地震作用下土拱稳定性影响因素分析_孙常新.pdf

福建交通科技2023年第1期1研究背景“土拱效应”是岩土工程中一种常见的现象，是由于土体在力的作用下产生不均匀位移后调动自身强度以抵抗外力的结果。当相邻土体发生相对位移时，“土拱效应”的存在会导致土压力发生重分布，从而影响地下结构的稳定性。Terzaghi1通过“活板门”实验证明了“土拱效应”的存在并阐述了其存在的条件。Rui等2-4通过一系列“单活板门”和“多活板门”的室内模型实验和数值模拟，研究了砂性土中不同因素对土拱的影响。Song等5和Xu等6先后通过改进“活板门”实验，研究了地下水位和渗流对“土拱效应”的影响。对于抗震研究来说，振动台模型实验是研究工程结构地震动力响应特性的有效手段之一，许多学者用该方法取得了较好的研究成果。高峰等7通过振动台模型实验研究了不同埋深隧道的地震响应特征，结果表明，隧道埋深对隧道的抗震性能影响较大。鲁得文等8对黄土隧道洞口段进行大型振动台模型试验。陈强等9通过室内模型实验，利用已有研究推导的计算公式和摩尔库伦强度破坏准则计算室内模型中直观土拱的破坏荷载。经典“活板门”实验虽能较好的演示和说明“土拱效应”，但该实验并不能模拟洞室初始开挖形状对土拱效应的影响。此外，有关“土拱效应”影响因素的研究虽然众多，但鲜有涉及地震作用的成果出现。随着国内基建项目在地震高烈度地区（如川藏铁路）的大量开展以及近些年来国内外地震频发，使得研究地震作用下的“土拱效应”具有了紧迫性。基于以上判断，本文通过改进的“活板门”实验，研究了地震作用下不同因素对土拱效应的影响及土拱几何形态的变化过程，主要通过土拱的几何形态变化，进一步研究其抗震稳定性。2模型实验2.1实验准备本实验模型系统包括自制模型箱、自制开挖面模型和振动台。实验采用40 cm25.5 cm70 cm的自制模型箱，如图1所示。箱子的顶部开口，便于实验过程中填土、加压等操作。箱体由透明有机玻璃板焊接而成，用黑色马克笔画出2.5 cm2.5 cm的正方形网格，便于实验过程中直接观测土体的变化。同时在箱体底部两侧相对位置预留出直径12 cm的圆形孔洞，用于放置开挖面模型。自制开挖面模型如2所示，由光滑的塑料外皮和26块直径和厚度一致的圆木盘组成。其中圆盘厚度1 cm，直径12 cm。每个圆盘再按照A、B、C 3个区域切割成更小的块体，用以开挖时模拟开挖次序。整个开挖面模型拼接完成后是一个底面直径12 cm、高26 cm摘要针对洞室土拱稳定性问题，通过室内模型实验，研究地震作用下砂土含水率和埋深2个因素对土拱形态的影响，进一步分析其对土拱稳定性的影响。实验结果表明：地震作用会导致土拱发生退化，进而导致土拱的几何形态发生变化；地震作用下埋深的增加并不总是有利于土拱的稳定，埋深处于1.5D至2.5D之间时土拱较为稳定；砂土含水率在2.5%3.5%范围内时，土拱的形态变化幅度随含水率的增加而减少，土拱稳定性随含水率增加而增加；在地震多发区域，可以对土拱的易破坏区域进行适当的支护，减少初次地震作用导致的土拱破坏，进而减少后续地震作用对土拱的影响,增加洞室的抗震稳定性和使用年限。关键词岩土工程土拱效应模型实验地震作用土拱形态砂土地震作用下土拱稳定性影响因素分析孙常新张玉洁胡江凡*郝小红黄文辉臧东升曹冉（华北水利水电大学，郑州450045）*为通讯作者基金项目：国家自然科学基金项目（51408222）41FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期的圆柱体。型号为WJ100的小型振动台如图3所示，振动板尺寸为51.5 cm38 cm，可提供的最大加速度为0.6 g。图1自制模型箱图2自制开挖面模型图3振动台2.2实验材料利用砂性土进行实验，通过筛析法得到土体颗粒大小的分布曲线如图4所示，其平均粒径d50为0.21 mm，不均匀系数Cu为60，曲率系数Cc为2.41，该砂土级配良好；其干燥时的力学性质见表1。图4颗粒级配分布曲线表1砂土的物理性质2.3实验设计本实验设计了含水率与埋深2个变量。