地震作用下软弱夹层对洞室围岩稳定的影响分析

1、地震作用下软弱夹层对洞室围岩稳定的影响分析    摘要：本文采用有限单元法研究分析了软弱夹层的存在对在地震作用下地下洞室围岩稳定的影响。文中选取了一城门型隧洞为研究对象，通过软弱夹层与围岩的多种组合，重点研究分析了隧洞各关键点的位移影响系数和应力影响系数，结果显示软弱夹层的存在对地下洞室在地震作用下既有减震作用也有放大效应，并总结得出了各种状况中软弱夹层对地震作用下地下洞室围岩稳定的影响程度及规律，为地下洞室的抗震设计提供参考意见。关键词：软弱夹层; 地下洞室; 地震响应1.引言以往人们认为地下结构在地震作用下不破坏或受到较少破坏，在地下工程的抗震方面研

2、究较少。可近年来，随着地下结构震害的频繁出现，地下结构抗震问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视，特别是1995 年日本阪神大地震后，神户市地铁结构发生了严重的破坏，引起众多地震学者的关注，使地下结构抗震研究出现前所未有的热潮,成为地震工程界重要的研究方向1-4。在地下洞室建设时应尽量避开断层、软弱夹层等不稳定岩体，但还是很难完全远离。本文采用有限元方法研究软弱夹层位于洞室周边对地震作用下洞室围岩稳定性的影响。分析时以无软弱夹层的洞室在同一地震波作用下的响应值为基准值，研究洞室各关键部位的响应值，比较得到有软弱夹层时洞室在地震作用下的位移影响系数和应力影响系数，以期得到地震作用下软弱夹层对洞

3、室围岩稳定的影响。2.分析模型选取一城门型的洞室为研究对象，模型区域取100m×100m，洞室埋深取为38m，所取计算区域两侧采用一维无限单元来模拟无限边界，底部采用固定支座，地震加速度从基岩底部水平输入，模型如图1 所示，洞室围岩关键点如图2 所示，参数取值如表1、2 所示。图 计算模型简图 图 各关键点示意图2表1 围岩的物理力学参数类型 密度(kg/m3) 弹性模量(Pa) 泊松比 摩擦角（°） 粘聚力(Pa) 2800 2.05E+10 0.18 80 4.00E+6 2700 1.50E+10 0.22 50 1.80E+6 2600 6.00E+09 0.28

4、40 1.20E+6 2500 3.00E+09 0.32 28 8.00E+5表2 软弱夹层的物理力学参数密度（kg/m3） 弹性模量(Pa) 泊松比 摩擦角（°） 粘聚力（Pa）2185 3.00E+04 0.36 30 7.00E+43.软弱夹层距开挖轮廓线的距离对围岩稳定的影响软弱夹层与地下洞室开挖轮廓线之间距离是软弱夹层影响地下洞室稳定的重要因素之一。这里研究分布在洞底的软弱夹层，离地下洞室开挖轮廓线之间的距离分别为0.2、0.5、1.0 及2 倍洞径。计算得到各关键点的位移影响系数如图3 和应力影响系数如图4。软弱夹层距洞室开挖轮廓线距离(m)0 2 4 6 8 10 1

5、2 14 16 18 20 22位 移 影响 系 数.4.5.6.7.8.91.01.11.2ABCDEFGH软弱夹层距洞室开挖轮廓线距离(m)0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22应 力 影响 系 数01020304050ABCDEFGH图3 距洞室不同距离时的位移影响系数 图4 距洞室不同距离时的应力影响系数由图3 可以看出软弱夹层距洞室周边距离对关键点的位移影响较大，随着软弱夹层远离洞室底部，大多数关键点处的位移影响系数都在逐渐减少，在距洞室2m 处边墙中点C 位移影响系数最大，约为无夹层时位移的1.1 倍，同时，软弱夹层对各关键点的位移影响差别也相对较大，而随着夹

