析
第六章1围岩稳定分析
第六章围岩稳定分析掌握岩体结构、强度、变形、应力分布及围岩应力，其目的是分析：围岩稳定、有压隧洞稳定、岩基稳定、边坡稳定。
从而为工程建设提供措施和依据。
本章介绍围岩的稳定分析。
应力重分布、围岩及围岩应力这几个基本概念，是研究围岩稳定性和洞室安全性的基础。
开挖洞室后，岩体的原始平衡状态被坏破：发生应力重分布，围岩不断变形，并向洞室逐渐位移。
强度较低的岩石，当应力达到强度极限值时破坏，产生裂缝，或剪切位移，破坏了的岩石在重力作用下甚至大量塌落，造成所谓“冒顶”现象，特别是节理、裂隙发育的岩石更为显著。
为保证稳定和安全，必须进行支护和衬砌，来约束围岩的破坏和变形的继续发展。
洞室的稳定性评价的目的，确定是否要支护或衬砌，以及支护和衬砌要承受多大的压力等。
一、山岩压力1．山岩压力的概念由于支护与衬砌的目的是防止岩石塌落和变形，所以支护与衬砌上必然要受到岩石的压力。
定义：由于洞室围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力，称为山岩压力（或围岩压力、地层压力等）。
山岩压力的确定是洞室支护与衬砌设计的基础，如果支护或衬砌设计强度偏小则会造成工程事故，如偏大则造成经济浪费。
因此，山岩压力是围岩稳定分析中的一个重要问题。
2．山岩压力的形成山岩压力是由于洞室开挖后岩体变形和破坏而形成的。
则可分为两种类型：变形压力：是由岩体变形而对支护或衬砌产生的压力，松动压力：是由岩体破坏而松动对支护或衬砌造成的压力。
形成过程：弹性变形→塑性变形→形成松动圈。
岩石的性质和质量不同，其岩体的变形和破坏性质也就不同，产生山岩压力的主导因素和表现形式就不同。
（1）完整坚硬岩石当围岩应力不超过岩体强度时，岩体只有弹性变形，无塑性变形。
弹性变形在开挖过程中就已产生，开挖结束后，弹性变形随即完成。
因此无山岩压力。
（2）中等质量的岩体洞室围岩的变形较大，既有弹性变形，也有塑性变形，少量岩石破碎。
由于洞室围岩的应力重分布需要一定的时间，所以在支护或衬砌后围岩的变形受到约束，产生山岩压力。
隧道施工中的岩层掌子面稳定性分析
隧道施工中的岩层掌子面稳定性分析随着城市建设和交通网络的发展，隧道的建设已经成为一种常见现象。
在隧道施工的过程中，岩层掌子面的稳定性是一个重要的问题。
本文将对隧道施工中岩层掌子面的稳定性进行分析，以帮助工程师和施工人员更好地排除隧道施工中的安全隐患。
1. 引言隧道施工中的岩层掌子面稳定性是指在施工过程中，岩层或土壤的断裂、滑动、坍塌等不稳定现象。
在进行隧道施工前，必须进行岩土力学测试和分析，以评估岩层掌子面的稳定性，确保施工过程中的安全。
2. 岩土力学测试和分析在进行隧道施工前，岩土力学测试是必不可少的。
通过采集岩层样本并进行实验，可以得到岩层的物理力学性质，如抗压强度、抗剪强度等。
此外，还可以进行地质勘察，了解岩层的结构、岩性、断裂裂隙等情况。
通过这些数据，可以进行岩土力学分析，评估岩层的稳定性。
3. 岩层掌子面的稳定性分析岩层掌子面的稳定性是指岩层在施工过程中是否有倾倒、滑动或坍塌等情况。
在分析岩层掌子面的稳定性时，需要考虑到以下因素：3.1 岩层的物理力学性质：岩层的抗压强度和抗剪强度是评估岩层稳定性的重要指标。
当岩层的抗剪强度较低时，容易发生滑动和倾倒现象；当岩层的抗压强度较低时，容易发生坍塌现象。
3.2 岩层的结构和岩层面的倾角：岩层的结构和岩层面的倾角也是影响岩层掌子面稳定性的因素。
结构复杂、岩层面倾斜较大的岩层更容易发生滑动和倾倒现象。
3.3 岩层周围的地应力：地应力是指施工场地附近的地下压力。
当地应力较大时，岩层掌子面的稳定性较差，容易出现滑动和倾倒现象。
4. 隧道施工中的岩层掌子面稳定性分析方法为了预防隧道施工过程中的岩层掌子面稳定性问题，可以采用以下方法进行分析和控制：4.1 前期地质勘察和岩土力学测试：在进行隧道施工前，必须进行详细的地质勘察和岩土力学测试，以了解岩层的结构、性质和稳定性。
