地鐵荷載作用下隧道土體變形的數(shù)值模擬

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1、天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)第l8卷第2期2012年6月JournalofTianjinInstituteofUrbanConstructionVo1．18No．2Jun．2012地鐵荷載作用下隧道土體變形的數(shù)值模擬孟光，張建新a,b伍廷亮(天津城市建設(shè)學(xué)院a．土木工程學(xué)院；b．天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)摘要：天津市區(qū)地鐵隧道一般埋設(shè)于第一海相軟土層中，目前針對(duì)這一海相軟土層在地鐵荷載下隧道周圍土體變形的研究較少．本文利用ABAQUS有限元軟件，模擬地鐵運(yùn)行荷載，對(duì)比分析隧道周

2、圍土體在豎向和水平方向上距隧道不同距離處土體的變形，結(jié)果表明：土體變形較大的區(qū)域主要集中在以隧道軸線為中心的10m范圍內(nèi)，工程建設(shè)時(shí)對(duì)此區(qū)域土體要重點(diǎn)關(guān)注；而在30m以外區(qū)域土體變形較?。治鼋Y(jié)果為以后在現(xiàn)有地鐵隧道沿線建設(shè)地下構(gòu)筑物時(shí)提供了有價(jià)值的參考．關(guān)鍵詞：地鐵振動(dòng)荷載；隧道；土體變形；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：U452文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1006．6853(2012)02．0103．05近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程動(dòng)力有限元計(jì)算可以滿足所要求的計(jì)算精度范引，不斷加快，我國(guó)軌道交

3、通也得到了迅猛的發(fā)展．以城故采用二維平面應(yīng)變動(dòng)力有限元進(jìn)行模擬計(jì)算．因地市地鐵為代表的軌道交通的發(fā)展給人們的生活帶來(lái)鐵振動(dòng)模型符合正對(duì)稱條件，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)稱原了極大的方便，但同時(shí)也產(chǎn)生了一些負(fù)面的影響，其理，取模型的一半進(jìn)行有限元分析．中地鐵運(yùn)行時(shí)由列車振動(dòng)誘發(fā)的相關(guān)問(wèn)題尤為突模擬計(jì)算范圍：水平方向取60m，豎向計(jì)算深出．在天津軟黏土地區(qū)地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，地鐵列車振度取80m．土層和襯砌用平面應(yīng)變四邊形單元模擬，動(dòng)荷載對(duì)隧道周圍土體的影響導(dǎo)致隧道周圍土體的基底為固定約束，左右兩側(cè)施加水平方向約束，

4、頂部變形，進(jìn)而影響到地鐵隧道軸線變形，地面沉降增加．采用自由邊界條件L3J，邊界條件和襯砌位置見(jiàn)圖1．有本文基于ABAQUS軟件建立有限元模型，模擬限元網(wǎng)格的劃分見(jiàn)圖2．根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)格劃分的地鐵振動(dòng)荷載對(duì)隧道周圍土體的影響，對(duì)不同深度范大小應(yīng)該小于振動(dòng)波長(zhǎng)的1／8，以便保證計(jì)算的精圍內(nèi)土體的變形進(jìn)行了對(duì)比，為地鐵工程的設(shè)計(jì)及安度I4J．城市地鐵的列車頻率一般集中在10～80Hz，全運(yùn)營(yíng)提供參考．1數(shù)值模型的建立1．1計(jì)算模型天津地鐵2號(hào)線全長(zhǎng)22．5km，其中地下線20-3km，隧道中心大部分

5、區(qū)段埋深L=15m，地鐵隧道半徑一般R=3．1m，襯砌內(nèi)徑=2．75m．采用Mohr—Coulomb模型，NewmarkIll隱式時(shí)間積分法計(jì)算地鐵荷載作用下隧道土體的變形．嚴(yán)格地說(shuō)，分析地鐵列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)周圍土體的影響圖1邊界約束和襯砌是一個(gè)三維空間問(wèn)題，但在工程設(shè)計(jì)分析時(shí)二維平面收稿日期：2012—02—27：修訂日期：2012．03—3O作者簡(jiǎn)介：孟光(1987一)，男，山東濱州人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)孟光等：地鐵荷載作用下隧道土體變形的數(shù)值模擬·105·穿越的土層情況

6、，行車荷載影響范圍內(nèi)的地層主要為第四系全新統(tǒng)中組海相沉積層(Q4m)、第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沖積層(Q4h)、第四系全新統(tǒng)下組陸①相沖積層(Oa1)及第四系上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層(Q3。a1)．由于實(shí)際工程中的土層十分復(fù)雜，所圖5荷載施加的部位以要做到完全的模擬比較困難，因此需對(duì)土層進(jìn)行1．3計(jì)算參數(shù)的確定相應(yīng)的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的土層參數(shù)見(jiàn)表1．襯砌參數(shù)見(jiàn)根據(jù)天津地區(qū)軟土地質(zhì)特點(diǎn)及本文所研究隧道表2．表1土體物理力學(xué)性能指標(biāo)土層彈性模量／MPa重度／kN·m。泊松比摩擦角／(。)黏聚力c／kPa深度

7、／m14-2418．800-318．5O13．6OO～826．2919．200．315．9O11．208～17313．08l9-300-3l7l301O．5017～26417．2719．500．320．6012．7026～40518．5319．600．322．5014．5040～80表2襯砌參數(shù)指標(biāo)襯砌堂絲堡重!重度／kN·m。I泊松比摩擦角／(。)黏聚力c／kPa0阻0尼比矗混凝土29．422．5410．26029．60．05起了隧道周圍地層的振動(dòng)，誘發(fā)土體變形．在豎直方2土體變形模擬分析向上距

8、離隧道底部3、5、l0、20m處，土體豎向位移變形如圖6所示．2．1土體豎向變形分析地鐵列車振動(dòng)荷載由隧道襯砌結(jié)構(gòu)傳給地層弓(a)3m(b)5m圖6距隧道底部不同距離處土層豎向位移曲線·106·天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)2012年第18卷第2期由圖6a可知：距隧道底部3m處土層豎向位移道底部20m左右處變形基本穩(wěn)定．這是因?yàn)樵诘罔F最大值為6．7mm．最大值左側(cè)土體，在兩條對(duì)開(kāi)地荷載作用下，由于土體是典型的非線性材料及振動(dòng)波鐵影響下位移比較大，且衰減較??；其右側(cè)土體隨著在土體中的傳播規(guī)律，