6、层远离洞室，位移影响系数逐渐减少，说明软弱夹层有放大地震响应而变为起到抗震的作用。由图4 可以看出，软弱夹层对应力影响最大的距离在距洞室10m 以内，在距洞室5m 左右使得边墙中点C 和G 应力急剧增加，最大值约为无夹层时应力的60 倍，而当软弱夹层距洞室距离超过10m 以后，应力影响系数则逐渐趋于平稳。4.软弱夹层的分布部位对围岩稳定的影响对于地下洞室而言，软弱夹层的分布部位是其影响地下洞室稳定的主要关注的重要因素之一。从关键块体理论方面来看，软弱夹层与地下洞室相对位置的不同，所形成的关键块体也就不同，最终造成地下洞室的安全系数差异很大。这里研究软弱夹层分布在拱顶、拱肩、3边墙及洞底对洞室围

7、岩稳定的影响，其分布如图5 所示，以下1、2、3 和4 分别代表软弱夹层位于洞顶、洞肩、边墙及洞底四种情况。计算得到各关键点的位移影响系数如图6 和应力影响系数如图7。图5 软弱夹层的分布位置示意图软 弱 夹 层 分布 部 位 位 移 影响 系 数.4.6.81.01.21.41.61.8 ABCDEFGH软 弱 夹 层 分布 部 位 应 力 影响 系 数0100200300400500ABCDEFGH图6 分布于不同部位时的位移影响系数 图7 分布于不同部位时的应力影响系数由图6 可以看出，软弱夹层位于洞肩和洞室边墙时对洞室围岩关键点的水平最大位移影响较大，尤其当夹层位于边墙时，围岩的各关键

8、点影响系数均达到最大值，且位移影响系数差别也较大，此时由于软弱夹层的存在而可能使洞室围岩位移过大而导致结构的破坏，当软弱夹层位于洞肩时，C 点和其他各关键观测点的位移影响系数差别达到最大值，在软弱夹层位于洞底时，几乎各关键观测点的位移影响系数都小于1，此时软弱夹层起到抗震作用。由图7 可以看出，软弱夹层位于洞顶时，边墙中点的应力影响系数达到最大值，其余几种情况相对于这种情况来说差别相对较小，除边墙中点应力变化较大外，其余的各关键点最大应力值有逐渐增加的趋势，但变化较平缓。5.软弱夹层的厚度对围岩稳定的影响软弱夹层的厚度是软弱夹层的主要特征之一，软弱夹层的厚度在不同的地质条件下，有很大的离散性，

9、从几毫米到十几米甚至几十米，这里研究软弱夹层本身的厚度对围岩稳定的影响，软弱夹层位于地下洞室底部2m 处，厚度分别取为0.5m、1m、2m、4m，围岩应力场的侧压力系数为取k=0.8，围岩类型取为类围岩。计算得到各关键点的位移影响系数如图8和应力影响系数如图9。由下图8 可以看出，除两边墙中点外，其余各点位移影响系数均随软弱夹层厚度的增加而减小，且除左边墙上的点外，洞室围岩各关键点的影响系数均小于1，即软弱夹层对结构的抗震是有利的，但当软弱夹层厚度为2m 左右时，两侧边墙中点位移影响系数差别较大，图中可以看出，由于软弱夹层的存在，而使得边墙中点C 最大位移得到放大的作用，应当引起我们注意。由下

10、图9 可以看出，在软弱夹层厚度为2m 时，两边墙中点C 和G 的最大主应力值为无4夹层时的25 倍左右，此时，其余各关键点的最大主应力影响系数差别不大，但可以看出，由于软弱夹层的存在而使得关键点的最大主应力值明显增大，在软弱夹层为0.5m、1m 以及4m 时应力影响系数也都在3-12 之间。软 弱 夹 层 厚 度 (m)0 1 2 3 4 5位 移 影响 系 数0.800.850.900.951.001.051.101.15ABCDEFGH软 弱 夹 层 厚 度 (m)0 1 2 3 4 5应 力 影响 系 数051015202530ABCDEFGH图8 不同厚度的位移影响系数 图9 不同厚度