这将为后续的施工过程提供重要的参考依据。
4.2 施工支护结构的设计和改进：根据岩层的稳定性分析结果，设计合适的施工支护结构，如锚杆、喷射混凝土和钢筋网等。
地震作用下隧道稳定性分析
地震作用下隧道稳定性分析地震是一种破坏力极大的自然灾害，对各类基础设施，包括隧道，都可能造成严重的影响。
隧道作为交通运输的重要通道，其稳定性在地震作用下至关重要。
本文将对地震作用下隧道的稳定性进行详细分析。
一、地震对隧道的影响机制地震波的传播是地震影响隧道的主要方式。
地震波包括纵波、横波和面波。
纵波使介质产生压缩和拉伸，横波导致介质发生剪切变形，面波则对地表的破坏较大。
在隧道中，地震波的作用会引起隧道衬砌结构的内力变化。
由于隧道与周围岩土体的相互作用，地震波在传播过程中会发生折射、反射和散射，使得隧道所受的地震力变得复杂。
同时，地震还可能导致岩土体的性质发生改变。
例如，岩土体的强度降低、孔隙水压力增加，从而影响隧道的稳定性。
二、隧道稳定性的影响因素1、隧道的几何形状和尺寸隧道的形状（如圆形、矩形）、跨度和高度等都会影响其在地震中的受力情况。
一般来说，跨度越大，隧道越容易在地震中受到破坏。
2、岩土体的性质岩土体的类型（如岩石、砂土、黏土等）、强度、刚度和渗透性等特性对隧道的稳定性有重要影响。
坚硬的岩石通常能提供更好的支撑，而软弱的岩土体在地震作用下容易变形。
3、隧道的埋深埋深较浅的隧道更容易受到地震的影响，因为地表的地震动相对较大。
而深埋隧道受到周围岩土体的约束作用较强，相对较稳定。
4、衬砌结构的性能衬砌的材料、厚度和强度直接关系到隧道抵抗地震的能力。
高强度、厚衬砌的隧道在一定程度上能更好地抵御地震力。
三、隧道稳定性分析方法1、理论分析方法通过力学原理和数学模型来计算隧道在地震作用下的响应。
常见的有拟静力法、反应位移法等。
拟静力法将地震力简化为一个静力荷载作用在结构上，计算简便，但过于简化，不能准确反映地震的动态特性。
反应位移法考虑了地层位移对隧道结构的作用，相对更接近实际情况。
2、数值模拟方法利用有限元、有限差分等数值方法，建立隧道和周围岩土体的模型，模拟地震作用下的响应。
这种方法可以较为详细地考虑隧道和岩土体的复杂特性，但模型的准确性和参数的选取对结果有较大影响。
不同节理位置及倾角对隧道围岩稳定性的影响分析
不同节理位置及倾角对隧道围岩稳定性的影响分析作者：***来源：《西部交通科技》2020年第06期摘要：文章以黄土含节理地区隧道开挖为例，采用有限元软件Midas建立模型，并考虑不同节理位置和节理倾角两种工况，对隧道围岩变形以及应力变化规律进行了分析。
结果表明：（1）考虑不同节理位置时，对于水平位移，节理的存在会略减小靠近节理一侧拱腰的最大水平位移;对于竖向位移，节理的存在使得最大竖向位移向节理处靠近。
节理在拱腰、拱肩和拱顶时，其最大竖向位移比无节理时分别大8.8%、10.3%和0.3%，节理在拱肩处应力比拱腰和拱顶时围岩应力分别大3.2%和4.0%。
（2）节理倾角为30°、45°、60°和90°时的最大竖向位移值比无节理时分别大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%，随着节理倾角的增大，最大竖向位移值逐渐减小;节理倾角为45°、60°和90°时的最大应力比节理倾角为30°时分别小0.4%、1.1%和2.0%，随着节理倾角的增大，最大围岩应力逐渐减小，但整体变化趋势不大。
关键词：隧道工程;黄土;节理;位移;倾角;应力0 引言节理是影响岩土稳定性的重要因素之一，不同节理位置和节理倾角对于隧道工程都有较大的影响，尤其在我国西南地区，遍布的黄土中又常常伴有节理出现，因此，研究黄土中节理的存在对隧道稳定性的影响至关重要。
