某地区地铁隧道顶部空洞对隧道动力特性影响的研究

摘要

现如今，我国经济快速发展，城市人口密集、交通堵塞，越来越多的地铁投入到运营之中。隧道病害逐渐受到关注，规范要求隧道的衬砌与围岩应紧密结合，但很多隧道衬砌背后存在空洞，这严重影响了隧道在地震作用下的稳定性，顶部空洞危害尤为严重。由于空洞具有隐蔽性，很难被发现，也很难处置，隧道顶部空洞对隧道动力特性影响的试验研究具有很高的研究价值。 本文先详细分析了振动台模型试验结果，再运用ABAQUS软件做数值模拟，最后比较一下两者所得出的结论与吻合程度。对隧道顶部存在空洞时，不同的地震强度、相同强度不同地震波等方面对隧道结构的加速度时程、结构的应变等其他频谱特性的变化规律进行了研究，得出以下主要结论： （1）隧道衬砌结构在出现空洞的情况下，顶部空洞对震害有明显的放大效应，即空洞处衬砌结构的加速度、应力及应变都会显著增大，故空洞处衬砌更易破坏，顶部空洞加大了震害。 （2）隧道顶部空洞会使地震响应的持续时间增长、峰值出现的时间提早。隧道空洞的出现会放大并延长地震的作用，增加了隧道破坏的可能性。 （3）隧道顶部空洞对拱腰处的加速度响应及应变也有一定的放大效应，在强震作用下，有空洞时隧道衬砌拱腰位置更易发生破坏。 （4）不同地震波对隧道加速度、应力及应变响应的影响规律有细微差别，这与实际地震波的波长和工程所在地土质等因素有关。这提醒我们在实际工程抗震设防时，要根据当地实际可能发生的地震、工程场地条件、当地抗震设防等级等其他因素综合考虑工程抗震设防措施。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章 运营隧道产生空洞的原因及空洞的破坏形式

2.1 初期衬砌空洞的成因

2.1.1 超挖严重，回填不密实

2.1.2 施工工艺控制不严

2.2 二次衬砌背后产生空洞的主要原因

2.2.1 喷射混凝土厚度不足

2.2.2 防水卷材不密贴

2.2.3 拱顶集气、模板下沉等

2.2.4 混凝土质量控制不当

2.2.5 低端回填注浆

2.3 隧道衬砌背后空洞的破坏形式

2.3.1 降低围岩自承能力

2.3.2 降低衬砌承载能力

2.3.3 导致其它病害

2.4 本章小结

第三章 振动台模型试验

3.1 振动台模型试验目的

3.2 模型相似配比

3.3 模型设计

3.3.1 模型箱的设计要求

3.3.2 模型箱的边界处理

3.4 试验采集仪器及测点布置

3.4.1 试验采集仪器

3.4.2 试验测点布置

3.5 试验方法

3.5.1 测量仪器的安装

3.5.2 试验模型的浇筑

3.5.3 试验加载方案

3.6 本章小结

第四章 振动台模型试验及结果分析

4.1 模型试验过程

4.2 隧道结构加速度反应分析

4.2.1 顶部空洞处衬砌的动力响应

4.2.2 顶部空洞对围岩及拱腰加速度影响

4.2.3 不同强度地震波下隧道动力特性

4.2.4 不同地震波下隧道动力特性

4.2.5 不同深度隧道加速度的响应规律

4.3 隧道结构的应变反应

4.4 本章小结

第五章 试验模型有限元模拟

5.1 ABAQUS简介

5.2 土体本构模型

5.3 混凝土的本构关系

5.3.1 CDP模型应力-应变关系

5.3.2 损伤因子确定

5.4 ABAQUS显式计算方法

5.5 模型的建立及结果分析

5.5.1 建模的步骤

5.5.2 数值模拟应力应变结果分析

5.5.3 断面应力应变分析

5.5.4 数值模拟动力特性分析

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