一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型及方法

技术领域

本发明属于地下结构防灾减灾领域，具体涉及一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型及方法。

背景技术

隧道作为长线形结构，线路设计时不可避免的会出现穿越断层的情况。断层错动是隧道结构安全的主要隐患，一旦出现问题后修复难度极大。如何避免断层两侧岩土体的相对错动对结构安全及线路运行产生影响是跨断层隧道力学行为及减灾措施研究的落脚点，其中如何快速高效地描述断层错动情况下隧道结构的受力破坏特征是阻碍跨断层隧道结构防灾减灾工作有效开展的关键技术问题。

当下，研究人员习惯通过模型试验和数值模拟手段讨论断层错动条件下隧道结构的受力、变形及破坏情况，大量的前期准备工作和较高的技术门槛使得防灾减灾工作难以高效开展。相比而言，基于弹性地基梁的跨断层隧道力学模型在计算效率和对隧道结构受力特征的表征上均满足当下需求，结合隧道结构的破坏判据即可开展受力破坏特征分析。但是，目前为止尚未建立基于弹性地基梁模型的跨断层隧道受力破坏特征的力学模型，对结构破坏判据的报道也较为罕见。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型及方法，能够基于简单的力学模型和有效的结构破坏判据快速获得断层错动情况下圆形隧道结构的受力及破坏特征，计算精度和效率均可得到保证，推广应用的潜力较大。

为了达到上述目的，一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，包括：

通过跨断层圆形隧道的围岩参数获取地基基床系数，得到地基弹簧的刚度系数；

根据跨断层圆形隧道的结构设计参数，获得结构梁单元计算参数，包括结构弹性模量和惯性矩；

根据地基弹簧的刚度系数以及结构梁单元计算参数，构建双层梁分析模型，根据断层几何参数确定破碎带宽度；

向双层梁分析模型的荷载梁主动盘段施加错动位移，获取双层梁分析模型的弯矩和剪力沿纵向的分布规律；

判断双层梁分析模型发生破坏的状态；

根据剪力项和弯矩项的占比判断双层梁分析模型所受破坏的主导项。

围岩参数结合静力有限元方法获取地基基床系数。

地基弹簧的刚度系数的计算方法如下：

k

k

其中，k

双层梁分析模型包括结构梁、荷载梁、法向地基弹簧和纵向地基弹簧。

双层梁分析模型的总长度一般大于300m或10倍断层破碎带宽度。

判断双层梁分析模型发生破坏的状态时，引入公式：

其中，

式中：V为构件承受的剪应力；M为构件承受的弯矩；r

当

剪力项为

一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型，包括双层梁分析模型，双层梁分析模型包括结构梁和荷载梁，荷载梁分为主动盘段、断层段和被动盘段，结构梁和荷载梁间通过地基弹簧连接。

加载时，通过移动主动盘，使地基弹簧出现压缩，对结构梁施加断层错动的等效荷载。

与现有技术相比，本发明的方法通过地基弹簧的刚度系数和梁单元计算参数构建双层梁分析模型，双层梁分析模型的极限状态符合判据则可以通过结构的弯矩和剪力快速判断结构的破坏状态，识别结构的破坏位置。与此同时，通过对弯矩项和剪力项占比的分析可以快速判断结构的破坏状态。本发明通过荷载梁实现了断层变形模式的高精度重现，通过双层梁模型重现了断层错动过程中跨断层隧道的受力变形特征，通过环形断面钢筋混凝土结构承载能力极限状态符合判据实现了对隧道结构破坏状态和破坏模式的快速判别。本发明原理清晰、结构简单、精度和效率均较高，且可以快速实现对结构破坏状态和破坏模式的预判，在隧道工程的施工、设计及科研领域均具备较为广阔的应用前景。

本发明的分析模型的构梁与荷载梁之间通过地基弹簧连接，加载时，通过移动主动盘，使地基弹簧出现压缩，对结构梁施加断层错动的等效荷载，模型符合断层错动过程中围岩-结构之间的相互作用，可以同时体现地层变形对结构的驱动作用和地层本身的约束作用，获得的结构受力变形结果更加符合实际。

附图说明

图1为本发明中双层梁分析模型的结构图；

图2为本发明的流程图；

图3为实施例中模型隧道的承载能力判据变化规律图；

图4为实施例中原型隧道的承载力判据变化规律图；

图5为实施例中原型隧道结构变形及受力规律图；

图6为实施例中原型隧道的等效塑性应变规律图；

其中，1、结构梁；2、荷载梁；3、地基弹簧；4、被动盘；5、断层；6、主动盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析模型，包括双层梁分析模型，双层梁分析模型包括结构梁1和荷载梁2，荷载梁2分为主动盘段6、断层段5和被动盘段4，结构梁1和荷载梁2间通过地基弹簧3连接。加载时，通过移动主动盘，使地基弹簧3出现压缩，对结构梁1施加断层错动的等效荷载。

