降雨条件下隧道稳定性的弹塑性位移计算分析

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1、降雨条件下隧道稳定性的弹塑性位移计算分析唐芳(湖南城建职业技术学院，湖南湘潭411101)摘要：降雨条件下隧道稳定性分析是一个系统工程，因此着重应用弹塑性理论和工程计算，对某隧道进行了沉降和纵向位移计算分析。隧道位移的弹塑性计算对隧道工程的设计、施工、监理和监测具有重要指导作用。关键词：隧道；降雨；位移计算；弹塑性中图分类号：文献标志码：B文章编号：1009-7767（2010）06-0000-00Calculationofelasto-plasticdisplacementoftunnelstabilityunderra

2、inTangFang随着我国大规模交通建设的进行，在山区修建各等级公路、铁路、高铁处处可见。近年来，一些研究者对交通隧道进行了众多研究，如陈东瑞[1]对隧道边坡治理设计与施工进行了研究；王祥秋[2]用施工动态监测拱顶位移与有限元模拟来研究高速公路偏压隧道；杨小礼[3]采用侧壁导坑法对浅埋偏压隧道的施工工序进行了研究等等。尽管如此，技术人员对隧道的弹塑性位移计算仍普遍关心不够。因此，针对工程的特殊性和复杂性，本文拟探讨受降雨影响，隧道沉降与纵向位移的工程计算，这在目前计算实例中并不多见。1降雨入渗分析降雨入渗是雨水从隧道顶部

3、土体表面进入土体内部的渗透过程。降雨入渗，是先在岩土体浅层非饱和带形成一定厚度的暂态饱和水，随着降雨持时和降雨量的延续，入渗雨量会继续扩展，使深部干燥的土体变得饱和甚至在某一位置溢出。同时，顶部浅层土体又呈现出非饱和状态，这是一个复杂的趋替过程。其渗流场和应力场的耦合关系式为[4]：。（1）式中：为渗透系数；为压力水头；为水的容重；为竖向坐标；为土骨架的孔隙率；为水的弹性压缩系数，文中不考虑水的压缩性；为土骨架体积应变增量；为微分算子符号。2隧道弹塑性计算2.1弹塑性破坏准则莫尔-库仑强度准则是目前岩土工程中应用最为广泛的

4、破坏准则，其表达式为[5，6]：。(2)式中:I1，J2为应力张量第一不变量和应力偏量第二不变量；为应力罗德角；分别为黏聚力和内摩擦角。采用非关联的流动法则，其塑性势函数与屈服函数具有相似的形式，即。(3)式中:为土体剪胀角，当时为相关联的流动法则，时为非关联的流动法则。2.2弹塑性刚度张量岩土的应变可分解为弹性应变和塑性应变，其理想弹塑性应力应变关系为：。(4)式中:为待定比例系数；K、G为体积及剪切模量；为应力偏量增量；为弹性应变；为塑性应变；为塑性势。运用连续性条件，的表达式为：。　　(5)式中：为弹性刚度张量；为硬

5、化参数；为屈服函数。3算例分析3.1工程概况湖南省境内某高速公路隧道为双洞公路隧道[7]，左洞位于高速公路左线K73+580—K74+460，右洞位于右线K73+780—K74+480。隧道按高速公路平原微丘区标准设计，车速按100km/h确定；净宽11.10m、净高7.10m，行车道（含路缘带）宽8.5m，检修道宽0.75m。3.2计算模型由于计算范围的大小对弹塑性分析结果有较大的影响，而弹性理论分析表明，在四周全部约束的情况下，边界到隧洞中心的距离在3～5倍洞径即可，所以结合该工程的特点，计算选定的范围为：左、右边界分

6、别距隧道左、右边为30m，下边界距隧道底板为30m，上边界为地表面；隧道高为7m，跨度为11m，模型沿隧道的走向长为160m，计算的隧道开挖长为100m。计算模型中有45641个节点，42912个单元，选择摩尔-库伦弹塑性模型进行计算[7]。计算模型见图1。图1计算模型图2沉降分析图3纵断面位移分析3.3位移计算分析从图2可以看出，隧道的开挖引起了拱顶的下沉和隧道底的隆起，而拱顶的下沉又引起了隧道围岩的变形进而波及地表，由于该隧道进口段是浅埋的，所以地表的沉降量较大。而从沉降变化规律可以分析得出，拱顶的沉降量最大，距离拱顶

7、近的地方沉降次之，而较远的地方较小。从图3可以看出，随着隧道的开挖，其埋深在增加，隧道开挖对地表位移的影响在减小，但总的位移在增大。4结论降雨条件下隧道稳定性计算应该是一个被广泛关注的课题之一，应加强理论计算并与现场施工、设计、监理的监测相结合，只有这样，才能对隧道弹塑性理论计算和稳定性评价提供可靠依据。参考文献：[1]陈东瑞.隧道边坡治理方案设计与施工[J].铁道建筑，2005，(3):45-48.[2]王祥秋，杨林德，高文化.高速公路偏压隧道施工动态监测与有限元仿真模拟[J].岩石力学与工程学报，2005，24(2):

8、284-289.[3]杨小礼，眭志荣.浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分析计算[J].中南大学学报：自然科学版，2007，38（4）：764-770.[4]包承钢.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定性问题[J].岩土工程学报，2004，26(1):1－15.[5]刘元雪，郑颖人.岩土弹塑性理论的加卸载准则探