11、的应力影响系数6.软弱夹层类型的变化对围岩稳定的影响软弱夹层类型的变化对洞室围岩地震响应有一定影响，这里研究在软弱夹层本身类型的变化对洞室最大位移和最大主应力的影响，如同围岩一样，设软弱夹层类别从好到差的顺序依次为、类，其参数取值见表3 所示。计算取类围岩，软弱夹层厚度取2m，位于距洞室底部2m 处，围岩应力场侧压力系数k=0.8 。计算得到各关键点的位移影响系数如图12 和应力影响系数如图13。表3 软弱夹层的物理力学参数软弱夹层类型 密度(kg/m3) 弹性模量(Pa) 泊松比摩擦角（°） 粘聚力(Pa) 2280 1.00E+08 0.35 40 6.00E+05 2250 5

12、.00E+07 0.38 37 3.00E+05 2200 3.00E+07 0.41 32 1.00E+05 2185 3.00E+04 0.42 29 8.00E+04软 弱 夹 层 类 型 位 移 影响 系 数0.800.850.900.951.001.051.101.15ABCDEFGH软 弱 夹 层 类 型 应 力 影响 系 数051015202530ABCDEFGH图10 不同夹层的位移影响系数 图11 不同夹层的应力影响系数5由图10 可知，当软弱夹层为第类软弱夹层时，由于软弱夹层的存在，使得洞室围岩关键点的位移影响系数波动较大，而随着软弱夹层类别的降低，位移影响系数呈现平稳状态

13、。由图11 可知，软弱夹层和围岩参数相差不大时，如软弱夹层为第类软弱夹层时，点C 和点G 的应力约为无夹层时的25 倍，而软弱夹层类别减小到一定程度，虽然软弱夹层与围岩的参数取值差别越来越大，但应力影响系数变化不大。7.结论软弱夹层的存在势必影响地下洞室的地震响应，通过以上的研究分析，软弱夹层对地震作用下地下洞室围岩稳定的影响可归结为：1 软弱夹层距洞室周边开挖轮廓线距离不同，影响系数也不一样，并且软弱夹层距洞室底部开挖轮廓线某一距离时对结构抗震较为有利。2地震作用下软弱夹层位于洞室边墙和底板时结构比较危险，而当软弱夹层位于洞肩对结构抗震相对有利。3 在含有软弱夹层围岩中的地下结构，软弱夹层类

14、别的变化对洞室围岩的地震        响应以及地下结构的安全有一定的影响，一般来说，软弱夹层参数类别越高，对地下结构抗震越不利。4 在边墙中点的位移较大，而边墙脚点以及底板中点的最大主应力较大。 6参考文献1 张蔑. 隧道震害综述A.铁道工程建设科技动态报告文集C. 中国铁道出版社，1993.2 林皋.中国地震工程研究进展M，北京:地震出版社，1992.3 叶世强.肖扬. 地下工程震害与防治M. 中国地质灾害与防治学报.1993，Vol.4 No.4.4 潘昌实.隧道及地下结构物抗震问题研究概况J. 世

15、界隧道. 1996.Study on the Stability Analysis of Surrounding Rock ofUnderground Caverns by the weak interbed in theEarthquakeYuan Da, Li JinboCollege of Civil Engineering, HoHai University, Nanjing (210098)AbstractIn this paper, finite element method is used to study analyzed the presence of weak interl

16、ayer under theaction of the earthquake underground rock cavern stability. This paper selected a gate-type tunnel as theresearch object, through the soft rock with a variety of combinations, focusing on research and analysisthe key points of the tunnel displacement and stress influence coefficient. The influence coefficientresults showed that the presence of weak interlayer to underground cavern under the earthquake mayenlarge the role of earthquake response or damping effect, then summarizes th