参见图2，一种跨断层圆形隧道受力破坏特征的双层梁分析方法，包括：

步骤一，通过跨断层圆形隧道的围岩参数，结合静力有限元方法获取地基基床系数，得到地基弹簧的刚度系数；地基弹簧的刚度系数的计算方法如下：

k

k

其中，k

步骤二，根据跨断层圆形隧道的结构设计参数，获得结构梁单元计算参数，包括结构弹性模量和惯性矩；

步骤三，根据地基弹簧的刚度系数以及结构梁单元计算参数，构建双层梁分析模型，双层梁分析模型包括结构梁、荷载梁、法向地基弹簧和纵向地基弹簧，根据断层几何参数确定破碎带宽度，双层梁分析模型的总长度大于300m或5倍断层破碎带宽度；

步骤四，向双层梁分析模型的荷载梁主动盘段施加错动位移，获取双层梁分析模型的弯矩M和剪力V沿纵向的分布规律；

步骤五，引入如下公式判断双层梁分析模型发生破坏的状态；

其中，

式中：V为构件承受的剪应力；M为构件承受的弯矩；r

当

步骤六，根据剪力项

实施例1：

通过ABAQUS建立图1所示双层梁模型，采用相似材料的力学参数和结构断面参数确定梁单元的计算参数。将荷载梁的抗弯刚度取为隧道结构的10000倍，等效为刚度无限大。通过公式以下获得地基弹簧的刚度：

k

k

式中：k

以模型试验中结构中线与断层面的交点为界，确定主动盘侧梁结构的长度为1360mm，被动盘侧梁结构的长度为1680mm。通过给主动盘侧荷载梁施加强制位移实现断层错动的模拟。

根据实际情况确定模型隧道极限承载力计算参数(表1)，进而求得其极限承载力判据参数M

表1模型隧道极限承载力计算参数

结构极限承载能力判据的变化规律如图3所示。可以看出，断层错动过程中初始状态的结构的承载能力判据呈现近似驼峰形分布，在断层两侧较大，其中剪力项占比几乎可以忽略；在断层处较小，以剪力项为主。表明此时结构在断层两侧以受弯为主，在断层处以受剪为主，结构的承载能力主要由弯矩控制。此外，判据并非对称分布，被动盘侧结构的承载能力判据更大，预示着隧道可能首先在被动盘侧发生受弯破坏。

对比试验现象可以认为，本文分析模型可以很好的体现结构的受力破坏特征，尤其对结构的破坏形式、破坏位置及破坏顺序具备较好的预测效果。

以川藏铁路折多山康定1号隧道穿越色拉哈断裂段为对象，建立分析模型。参照表2原型参数确定结构和围岩的计算参数，基床系数通过规范推荐的静力有限元法获得。初始状态的隧道计算长度取30倍隧道外径，即300m，断层带处于结构中间位置处，宽度取1m，基床系数的取值在围岩参数的基础上乘以0.2的折减系数，取最大错动位移为0.5m，按照0.05m、0.125m、0.25m和0.50m四级加载。

表2原型及相似材料物理力学参数

川藏铁路单线圆形隧道的极限承载力计算参数如表2所示，由此确定原型隧道的极限承载力参数为M

表2原型隧道极限承载力计算参数

提取加载过程中隧道结构的承载能力判据及变形、受力规律如图4和图5所示。可以看出，判据在断层位置处突然迅速增大，且受剪力主导。此外，原型隧道的变形和受力均集中在断层附近1～1.5D范围内，超过此范围受力便迅速衰减。

由此可见，原型隧道在断层处与围岩存在强烈的相互作用，其破坏受剪力主导，原因可能是围岩对隧道结构的约束较强。可以预测，断层错动过程中结构会在断层面附近直接出现剪切破坏。

为了验证分析结果，建立原型隧道的三维非线性有限元分析模型。材料的力学参数参照表2确定。分别采用线弹性本构、摩尔-库伦本构和混凝土塑性损伤模型(CDP模型)描述围岩、断层带和隧道结构的受力变形关系，CDP模型参数及加载过程参考文献。

提取断层走滑错动0.05m时跨断层隧道结构的等效塑性应变云图如图6所示。可以看出，断层错动过程中隧道结构的塑性变形主要集中在断层附近1D范围内。可见本发明构建的分析模型及判据可以较为准确的描述跨断层段隧道的破坏特征。