基于参数变异性的公路隧道可靠性研究.pdf
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1、0引言随着我国公路隧道建设进入快速发展阶段,隧道建设涉及的工程地质条件越来越复杂,围岩的参数变异性对隧道的可靠性影响越来越显著。近年来,针对隧道可靠性的研究较多,赵宇等1、李宇翔等2分析隧道可靠性并得出结论:隧道衬砌背后出现缺陷时,整个二衬安全系数会下降,并且容易引起隧道衬砌开裂,发生大偏心受压破坏;龚彦峰等3以复合式衬砌结构为研究对象,采用蒙特卡罗法对初期支护荷载效应进行统计和可靠度分析,通过与国内外相关规范的比较以及对材料性能的分析,得到隧道初期支护目标的可靠推荐值;张肃等4以数理统计方法为基础,结合响应面法、理想均匀设计方法、数值模拟方法,构建围岩和衬砌结构协同载荷的响应函数,提出一种软
2、岩隧洞围岩和衬砌结构协同承载的可靠性评价方法。关于围岩参数对隧道可靠性的影响研究,李中英等5研究冻融循环对隧道结构可靠性的影响,得出的结论是随着冻融循环次数的增加,隧道洞顶的压应力及隧道底部的拉应力逐渐增大,并且隧道发生鼓胀变形的可能性显著增大,隧道结构的可靠性逐渐下降;王景春等6研究复合影响模式下隧道可靠性的变化规律,研究表明,随着隧道使用寿命增长,隧道的可靠性逐渐降低,隧道顶部的可靠性比其他位置的可靠性低。关于参数变异性对隧道结构可靠性的影响,张欢7研究围岩衬砌参数的空间变异性,建立一种随机有限元分析模型,认为围岩等级是影响隧道可靠性的主要因素;孟建宇等8研究土体弹性模量的空间变异性对隧道
3、上方地表沉降的影响,研究表明,不管土体弹性模量空间变异性如何变化,地表沉降依然满足高斯分布的规律。目前,学者们对隧道可靠性的研究多集中在特定结构及固定参数下隧道可靠性的变化,对涉及围岩参数变异性的研究相对较少。因此,本文通过UDEC岩土工程软件建立计算模型,并采用蒙特卡洛计算方法验证模型的正确性,以围岩参数变异性为变量,研究隧道结构的可靠性,研究结果可为隧道设计中可靠度的确定提供理论参考。1模型建立与验证本文采用UDEC岩石工程软件建立计算模型(如图1所示),为减小边界效应对计算结果的影响,所建模型的宽度和高度均为50 m,模型的上边界为自由边界,没有施加约束,地面及两侧均施加法向平动约束,并
4、按照研究目标对围岩物理参数进行赋值。【作者简介】何城震,男,广西河池人,任职于广西路桥集团道桥分公司,工程师,研究方向:隧道施工。【引用本文】何城震.基于参数变异性的公路隧道可靠性研究 J.企业科技与发展,2023(10):73-76.基于参数变异性的公路隧道可靠性研究何城震(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)摘要:为明确隧道围岩参数变异性对隧道可靠性的影响规律,文章采用UDEC(Universal Distinct Element)岩土工程软件建立计算模型,系统地研究结构面摩擦角、结构面刚度比、围岩重度的变异性对隧道可靠性的影响,明确参数变异性对不同隧道直径及隧道支护力工况
5、下结构可靠性的影响。研究表明:当结构面摩擦角较小、参数波动范围较大时,隧道顶部的失效概率较大;反之,隧道顶部失效的概率较小;当结构面切向和法相刚度比超过0.4时,隧道顶部的失效概率随刚度比变化而发生的变化微弱,刚度比不会对隧道失效概率产生显著影响,此时影响隧道安全性的主要因素为岩体参数的波动范围;失效概率随参数波动范围增大先快速增大而后逐渐趋于稳定,当参数波动超过25 m时,考虑参数变异性的失效概率逐渐与不考虑参数变异性的情况相接近。研究结果可为确定隧道设计的可靠度提供理论参考。关键词:参数变异性;公路隧道;结构可靠性;UDEC软件中图分类号:U451.5文献标识码:A文章编号:1674-06
6、88(2023)10-0073-04企业技术实践何城震.基于参数变异性的公路隧道可靠性研究7350 m50 m图1计算模型图模型计算首先进行自重应力平衡,然后进行隧道开挖模拟,最后计算给定参数组合下隧道结构的失效概率,并与采用蒙特卡洛方法计算得到的结构失效概率进行验证。验证结果如图2所示,UDEC模型计算结果与理论计算结果能很好地吻合。图2模型计算结果与理论计算结果的比较2试验结果与分析2.1岩体参数的影响图3为不同结构面摩擦角工况下,隧道顶部失效概率的变化情况,由图3可知,随着结构面摩擦角的增大,结构面间的接触越来越牢固,隧道顶部的失效概率显著降低,随着参数波动范围从隧道顶部1 m 的范围增
7、大至隧道顶部50 m的位置,失效概率显著增大0.53.0倍,当结构面摩擦角较小且参数波动范围较大时,隧道顶部的失效概率较大;反之,当隧道结构面摩擦角较大且参数波动范围较小时,隧道顶部的失效概率较小。图4展示了围岩结构面摩擦角变异系数对隧道顶部失效概率的影响,参数波动范围在隧道顶部1 m以内时,隧道顶部的失效概率在30%40%;当参数波动范围增大至隧道顶部5 m以内时,隧道顶部失效概率为48%94%,说明结构面摩擦角的波动范围对隧道顶部的失效概率有显著影响,主要原因是随着参数波动范围的增大,隧道顶部岩体内薄弱点的数量也显著增加,在隧道开挖的过程中容易形成贯通的裂纹,导致隧道顶部发生垮塌,隧道顶部
8、的失效概率显著增大;当参数波动范围增大至隧道顶部10 m时,结构面摩擦角变异系数为0.3时,隧道顶部的失效概率达到100%,隧道顶部就会发生垮塌;当参数波动范围增大至隧道顶部50 m时,岩石中部变异系数为0.2时隧道顶部的失效概率就会达到100%。由此可见,当结构面摩擦角的波动范围过大时,会显著影响隧道开挖的安全性。在实际的工况中,结构面摩擦角在隧道顶部的波动范围较大,但传统的计算方法并没有考虑参数变异带来的影响,导致某些工程建设发生了隧道垮塌事故。失效概率p(%)结构面摩擦角()=1 m=5 m=10 m=50 m图3不同结构面摩擦角对失效概率的影响失效概率p(%)结构面摩擦角变异系数I=1
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