断层倾角对隧道震动响应影响分析

黄博张丽

摘要：为了对比不同断层倾角对衬砌地震动响应的影响差异，分别取倾角为45°、60°、90°三种工况，采用有限元软件ANSYS进行动力分析，研究地震响应作用下不同倾角断层对隧道结构的影响规律。

关键词：隧道工程；断层倾角；有限元方法；动力分析；

在西部地震区山岭隧道的修建中常常会遇到断层，在断层处围岩结构松散、破碎，特别是在地震中岩体表现得极不稳定性，使得隧道衬砌与围岩之间出现脱空现象，衬砌得不到有力的约束，最终导致破坏。所以本文将采用有限元动力时程分析方法研究在地震作用下不同断层倾角对衬砌影响。

1有限元模型建立要点

有限单元法就是把物体，假想地划分成有限个简单形状的单元，用这种有限个单元的集合体来替代原来的物体。而各个单元之间则靠节点相连，节点相当于一个铰链，传递着单元之间的相互作用力，即为节点力。作用在节点上的外力称为节点荷载。节点力与节点荷载不同，前者是内力，后者是外力。单元的划分和节点的选择，除了根据物体的特点、承受荷载的情况、计算精度的要求以及考虑计算机的容量等因素外，很大程度上是人为的。

目前以有限元法[1]为基础理论的很多通用商业软件用在各个主要领域，其中ANSYS是使用较频繁的一种，也是本文采用的主要分析手段。

1.1单元选取

本文计算所选用单元介绍：

①Shell63壳单元

Shell63壳单元具有弯曲及薄膜特性，与平面同方向或者法线同方向的负载皆可承受。单元形式有平面四边形和三角形两种，并具有x、y、z位移方向及绕x、y、z轴旋转方向的6个自由度，包括应力强大变形能力。可选择连续性剪切举证，用于大变形（有限的旋转）分析。其中需注意的是Shell63壳单元的面积不可以为0，通常单元连接号码不正确就会造成该现象。单元的厚度为0或线性厚度变化至单元的四点时为0接皆不许可。四点所构成的单元必须为一平面，然而仍然允许少量的非平面，但会造成少许歪曲。适度的歪曲结果在输出时会有警告信息。若歪曲严重则会导致严重错误，此时最好使用三角形单元。

②Solid45（3-D）实体单元

Solid45（3-D）实体单元由8个节点结合而成，每个节点具有x、y、z位移方向的3个自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特征。与壳单元相似。单元不允许零体积，且不可有扭曲而造成两块体积分离，这两点通常是因为节点连接错误造成的。单元有8个节点，但棱柱及角锥单元也可以接受。

③Combin14弹簧单元

Combin14是一种无质量单元，可应用于模拟一维、二维或三维空间在纵向或扭转的弹簧—阻尼效果。当考虑纵向弹簧—阻尼时，该单元承受单向受拉或受压，每个节点具有x、y、z位移方向的3个自由度，不考虑弯曲及扭转。可用于模拟模型中的边界条件。

1.2边界条件理论及选取

在土体结构动力相互作用问题中，由于振动或波动要向无限远处传播，实际研究对象是一个半无限空间。而有限元的计算对象只能是有界域，故此在用有限元法研究结构在地震激励下的振动时，只是将感兴趣的部分人为地切割出来进行离散化[2]。这个切割面即称为人工边界，实际上它在原连续介质中并不存在，因此要对计算边界作一定的近似处理。

本文在对模型设置边界条件时，地表采用自由边界，模型左右及底部均采用粘弹性人工边界。

1.3本构模型选取

目前还没有一种本构模型能够模拟各种情况下土的动力非线性特征，并具有实际应用中必要的简单性。因此针对具体的问题应该选择合理而简单的本构模型。本文采用了D—P本构模型[3]，认为土体是一种完全弹塑性的材料，这种假设目前被我国工程界广泛应用。

1.4地震波选取

本次计算采用在地震反应分析时常用的EL-Centro波加速度曲线作为地震输入。美国EI-Centro波南北向加速度记录，1984年发生于美国Califljnia，峰值加速度341.7cm/s2，时间间隔0.02秒，持续时间30s。受计算条件限制，截取包含其最大峰值的前20s共1000个记录作为输入。

图2.2-5仰拱中部第一主应力分布图

从以上图表可以看出，不同倾角对隧道主应力影响颇大，具体表现如下：

1）从应力分布图上来看，应力的分布规律与位移的分布大致相似，均是在接近或者到达断层带时发生突变，其中倾角越小其分布线的变化趋势较缓，却说明断层影响到的范围越大，特别是在断层的上盘，而在断层下盘所有的变化都比较急。

2）从表2.2-5中具体的量值我们可以推出如下规律，衬砌的各个控制位置基本上都是按照断层倾角越大，应力越小的趋势在变化。

3结论

（1）在断层破碎带处的动力响应变大，而且在隧道的拱腰、拱脚部位，位移和应力都较大，说明是隧道抗震设计的薄弱环节。

（2）通过计算分析，断层与水平面的夹角对隧道抗震响应有着明显的影响。倾角越小，断层对隧道应力、位移的纵向影响范围越大，隧道结构就越不稳定

参考文献

[1]严松宏，梁波等.考虑地震非平稳性的隧道纵向抗震可靠度分析[J].岩石力学与工程学报，2005，3.

[2]高峰，李德武.隧道三维地震反应分析若干问题的研究[J].岩土工程学报，1998，20（4）：48~53.

[3]刘晶波，李彬，刘祥庆.地下结构抗震设计中的静力弹塑性分析方法[J].土木工程报.2007.7

[4]高峰.关宝树.隧道地震反应分析中几种边界条件的比较[J].甘肃科学学报，2004.16（1）：109~112.

[5]《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004）.