基于大型振动台试验的偏压隧道地震动力响应规律研究

摘要

我国西部地区地形条件复杂且多以山地、高原为主，随着西部大开发战略的持续推进，隧道作为一种重要的交通构筑物形式，广泛运用于铁路和山区公路工程。因地形、地质和环境因素等限制，不可避免的出现偏压隧道。近年来西部地区地震频发，每次高烈度地震都对交通设施造成严重破坏。如2008年的汶川大地震造成许多公路隧道受损破坏，其中就包括不少偏压隧道，隧道受损破坏后难以修复，从而造成重大经济损失。因此，研究偏压隧道地震动力响应规律具有重要的现实意义，并能够对偏压隧道的抗震设计提供有价值的参考。论文依托于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:51204125），展开偏压隧道大型振动台模型试验，研究其地震作用下的动力响应规律。采用MIDAS/NX有限元软件进行数值模拟，并与模型试验结果进行对比分析。研究内容主要包括:
　　(1)振动台模型试验设计方案
　　基于相似理论设计并完成了相似比为1∶10的偏压隧道大型振动台试验。介绍了模型试验相似关系设计原则，确定主要物理量的相似常数。确定模型相似材料以及测点布置方案。将大瑞波、汶川波和Kobe波三种地震波作为输入波，并制定了试验加载方案。
　　(2)偏压隧道地震动力响应规律分析
　　根据振动台模型试验数据，研究了偏压隧道衬砌加速度、动应变和围岩压力分别在不同地震波类型、激振强度和加载方式条件下地震动力响应的变化规律。定义了加速度放大系数，分析衬砌水平和竖向加速度动力响应规律。研究结果揭示了水平和竖向加速度地震动力响应规律的差异性。并表明偏压隧道动力响应与地震波类型、幅值以及测点位置有关。地震中偏压侧衬砌主要受拉，而非偏压侧则承受拉-压应力且数值上远大于偏压侧，两者受力的不均匀性是其容易产生损坏的主要原因。水平地震波激振时产生地围岩动压力大于竖向地震波，且双向激振时的围岩动压力并不是水平和竖向简单的叠加。
　　(3)偏压隧道动力响应数值模拟
　　偏压隧道模型按三维问题处理，以输入不同激振幅值的汶川波（XZ双向）为例，采用MIDAS/NX有限元软件模拟，将偏压隧道数值模拟结果与模型试验比较分析，结果表明两者在变化趋势和数值上拟合程度较高，说明数值模拟和试验结果是合理的。在此基础上，用数值模拟分析偏压隧道在地震作用下的内力分布情况。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 地下结构抗震分析国内外研究现状

1．2．1 地下结构震害及影响因素

1．2．2 地下结构抗震研究历程与分析方法

1．2．3 偏压隧道地震动力特性研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 论文组织结构

2 偏压隧道大型振动台模型试验设计

2．1 研究方法、目的和内容

2．1．1 研究方法

2．1．2 研究目的

2．1．3 研究内容

2．2 模型试验相似理论

2．2．1 相似理论

2．2．2 模型相似关系设计原则

2．2．3 模型相似常数

2．3 振动台试验设备与测试元件

2．3．1 振动台系统和数据采集仪

2．3．2 传感器与测点的布置

2．4 偏压隧道模型设计与制作

2．4．1 模型箱结构设计与边界处理

2．4．2 偏压隧道判断与模型制作

2．5 地震波的选择及加载方案

2．5．1 地震波的选取和输入方式

2．5．2 试验加载方案

2．6 本章小结

3 偏压隧道大型振动台试验结果分析

3．1 偏压隧道加速度地震动力响应

3．1．1 加载方式对加速度动力响应规律的影响

3．1．2 激振强度对加速度动力响应规律的影响

3．1．3 地震波类型对加速度动力响应规律的影响

3．2 偏压隧道动应变地震动力响应

3．2．1 加载方式对应变动力响应规律的影响

3．2．2 地震波类型对应变动力响应规律的影响

3．2．3 激振强度对应变动力响应规律的影响

3．3 偏压隧道围岩压力地震动力响应

3．3．1 加载方式和激振强度对围岩压力动力响应规律的影响

3．3．2 地震波类型和激振强度对围岩压力动力响应规律的影响

3．4 本章小结

4 偏压隧道地震动力响应规律数值模拟分析

4．1 偏压隧道数值模型建模

4．2 偏压隧道数值模拟与试验结果对比分析

4．3 偏压隧道衬砌内力地震动力响应分析

4．3．1 地震作用下衬砌轴力动力响应分析

4．3．2 地震作用下衬砌弯矩动力响应分析

4．3．3 地震作用下衬砌剪力动力响应分析

4．3．4 地震作用下衬砌围岩塑性应变分布

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 试验主要工作与结论

5．2 工作展望

参考文献

附录表A(攻读学位期间取得的学术成果)

致谢