含水率取值分别为1.4%、2%、2.5%、3%、3.5%，土拱埋深取值为0.5D、D、1.5D、2D、2.5D、3D，其中D为开挖面直径（本实验中D为12 cm）。根据变量的简单组合，不同含水率分别对应不同埋深，共设计了30组试验。2.4实验过程2.4.1模拟开挖过程模拟开挖过程如图5所示。（1）将模型箱与振动台固定在一起；（2）向模型箱中回填砂土，回填采用分层填筑、振捣密实的方法，每层夯实3遍；（3）当砂层标高达到预留孔洞底部时，安装开挖面模型；（4）安装完成后，以每层6 cm的压实厚度继续分层回填，直到达到预设的埋深，将回填完成的模型静置10 h，使其沉降稳定；（5）将开挖面模型按照编号A、B、C的顺序依次取出，以圆盘厚度为单次进尺度，依次取出开挖面模型，静置片刻待土拱稳定后记录其形态。（a）安装开挖面模型（b）回填（c）开挖（d）开挖完成图5模拟开挖过程2.4.2施加地震荷载初始土拱形态记录完成后，通过振动台给模型施加4次相同的地震波。其中地震波采用汶川波，单次地震作用施加时间为8 s，地震波加速度时程曲线如图6所示。地震作用加载过程中通过增益器控制地震波输出，使振动台的最大加速度为0.4 g。每次荷载加载完成且土拱稳定后记录土拱形态。项目指标密度/（g/cm3）1.65压缩模量/MPa25泊松比0.2孔隙率0.2内摩擦角/32桥隧工程42福建交通科技2023年第1期图6加速度时程曲线3实验结果及分析3.1实验结果地震作用加载完成后土拱的形态变化状态如表2所示。含水率1.4%时的各个埋深、含水率2%时的埋深0.5D、D、1.5D、2D及含水率2.5%时的埋深0.5D都在模拟开挖过程中坍塌，故表中不再列出。表2土拱状态一览表注：为土拱无变化，为土拱发生变形，为土拱破坏。以含水率2.5%为例，不同埋深实验中，每次施加地震荷载后土拱的直观形态变化的如图79所示，其中（a）均为加载1次后形态，（b）均为加载2次后形态，（c）均为加载3次后形态。为能更直观地对比分析，下文将实验结果用图表形式表达。（a）加载1次（b）加载2次（c）加载3次图7埋深1.5D时每次施加地震荷载后土拱的直观形态（a）加载1次（b）加载2次（c）加载3次图8埋深2D时每次施加地震荷载后土拱的直观形态（a）加载1次（b）加载2次（c）加载3次图9埋深2.5D时每次施加地震荷载后土拱的直观形态3.2实验结果分析3.2.1地震作用下土拱几何形态的变化分析以含水率2.5%时，埋深分别为1.5D、2D、2.5D的实验为例，如图10所示，对相同含水率和埋深条件下，不同地震被加载次数后的形态进行研究分析。（1）地震作用下土拱出现一个退化过程。退化过程的实质就是土拱“被破坏形成再破坏”这一机制，土体在地震过程不断调整自身受力状态，从而导致土拱的几何形态发生变化。（2）初始状态的土拱在地震作用下，其破坏首先发生在拱中心轴线左右45范围内，如图11所示，而其他位置受影响较小。（3）地震作用下，土拱变化的路径与在静载作用下稍有不同。地震作用下，在土拱拱高较低时，变化路径沿着左侧或右侧斜上方5080的方向发展，发展到一定程度后跨中土体脱落，随后变化路径为垂直向上。（4）地震波在土体中传播时会出现“放大效应”，含水率/%埋深首次加载 二次加载 三次加载 四次加载22.5D23D2.5D2.51.5D2.52D2.52.5D2.53D30.5D3D31.5D32D32.5D33D3.50.5D3.5D3.51.5D3.52D3.52.5D3.53D43FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期（a）埋深1.5D（b）埋深2D（c）埋深2.5D图10含水率2.5%下不同埋深土拱形态变化而土拱被破坏导致拱高增加，这就导致土拱的前一次破坏加速了下一次破坏，如图12所示，在地震作用下，拱高随着地震施加次数的增加而迅速增加，且增加速度越来越快，直至最后破坏。