软弱破碎地层隧道半椭球体松散荷载计算方法

为有效控制隧道围岩压力,优化隧道支护结构,研究了软弱破碎地层作用在隧道衬砌结构上的松散荷载;根据相关文献中砂性地层隧道周边围岩松动变形试验,采用半椭球体拟合了地层松动范围,提出了软弱破碎地层半椭球体松散荷载模型,给出了松散荷载随隧道收敛变形的计算表达式,分析了松散荷载的分布特征及其随隧道收敛变形的变化特征;为提高松散荷载计算效率,将半椭球体松动边界离散为多个线段,提出了松散荷载离散求和的数值计算流程;为进一步增强计算模型的工程实用性,采用二次多项式拟合松散荷载,得到了松散荷载随隧道收敛变形的简化计算方法。研究结果表明:提出的半椭球体模型可较为准确地描述隧道所受的松散荷载及其随隧道收敛变形的动态变化特征,由于滑动面上摩阻力的作用,松动区范围内的地层竖向应力小于地层初始自重应力,松动区荷载通过滑动面上的摩阻力向周边地层转移,松动区土拱效应显著;随着隧道收敛变形的增加,隧道周边地层松动范围增大,松散椭球体受周边地层的约束作用减弱,地层土拱效应减弱;地层内摩擦角和椭球体偏心率对松散荷载的计算结果影响较大,需根据地质条件测试确定;将半椭圆曲线分为3段时,离散求和的数值计算结果与解析解的相对误差约为3.9%,具有较好的一致性。