近年来，国内一些学者对此进行了相关研究：朱劲、张志强等人[1-2]以沙坝湾隧道靠近洞口偏压段为研究对象，采用数值模拟的方法研究了红层地区不同节理倾角下隧道围岩力学响应、变形特性;赵作富、王贵君等人[3-4]通过分析隧道不同走向条件下岩层节理倾角对顶平衡拱内层状围岩应力状态的影响，研究节理倾角对隧道拱顶围岩稳定性的影响，结果显示岩层倾斜、隧道走向与岩层走向相同时拱顶围岩的稳定性随节理倾角增大而减小，隧道走向与岩层走向垂直时拱顶围岩的稳定性随节理倾角增大而增大;马天辉、贾超等人[5-6]在二轴围压条件下，数值模拟了节理岩体中隧洞围岩损伤破坏过程，研究了节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理，分析了岩体中节理倾角对隧洞围岩稳定性的影响规律等。
浅析岩质边坡在地震条件下的稳定性影响因素
浅析岩质边坡在地震条件下的稳定性影响因素摘要在岩土工程之中，边坡的稳定性，一直是一个重要的课题。
其中，岩质边坡由于其内部结构复杂程度高，影响因素多，尤其在地震作用下影响其边坡稳定的因素更加复杂，因此一直都受到广大学者的关注和研究。
岩质边坡在地震作用下，影响其稳定的主要因素可分为内因和外因两大类，两大因素的共同作用，是导致边坡失稳的主要原因。
本文分别从内因和外因这两个方面进行介绍。
关键词地震荷载岩质边坡稳定性1、引言在当前，岩质边坡在地震条件下的稳定性分析仍然是岩土工程界与地震工程界的热点研究课题之一。
受我国是多山地区这一特殊地理环境的影响，我国存在着大量的自然边坡[1]，这些边坡的稳定问题严重威胁着国家和人民的财产和人身安全。
但因其复杂性也给人们的研究带来了困难，尽管如此，仍受到大量学者的重视，并取得了丰硕的成果。
本文从内因和外因两个方面总结归纳了岩质边坡在地震条件下的稳定性影响因素。
2、内因分析[1-7]2.1断层的影响断层按照地震时是否能放出能量分类，有发震断层和非发震断层两类。
对于边坡稳定性，断层的影响，主要体现在以下方面：一是对边坡的整体性及连续性产生了破坏;二是断层带内的岩石一般破碎严重，风化程度也较高，这就为地下水活动提供了较好的场所，降低了边坡岩体的强度及抗变形能力;三是断层可以对地震波进行反射拉伸，从而在反射波的影响下，岩体可能会受到破坏，引起边坡的失稳。
2.2 岩体结构的影响在地震条件下，结构不同的岩体，它们呈现的反应往往是不一样的。
比如强度较高、整体性较好的块状结构的岩体，它们的力学特性与均质弹性体较为相近，地震发生时通常不易产生稳定破坏。
但如果边坡岩体中存在影响边坡稳定的结构面时，在发生较大强度地震时，可能会导致范围较大的崩塌的发生;当岩体结构为镶嵌型时，在地震的作用下，可能会导致边坡局部产生落石和崩塌，但大规模的失稳一般不会发生;边坡坡度及岩体的内摩擦角，是影响层状岩体结构边坡稳定性的重要因素，当层状岩体中发育有影响其稳定性的节理时，在地震发生时，边坡可能发生沿层面的崩塌或滑动现象;对于碎裂结构的岩体，其抗剪强度一般较低，在地震发生时，可能会产生局部的落石和崩塌，但大规模的失稳一般不会发生;稳定性很差的散体结构的岩体，极容易在地震的作用下发生破坏，通常表现为在烈度较高的区域内会发生岩石滑落及规模较小的滑动，更有甚者可能会发生大规模的滑坡。
地下洞室围岩稳定性分析方法综述
问题，然而，由于岩石力学的研究对象是复杂的岩土体材料，一 般均具有非线性、非连续性、非均质及多相性等特点，尤其是天 然岩体，由于其赋存的特殊性，它被各种地质构造（如断层、节 理、层理等）切割成既连续又不连续的形态，从而一般均形成一 个从松散体到弱面体再到连续体的材料序列，而且，天然岩体所 涉及的力学问题是一个多场（应力场、温度场、渗流场）、多相 （气相、固相、液相）等影响下的复杂耦合问题，再加上工程开 挖和外部环境的影响，致使许多情况下，我们不能获得较为准确 的力学参数和本构模型。“力学参数和本构模型不准”已成为岩 石力学理论分析和数值模拟的“瓶颈”问题。
值或变形速率判据用于软弱围岩往往时效不佳，根据牛顿运动 定律，物体从运动转变为静止状态的必要条件是，加速度由负 值渐趋为零。因此，围岩稳定性判据应以加速度为主，辅以变 形值或变形速率，据此提出了变形速率比值判据。
