浅埋偏压小净距隧道地震动力响应规律与减震措施研究

摘要

小净距隧道是介于普通分离式隧道与连拱隧道的一种新型隧道结构形式，在一定程度上能够较好地满足特殊的地质地形条件和线路走向控制的要求，有利于公路整体线形规划和优化，具有显著的经济、社会和环境效应。在隧道工程的建设中通常受地质构造、环境条件及工程成本等客观条件限制，不可避免的会出现浅埋偏压的情况。近些年，全球发生了多起震害，对地下工程造成了较大的损坏，隧道抗震逐渐得到人们的重视。目前，现有文献中对于小净距隧道抗震研究尚且不足且不够深入。因此，研究浅埋偏压小净距隧道的加速度与应变响应规律和傅氏谱与主频率变化规律，并提出有效的减震措施，对拟建该类型隧道选址、设计、施工具有重要的现实意义。 依托国家自然科学基金项目“含地下洞室（群）岩石边坡地震灾变行为与抗震性能评价”（编号:51204215），设计并开展了一系列浅埋偏压小净距隧道的大型振动台试验。采用MIDAS-NX有限元软件建立了浅埋偏压小净距隧道的三维数值模型，并通过振动台试验结果验证了三维数值模型计算结果的可靠性，进一步开展了不同边坡倾角、不同净距、不同加载方式、不同围岩类型下的隧道衬砌剪力响应与隧道减震措施研究。 主要研究内容与结论如下: (1)浅埋偏压小净距隧道振动台试验研究。在地震波加载的水平方向上，隧道左半拱加速度响应较为强烈。竖直方向上，主要是拱顶与拱脚处响应较强烈。相对于水平方向，竖直方向上的隧道加速度响应较为剧烈。隧道测点加速度响应变化趋势受上覆岩层的厚度、中岩柱及岩质边坡等因素影响。拉应变受加载波的类型影响较小，而受加载波加速度激振峰值影响较明显，拉应变随着加速度激振峰值增大而增大。一般在拱脚及拱顶处拉应变较大，衬砌测点的拉应变大于压应变。锚杆应变响应峰值随着加载波峰值的增大而增大，锚杆残余应变具有同样的响应规律。 (2)浅埋偏压小净距隧道三维数值模拟研究。不同边坡倾角工况下，隧道剪力的变化趋势相似，剪力大小有区别。随着边坡倾角的增大，左洞的两个拱肩之间的剪力大小差异逐渐变大，而右洞的两个拱肩的剪力之间大小差异逐渐减小。既有边坡对隧道的动力响应影响较大，且不同倾角工况下，影响的程度不同。在拱肩与拱脚处的剪力响应较大，而在拱顶处的剪力响应较小。在1.5D与2.0D工况下隧道横断面的剪力响应较强烈，而1.0D与3.0D响应相对较弱。隧道横断面剪力响应值的大小受加载波的峰值影响，随着加载峰值越大，剪力响应越大，基本呈现出线性变化。在30度边坡条件下，小净距隧道横断面剪力呈现出非线性的变化趋势。不同的加载方式对小净距隧道剪力响应有很大的影响，且同种加载方式下，不同加载方向同样对剪力响应有较大的影响作用。最大剪力发生在隧道拱肩与拱脚处。 (3)浅埋偏压小净距隧道减震措施研究。减震层能够很好的吸收地震波的能量，减少地震对隧道的破坏，能够降低隧道轴力的大小。通过比较不同厚度的减震层，可以得到10cm左右厚的减震层的减震效果最好。在隧道连接处设置抗震缝装置能够有效降低隧道所受的轴力、剪力、最大主应力及最小主应力，得知抗震缝是良好的减震措施。采取减震措施比无减震措施情况下隧道受到的内力要小。减震效果由大到小为:减震层+抗震缝＞减震层＞抗震缝。不同的减震措施能够改变隧道轴力的变化趋势，不同减震措施对应不同的轴力变化趋势。当减震层+抗震缝共同作用下，主要体现出减震层的减震特性。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 选题背景及意义

1．2 典型地下结构震害实例

1．3 地下结构抗震研究历程

1．4 地下结构研究方法

1．4．1 原型观测

1．4．2 理论分析

1．4．3 模型试验

1．4．4 数值模拟

1．5 主要研究内容

1．6 技术路线

2 浅埋偏压小净距隧道振动台试验设计

2．1 振动台试验概述

2．2 浅埋偏压小净距隧道的判定

2．2．1 浅埋隧道的判定

2．2．2 偏压隧道的判定

2．2．3 小净距隧道的判定

2．3 模型试验相似理论

2．3．1 相似理论

2．3．2 模型相似关系设计

2．3．3 模型相似常数

2．4 试验设备与测试元件

2．4．1 振动台系统

2．4．2 传感器与测点的布置

2．5 试验模型设计与制作

2．5．1 模型箱设计

2．5．2 模型箱边界处理

2．5．3 隧道物理模型制作

2．6 地震波的选取及加载方案

2．6．1 地震波选取

2．6．2 振动台试验加载方案

2．7 本章小结

3 浅埋偏压小净距隧道振动台试验结果分析

3．1 浅埋偏压小净距隧道衬砌加速度动力响应

3．1．1 隧道衬砌水平加速度响应规律

3．1．2 隧道衬砌竖直加速度响应规律

3．2 浅埋偏压小净距隧道衬砌动应变响应

3．2．1 隧道衬砌拉应变响应规律

3．2．2 隧道衬砌压应变响应规律

3．3 浅埋偏压小净距隧道锚杆动应变响应

3．3．1 不同激振峰值作用下锚杆动应变响应规律

3．3．2 不同测点锚杆动应变响应规律

3．4 傅氏谱与主频率分析

3．4．1 测点傅氏谱分析

3．4．2 主频率分析

3．5 本章小结

4 地下结构动力有限元分析理论

4．1 MDAS-NX简介

4．2 动力分析理论

4．2．1 特征值分析

4．2．2 阻尼

4．2．3 时程分析

4．3 MIDAS-NX分析计算流程

4．4 本章小结

5 浅埋偏压小净距隧道参数敏感度研究

5．1 振动台试验与数值模拟相互对比验证

5．2 不同边坡倾角下隧道衬砌剪力分析

5．3 不同净距下隧道衬砌剪力分析

5．4 不同加载方式下隧道衬砌剪力分析

5．5 不同围岩类型下隧道衬砌剪力分析

5．6 本章小结

6 浅埋偏压小净距隧道减震措施研究

6．1 隧道减震方法与措施

6．2 减震层减震效果分析

6．3 抗震缝减震效果分析

6．4 减震层+抗震缝减震效果分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录

致谢