山岭隧道衬砌结构震害机理研究

摘要

隧道工程是交通系统的重要组成部分,按其埋深主要分为浅埋隧道和山岭隧道(深埋)。以往的经验认为山岭隧道不容易出现震害,因此相关的研究很少。2008年汶川8.0级特大地震造成了震中附近的多座公路隧道受损严重,震后修复十分困难。目前隧道衬砌结构震害机理成为学科发展的一个难点,严重制约了山岭隧道的抗震设计。本文以阐明山岭隧道二次衬砌在地震作用下的力学模式和震害机理为目标,采用理论分析、振动台地震模拟实验以及有限元地震反应分析等方法进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴通过实地调查,详细描绘了都江堰至映秀高速公路沿线山岭隧道的地震受损情况。统计结果显示,不良地质区间内无筋混凝土二次衬砌的震害比例最大。⑵用等效模拟法,探讨了衬砌拱顶背后存在空洞、地震波入射角度不同、地层条件突变的情况下隧道结构的受震机制。指出了在地震作用下,衬砌拱顶背后存在空洞易导致拱顶区域向上脱开并发生整体式坍塌。⑶以龙溪隧道为原型,用振动台地震模拟实验研究了山岭隧道浅埋段内二次衬砌的地震响应规律。模型试验再现了实际隧道的震害现象,地震输入的加速度峰值不同,衬砌关键部位的地震响应敏感程度亦不相同;试验验证了混凝土衬砌结构的极限压应变数值在450με左右。⑷对竖向地震作用下无筋混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌进行了振动台对比试验。试验验证了无筋混凝土二次衬砌在地震时容易形成立即崩塌的极限破坏模式。此外,本次试验首次证明了强烈的竖向地震作用是引发隧道衬砌的拱墙至拱脚外侧出现斜向开裂的主要原因。由此建议,位于软弱破碎地层内的衬砌应在其横断面内双向布设最小配筋率为0.2％的受弯钢筋以提高结构延性,为隧道抗震设计提供了依据。⑸用有限元法分析了山岭隧道纵向的地震响应。计算结果表明,在软硬地层交界处由地震引起隧道结构的纵向拉应力峰值远高于混凝土结构的极限抗拉强度,解释了隧道衬砌产生环向开裂的震害机理。

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第一章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 山岭隧道的震害实例

1.3 隧道震害的研究概述

1.4 本文的主要工作

第二章 都汶公路隧道震害调查

2.1 概述

2.2 都江堰至映秀段高速公路隧道震害

2.3 隧道震害总结

2.4 隧道震害影响因素分析

2.5 小结

第三章 山岭隧道地震响应的理论分析

3.1 衬砌背后空洞对隧道结构震害的影响

3.2 地震波入射方向对隧道震害的影响

3.3 地层条件突变对隧道震害的影响

3.4 小结

第四章 水平地震作用下隧道衬砌地震响应试验研究

4.1 试验目的

4.2 隧道模型设计与制作

4.3 试验方案与实施

4.4 试验结果分析

4.5 小结

第五章 竖向地震作用下山岭隧道二次衬砌动力响应试验研究

5.1 竖向地震作用下隧道抗震研究的重要性

5.2 无筋混凝土二次衬砌的稳定性探讨

5.3 竖向地震作用下无筋混凝土衬砌与钢筋混凝土衬砌振动台对比试验

5.4 小结

第六章 山岭隧道纵向地震响应分析

6.1 概述

6.2 分析方法

6.3 分析条件

6.4 地层模型的地震反应分析

6.5 隧道结构的地震反应分析

6.6 小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 抗震措施的提议

7.3 抗震验算的提议

7.4 工作展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