然而采用不同的失稳判据得到的稳定安全度一般是不相同 的，如何建立一个具有理论基础的、可得到唯一解的失稳判据 是今后需要解决的问题。
2存在的问题21参数及本构岩石力学参数和本构模型是岩石力学研究中最核心的两个问题然而由于岩石力学的研究对象是复杂的岩土体材料一般均具有非线性非连续性非均质及多相性等特点尤其是天然岩体由于其赋存的特殊性它被各种地质构造如断层节理层理等切割成既连续又不连续的形态从而一般均形成一个从松散体到弱面体再到连续体的材料序列而且天然岩体所涉及的力学问题是一个多场应力场温度场渗流场多相气相固相液相等影响下的复杂耦合问题再加上工程开挖和外部环境的影响致使许多情况下我们不能获得较为准确的力
传统的岩石力学理论是以岩石的加载试验（包括室内及现 场原位试验）为基础，引入成熟的弹塑性理论等建立起来的而 地下洞室岩体开挖后的实际情况是以卸荷为主，且往往有较大 的拉应力区出现。显然传统的岩石力学理论统一采用加载试验 获取的岩体力学参数，应用适合于加载情况的力学分析软件进 行分析与计算，得到的变形及稳定分析结论与现场的实际情况 必然有巨大区别，甚至连趋势都无法反映[4]。
隧道围岩稳定性研究综述
隧道围岩稳定性研究综述随着科学技术的高速发展，人们对隧道围岩稳定性研究的方法呈现出各种各样。
文章通过资料的查阅，总结了隧道围岩稳定性研究的发展历史及现状，在前人研究的基础上分析了其以后的发展趋势。
标签：公路隧道；围岩稳定性；理论研究；数值模拟；模型试验1 概述近几年随着我国加大了对基础设施建设的力度，我国的隧道也随之不断发展，其规模越来越大，样式越来越多，据统计，截至2015年底，我国大陆运营公路隧道14006座，总长12684km，每年其数量都在以16%的速度增长，这其中包含了各种地质、环境等差的隧道。
为了解决隧道施工及运行的安全，因此，大量的从事隧道相关的科研人员对其稳定进行了大量的研究。
本文对他们的研究总结及其阐述，并在前人研究的基础上分析了未来隧道围岩稳定性研究的发展趋势。
2 围岩稳定性研究现状2.1 理论研究现状围岩压力理论从19世纪的古典压力理论，后來的散体压力理论，到现在的弹性力学理论及塑性力学理论，人们无不时时刻刻在对围岩压力理论进行研究。
在国外，芬纳（Fenner）-塔罗勃根据压力理论总结出了围岩的弹塑性应力图形，日本研究人员Kawamoto采用美国学者Krajcinova提出的损伤力学知识对节理岩体的力学性质进行研究。
在国内孙钧通过对围岩-支护系统受力机理的理论研究，其提出了西原模型在隧道围岩-支护系统中的有限元解朱合华[1]提出了广义虚拟支撑力法，其采用位移释放系数来反映掘进面对围岩的空间约束程。
大量理论研究表明隧道开挖后会使围岩原始应力发生改变，并在开挖面附近出现应力集中现象。
2.2 数值模拟现状进入21世纪以来，由于计算机技术得到迅猛发展，其计算能力得到不断提高，能够方便快速的解决问题，因此越来越多科研人员采用数值模拟来解决围岩稳定性问题。
现有的数值模拟大致分为4种，其包括有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法。
有限元法是发展的非常早的数值分析方法，发展到现在其十分成熟，并包含了几十种岩体的本构模型。
关于黄土隧道施工过程中需注意的问题分析
关于黄土隧道施工过程中需注意的问题分析黄土隧道是指位于黄土地带中的地下隧道工程，由于黄土的特殊性质和地质条件，黄土隧道的施工过程中存在着许多需要注意的问题。
下面就对黄土隧道施工过程中需注意的问题进行分析。
黄土隧道施工中需要注意的问题是黄土地层的力学性质。
黄土属于非饱和土，其力学性质复杂，隧道开挖中黄土的稳定性是首要考虑的问题。
黄土中含有较高的含水量，且黄土颗粒较大，易发生沉陷和塌陷。
在隧道开挖过程中，需要根据实际情况采用合适的支护和加固措施，保证施工安全。
黄土隧道施工中需注意的问题是隧道围岩的稳定性。
