铁路黄土隧道液化致灾机制与风险评估研究
马为功
(兰州大学 土木工程与力学学院,甘肃 兰州 730000)
Study on disaster mechanism and risk assessment of surrounding-loess liquefaction in tunnels of railway
MA Weigong
(College of Civil Engineering and Mechanics,Lanzhou University,Lanzhou,Gansu 730000,China)
摘要 我国黄土广泛分布,其大多数处于高烈度地震区,历史上多次强震都曾由于触发饱和黄土液化所致系列重大灾害。同时近年来铁路隧道运营事故频发,其中已有的黄土隧道翻浆冒泥、错台及拱顶掉块等病害引起众多学者重视。目前对振动作用(地震振动和列车振动)触发隧道饱和黄土围岩液化问题的认知不足,对围岩液化引起隧道结构次生风险病害的预判缺失。
本研究以铁路隧道频发的翻浆冒泥、仰拱开裂及错台等病害为启示,以饱和黄土振动液化该土动力学热点科研问题为切入点,重点依托在建兰州至合作铁路某隧道黄土段,综合采用理论分析、动三轴试验、室内土工测试、大型振动台试验、隧道现场监测和数值模拟等多种方法,研究了影响地震荷载作用下隧道饱和黄土围岩液化的主要因素,分析了隧道饱和黄土围岩在地震荷载或列车荷载作用下的液化机制,得出了隧道围岩液化的特征,并给出了围岩液化可能引起的隧道结构致灾风险等级。通过研究得出:
(1) 隧道结构的存在显著提高了其围岩土体的动剪应力修正系数rd,其中明挖法施工隧道主要在拱顶和起拱线位置,矿山法施工隧道主要在拱顶和仰拱位置;隧道等效直径D是影响rd最显著的因素,隧道跨度B和土体变形模量Es对rd影响显著,隧道衬砌的厚度t和弹性模量Ec较显著,衬砌材料重度γ影响不显著;对修正系数rd的影响随隧道埋深h的增加而减小,且减小速率逐渐减小,当h>60 m时趋于稳定。
(2) 土样最大破坏面上的静剪比?s和动剪比?d是影响土样液化的关键因素,随着其增大,饱和黄土样的液化势被显著提高;在低频动荷载作用下饱和黄土更易产生液化破坏;在振动荷载作用下孔压的增长规律和消散规律,推导出地震荷载和列车振动荷载叠加作用下的液化判别公式,和前后列车叠加作用下的液化判别公式。
(3) 在地震作用下,黄土颗粒发生剪切收缩,孔隙水压力增加,土颗粒间的有效应力进一步减小,导致土体抗剪切能力迅速下降而产生液化。土–结构相互作用显著提高了隧道结构周围黄土的液化势。在地震作用下,隧道周围的土体会先于远离隧道的土体液化,而液化黄土层又减弱了地震荷载从底部向顶部的传递,进而影响土体的加速度、动剪应变和动压应力随地震荷载加速度的变化。液化黄土的流动性与刚拌合好的普通C30混凝土的流动性相似,与其初始状态相比,液化黄土密度减小,稳定性丧失。
(4) 大地震(汶川地震)的隧道围岩比中震(夏河地震)的隧道围岩更容易触发液化,且液化范围也更大;地震荷载相同条件下,隧道断面整体处于饱和状态时比隧道断面仰拱以下部位黄土处于饱和状态时更易液化,产生的液化范围也更大。
(5) 在列车振动荷载作用下:隧道研究断面的围岩应力条件下,仰拱厚度满足设计要求时,普通列车振动荷载不会引起仰拱基底饱和黄土的液化;仰拱厚度不满足设计要求时,在仰拱基底中心部位先产生液化,后序列车荷载作用使得液化部位逐渐扩展,最终致使仰拱基底饱和黄土全部液化。
(6) 地震动荷载引起隧道基底饱和黄土围岩局部液化时,后序列车荷载使得液化区域逐步扩张,最终使得整个仰拱基底围岩触发液化。在列车循环荷载作用下失去支撑的隧道基底振动剧烈,使得隧道产生衬砌开裂、错台、翻浆冒泥和整体道床下沉等病害,严重影响列车运行安全。最后根据地震荷载、列车振动荷载,及其叠加作用引起隧道饱和黄土围岩可能致灾程度划分出风险等级。
关键词 :
土力学 ,
黄土隧道 ,
液化 ,
动剪应力修正系数 ,
动孔隙水压力 ,
动三轴试验 ,
静剪比 ,
动剪比 ,
振动台试验
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