图11土拱的破坏面图12地震作用下拱高的变化（5）地震作用下，土拱的跨度随着震动的施加缓慢变大，但变化幅度远小于拱高的变化。3.2.2地震作用下埋深对土拱形态的影响图13展示了相同含水率下不同埋深的土拱在相同地震荷载条件下的几何形态对比。观察分析可知：（1）在砂土含水率一定的情况下，埋深小于1.5D的土拱，其抗震稳定性随着埋深的增加而增加；埋深在1.5D2.5D范围内的土拱，其抗震稳定性随埋深增加变化不大；埋深超过2.5D的土拱，其抗震稳定性随埋深增加反而下降；（2）地震作用下，埋深1.5D和2.5D是对土拱几何尺寸影响较为明显的临界点。3.2.3地震作用下含水率对土拱形态的影响图14展示了相同埋深不同含水率的土拱在相同地震作用下的几何形态对比。观察分析可知：含水率在2.5%3.5%范围内时，在相同地震作用、相同埋深的条件下，拱高随含水率的增加而降低，更加接近初始拱高，即地震作用对土拱拱高的影响随含水率的增加而减小。（a）含水率均为2.5%（b）含水率均为3%（c）含水率均为3.5%图13埋深对土拱形态变化的影响桥隧工程44福建交通科技2023年第1期（a）埋深均为1.5D（b）埋深均为2D（c）埋深均为2.5D图14含水率对土拱形态变化的影响4结论4.1结论（1）在不施加地震荷载条件下，含水率2.5%3.5%及埋深3D以下时，模拟开挖完成后土拱形态基本保持不变，与初始形态相差不大，其稳定性较好；（2）地震作用导致土拱的退化，从而导致土拱的几何形态变大，即地震次数越多，土拱形态变化越大，稳定性越差；（3）含水率处于2.5%3.5%范围内时，在地震作用下，土拱的几何形态随含水率的增加而更加接近初始形态，因而其抗震稳定性随含水率增加而增加；（4）地震作用影响下，埋深对土拱的影响具有明显的分界点：当埋深小于1.5D时，土拱稳定性随埋深增加而增加；当埋深处于1.5D2.5D之间时，土拱稳定性随埋深增加却不发生明显变化；当埋深大于2.5D时，土拱拱高明显增大，土拱稳定性不增反降；（5）土拱被破坏的区域主要集中在中心轴线左右45范围内，其他部位受到影响较小，因此在地震多发区，可以通过对土拱的易破坏区进行适当支护的方法，减少初次地震对土拱的破坏，进而减少后续地震对土拱的影响，增加洞室的抗震稳定性和使用年限。4.2展望通过分析前人的成果以及本实验中的创新与不足，未来可能有以下研究方向：（1）本实验只对土拱宏观形态进行了研究，虽然可以直观反映土拱的稳定性以及相关因素对“土拱效应”的影响，但宏观土拱重现性差，且极容易受到外界扰动的影响，在进一步的实验中可以改进经典“活板门”实验中的活板形状，从精确定量的角度研究开挖面形状对“土拱效应”的影响；（2）本实验只观察了外侧的土拱形态变化，在进一步的实验中可以增加对中间部位的观察。参考文献1TERZAGHI K.Theoretical Soil mechanicsM.New York：JohnWiley&Sons，1943.2RUI R，VAN TOL A F，XIA Y Y，et al.Evolution of Soil Arch-ing：2D Analytical ModelsJ.International Journal of Geome-chanics，2018，18（6）：1-15.3RUI R，HAN J，VAN EEKELEN S J M，et al.Experimental In-vestigation of Soil-Arching Development in Unreinforced andGeosynthetic-Reinforced Pile-Supported Embankments J.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2018.4RUI R，ZHAI Y X，HAN J，et al.Deformations in trapdoortests and piled embankmentsJ.Geosynthetics