黄土属于软弱土，围岩的稳定性容易受到影响，隧道的开挖和支护对围岩的稳定性有着直接影响。
在进行隧道开挖时，需要对黄土地层进行详细的地质勘察和力学性质试验，以确定合理的开挖方案和支护措施，保证隧道围岩的稳定性。
黄土隧道施工中需注意的问题是地下水的排水和防渗。
黄土地层中的地下水含量较高，对隧道的施工和运营都会带来一定的影响。
在隧道开挖过程中，需要采取有效的地下水排水措施，避免地下水对施工造成干扰。
隧道的防渗措施也需要得到重视，避免地下水对隧道的运行安全产生影响。
黄土隧道施工中还需要注意的问题是施工工艺和设备选择。
黄土地质条件复杂，施工过程中需要根据实际情况选择合适的施工工艺和设备。
尤其是在黄土隧道的盾构施工中，需要根据地质情况和隧道要求选择合适的盾构机，并严格控制施工参数，确保施工质量和安全。
黄土隧道施工中还需要注意的问题是环境保护和灾害防范。
黄土地区属于生态脆弱地区，隧道施工在一定程度上会对周边环境产生影响。
在施工过程中需要严格遵守环保法律法规，采取有效的环保措施，减少对周边环境的影响。
黄土地区易发生滑坡、泥石流等地质灾害，隧道施工需要进行灾害防范规划和措施，确保施工安全。
黄土隧道施工中需要注意的问题主要包括黄土地层的力学性质、围岩的稳定性、地下水排水和防渗、施工工艺和设备选择，以及环境保护和灾害防范等方面。
隧道围岩的稳定性分析与评价
隧道围岩的稳定性分析与评价隧道是现代交通建设中不可或缺的一部分，而隧道的稳定性对于交通运输的安全性和效率起着至关重要的作用。
因此，对隧道围岩的稳定性进行分析与评价显得至关重要。
本文将从不同的角度对隧道围岩的稳定性进行探讨。
首先，我们需要了解隧道围岩的特点。
隧道围岩是指隧道开挖时所遇到的周围岩石或土层，其特点主要包括力学性质和岩层结构。
力学性质包括岩石的强度、变形特性和破坏模式，而岩层结构则主要涉及岩层的纵向和横向切割裂缝、节理等。
了解这些特点可以为后续的稳定性分析提供基础。
其次，隧道围岩的稳定性分析可采用多种方法。
其中一种常用的方法是数值模拟，通过使用计算机程序模拟隧道开挖过程中的围岩响应，进而评估其稳定性。
这种方法可以考虑多种因素，如地下水位、地应力分布、围岩强度等，从而较为准确地预测隧道的稳定性。
另外，实验模型也是评价隧道围岩稳定性的重要手段。
通过在实验室中制作隧道围岩模型，并施加不同的荷载，可以观察和测量模型的变形和破坏情况，从而获得对真实工程的参考和指导。
接下来，我们需要关注隧道围岩稳定性评价的指标。
常用的评价指标包括围岩的变形和破坏程度、岩体的开挖后裂隙扩展情况以及周围环境对隧道围岩稳定性的影响等。
这些指标可以通过观测和记录岩体的位移、应力、应变、岩石裂隙的发育情况以及地下水位的变化等来评价。
此外，也可以通过进行各种力学实验获得更准确的参数值，从而提高评价的可靠性和准确性。
最后，我们需要考虑隧道围岩的稳定性评价的应用。
首先，对于已经建成的隧道，在设备和材料条件允许的情况下，可以通过监测围岩的稳定性指标，及时发现问题并采取措施进行修复和加固，以确保隧道的安全使用。
其次，对于正在建设中的隧道，稳定性评价可以帮助设计者选择合适的支护措施和参数，并为施工过程中的安全措施提供依据。
最后，对于规划中的隧道项目，稳定性评价可以帮助决策者选择合适的线路，避免潜在的围岩稳定性问题。
综上所述，隧道围岩的稳定性分析与评价对于交通运输的安全和效率至关重要。
分析影响隧道围岩稳定性因素
文章编号:1004 5716(2003)05 59 02中图分类号:U451+ 2 文献标识码:B 分析影响隧道围岩稳定性因素习小华(西安科技学院,陕西西安710054)摘 要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。
关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。
从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。
但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。
因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。
1 岩石性质及岩体的结构围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。
从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。
从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQ D、节理组数Jn、节理面粗糙程度Jy、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SR F八类因素进行定量分析)角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。
如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩)即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。
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为了模拟地震作用下无衬砌黄土隧洞的动力响 Centro 波进行地震响应分析， 应， 采用 EI将其从底部 只考虑隔离体的水平振动。考虑记 沿水平方向输入， 录到的地震波幅值与进行地震动力反应分析所需的 地震动幅值不一致， 故在分析时一方面根据自由振动 确定阻尼（ 考虑到由自由振动确定的 ξ 与实测的 ξ 差 15］给出 ） ， 异较大， 故 ξ 由现有文献［ 另一方面根据 Centro 波如图 设防烈度调整原记录的地震幅值。 EI2 所示。
第 35 卷第 10 期 2010 年 10 月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 35 Oct．
No． 10 2010
文章编号： 0253 － 9993 （ 2010 ） 10 － 1615 － 06
地震作用下无衬砌直墙式黄土隧洞的围岩稳定性分析
1， 2 1 程选生 ， 郑颖人 （ 1. 后勤工程学院 建筑工程系， 重庆 400041 ； 2. 兰州理工大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730050 ）
要： 为了得到无衬砌直墙式黄土隧洞在地震作用下的剪切破坏规律 ， 根据动力和静力分析模 型， 应用抗剪强度折减法和 ANSYS 软件， 分别对小跨度无衬砌黄土隧洞进行重力分析和地震作用 摘 下的动力响应分析， 得到了无衬砌黄土隧洞的围岩抗剪强度安全系数 ， 讨论了无衬砌黄土隧洞的跨 度、 覆土厚度和地震烈度对围岩抗剪强度安全系数的影响 。研究结果表明： 从黄土围岩材料剪切破 8 及 9 度的黄土地区修建的小跨度浅埋无衬砌隧洞 ， 在 7、 其抗剪强度安全系数均大 坏的角度来看， 于 2. 0 。 关键词： 地震； 直墙式无衬砌黄土隧洞； 围岩稳定； 抗剪强度折减法 中图分类号： TU457 文献标志码： A
［1 ］
于中国、 美国的中西部和俄罗
2
斯南部等世界许多国家， 总面积约 1 300 万 km ， 占全 球 陆 地 面 积 的 9. 3% ， 我国黄土的分布面积达 2 64 万 km ， 占全国陆地面积的 6. 3% 。 随着我国交通 建设的迅速发展和西部大开发的不断深入 ， 黄土隧洞 公路、 城市地下工程、 水利、 矿山建设、 军事和 在铁路、 人防等工程中广泛应用， 这些隧洞的安全性除与黄土 本身的地质特性有关外， 还与各种自然因素有关 （ 包 括人为因素所导致的隧洞破坏 ） ， 诸如地震、 火山爆
(
)
(
)
¨ Ku t + Δt = － Mu g （ t + Δt ） 由式（ 4 ） 可知： 4 4· ¨ ¨ u u － ut t + Δt = 2 （ u t + Δt － u t ） － Δt t Δt 将式（ 7 ） 代入式（ 6 ） ， 得 2 4 2 K + C + 2 M u t + Δt = C u +· ut + Δt Δt t Δt
2］ ， 发和爆炸等所引起的环境振动。 根据现有文献［ 7 度以上的高烈度区覆盖了国家领土的一半 ， 包括 23 个省会城市和百万人口以上大城市的 2 /3 ， 以及 80% 以上农村人口的居住地。 地震作用引起的黄土隧洞 破坏是主要的地质灾害， 尤其是“5 ·12 ” 汶川大地震 造成大量的隧洞塌方， 使得铁路和公路交通中断、 水 利水电工程设施毁坏等等， 给国家和人民的生命财产 造成了巨大的经济损失， 因此研究地震作用下黄土隧 洞的围岩稳定已成为岩土工程界和地震工程界的重
(1 2
2 ¨ 2 ¨ － δ Δt u t + δ Δ t u t + Δt
)
（ 3）
第 10 期
程选生等： 地震作用下无衬砌直墙式黄土隧洞的围岩稳定性分析
1617
· · ¨ + γΔtu ¨ u t + Δt = · u t + Δt u t + （ 1 － γ） Δtu t t + Δt （ 4 ） ， 。 式中 γ 和 δ 均为常数 则在 t + Δt 时刻的运动微分方程为 ¨ · + Ku ¨ Mu + Cu = － Mu
为 1 （ 沿黄土隧洞纵向 ） 的隔离体 （ 图 1 （ a ） ） ， 计算范 围底部取 5 倍洞室高度， 左右两侧各取 5 倍洞室跨 度， 向上取到地表。 边界条件下部为固定铰约束， 上 部为自由边界， 左右两侧边界为竖向约束。由于隧洞 纵向长度远大于其断面尺寸， 故按平面应变问题来考 虑。 1. 2 静力分析模型 将图 1 （ a） 左右两侧边界的竖向约束改为水平弹 性约束 （ 位移值由动力分析可得 ） 。 分析模型 如 图 1 （ b） 所示。 1. 3 材料参数 为便于分析， 视黄土为弹塑性材料， 采用 DruckerPrager 屈服准则。 同时， 为简单起见， 取动力参数 和静力参数相同： 弹 性 模 量 为 51. 5 MPa， 泊松比为
Wall soil stability analysis of vertical ridge unlined loess tunnel under earthquake
2 CHENG Xuansheng1， ， ZHENG Yingren1
（ 1. Department of Civil Engineering， Logistical Engineering University， Chongqing 400041 ， China； 2. School of Civil Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050 ， China）
图1 Fig. 1 分析模型 Analysis model
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3 0. 25 ， 容重为 15. 65 kN / m ， 内聚力为 61. 2 kPa， 内摩 28. 98° ， 0. 12 。 阻尼比为 檫角为2来自2. 1计算方法
地震作用下的动力有限元分析 地震作用下隔离体的有限元矩阵微分方程 为 ¨ （ t） + Cu ·（ t） + Ku（ t） = － Mu ¨ （ t） Mu （ 1） g
t + Δt t + Δt t + Δt
I1 、 J2 分别为应力张量第一不变量和应力偏张 式中， k 为与岩土材料凝聚力 c' 和内摩擦 量第二不变量； α、 角 φ' 相关的常数。其表达式为 sin φ' 3 ccos φ' ， k = α = 2 3 （ 3 + sin φ' ） 3 （ 3 + sin2 φ' ） 槡 槡
Abstract ： In order to obtain the shear failure laws of vertical ridge unlined loess tunnel under earthquake， according to dynamic and static analysis model， the shear strength reduction method and the ANSYS software were respectively applied to the unlined loess tunnel of small span for the static stability analysis and the dynamic response analysis under earthquake， and the shear strength safety factors of unlined loess tunnel were obtained， and the influences of calculation parameters like the tunnel span and the coverage soil thickness of tunnel and seismic intensity on the shear strength safety factor were discussed． The results show that： from perspective of loess wall soil material shear failure， the shear strength safety factors of shallow unlined tunnels which is small span， which are built in the loess region of 7 degree and 8 degree and 9 degree， are greater than 2． 0． Key words： earthquake； vertical ridge unlined loess tunnel； wall soil stability； shear strength reduction method 黄土广泛分布
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分别按平面应变问题和空间三维问题对黄土
窑洞按最大拉应力理论在各种地震荷载作用下进行 了时程反应分析， 明确了在地震荷载作用下黄土窑洞 的薄弱部位和破坏机理； 陈立伟等 将黄土视为弹 塑性材料， 采用 Drucker － Prager 屈服准则对黄土洞 穴进行地震反应分析， 这些研究为地震作用下黄土隧 洞的围岩稳定性分析奠定了坚实的基础 ， 但并不能确 定围岩的破坏情况， 无法算出隧洞的安全储备系数， ［6 ］ 且研究中未考虑罕遇地震作用的影响； 郑颖人等 已将有限元强度折减法应用于土体隧洞中 ， 提出了黄 土隧洞 的 剪 切 破 坏 与 拉 力 破 坏 安 全 系 数； 邱 陈 瑜 利用 ANSYS 对覆土厚度 30 m 的无衬砌黄土隧 ［8 ］ 洞进行了准静态分析； 张红等 对黄土隧洞的重力 等 作用安全系数进行了探讨， 指出黄土隧洞的稳定必须 同时满足两个要求， 即初期支护后土体围岩的安全系 数不小于 1. 15 ～ 1. 20 ， 二次支护后衬砌结构的安全 系数大于 2. 0 ～ 2. 4 。 本文在上述研究的基础上， 采 用抗剪强度折减法并利用 ANSYS 软件， 通过具体算 例， 对小跨径无衬砌浅埋黄土隧洞进行重力作用和地 震作用下的动力响应分析， 分别求得无衬砌黄土隧洞 的抗剪强度安全系数， 为以后工程结构中无衬砌黄土 隧洞的的成型和工程应用提供理论依据 ， 并为定量分 析有衬砌和大跨径黄土隧洞的地震反应提供参考 。