公路隧道地震土压力研究及动力响应分析

摘要

随着隧道及地下结构的迅速的发展,地下工程的抗震性能如何越来越受到关注。保证隧道工程在地震时的功能正常,深具战略意义。本文以九瑞高速南阳一隧道为工程背景,采用室内文献资料、理论推导和数值模拟相结合的研究手段,对国内外隧道震害及其研究方法进行了归纳总结,对隧道动力响应过程、地震土压力计算方法以及分布规律进行了深入的研究和探讨。主要开展的工作和认识如下:
　　首先,对国内外有关隧道及地下结构的震害资料及研究方法进行了分类、整理和研究,并对国内外有关地下结构地震动土压力拟静计算方法进行归纳总结。
　　接着,在简要介绍动力有限元理论的基础上,利用ANSYS计算软件中的瞬态动力分析法系统研究隧道洞身在有无地震情况下的衬砌反应以及在不同地震烈度、不同地层条件、不同隧道埋深、不同衬砌厚度、不同衬砌类型条件下的动力响应的一般性规律。结果表明:从整体受力来看,隧道受到X向地震波的影响后,会使得拱顶剪力以及拱腰处的弯矩均增大很多,这些是抗震设计需要特别关注的地方;埋深越浅,遭受破坏的可能性就大一些;隧道动力反应随烈度的增大明显增大;地层地质条件较差的隧道衬砌地震动力响应明显要强于较好的;隧道上方溶洞的存在对隧道地震响应是加大的,隧道旁边溶洞的存在对地震响应的影响则更为复杂些,有加大处也有减弱处;衬砌厚度的变化,隧道各个部位的地震响应变化不一致;施作仰拱对隧道抗震有着积极的作用。
　　然后,通过改变隧道衬砌混凝土厚度进行动力响应分析,尝试得出不同条件下抗震的优化衬砌厚度。结果表明:现行规范建议的衬砌厚度满足抗震设计需要,且有较大的富余,隧道控制抗震设计的指标主要是剪应力,控制抗震设计的部位,有仰拱隧道为拱脚而无仰拱隧道为拱腰。
　　最后,在对地震动土压力拟静法分析的基础上,基于隧道设计规范静土压力假设前提下推导了地震动土压力计算公式,并利用数值模拟验证其合理性及适应性。结果表明:本文推导的公式与其它拟静力法的均值很接近,且计算所得的隧道旁动土压力合力与动力分析结果接近;但拟静力法分析出来的动土压力分布规律与动力分析结果迥然不同,计算所得的隧道结构内力值在不同部位偏差情况也不一样。在实际工程中宜同时采用两种计算方法进行隧道衬砌结构的地震验算。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外隧道及地下结构抗震研究现状

1.3 国内外隧道及地下结构地震动土压力研究现状

1.4 主要研究内容及创新点

第2章 动力有限元在ANSYS中的实现

2.1 动力有限元分析基本理论

2.2 ANSYS在结构动力分析中的应用

2.3 隧道—围岩相互作用ANSYS有限元模型的建立

2.4 本章小结

第3章 隧道地震动力响应分析

3.1工程背景

3.2计算模型

3.3 动力响应结果分析方法

3.4 有无地震作用下的衬砌结构内力

3.5 不同埋深情况下的地震响应

3.6 不同强度地震波作用下的地震响应

3.7 不同地层围岩类别条件下的地震响应

3.8 特殊地质条件下的地震响应

3.9 不同衬砌厚度的地震响应

3.10 仰拱对隧道结构抗震性能的影响

3.11 本章小结

第4章 浅埋隧道衬砌的抗震厚度优化

4.1 正应力控制的衬砌抗震厚度优化

4.2 剪应力控制的衬砌抗震厚度优化

4.3 本章小结

第5章 浅埋隧道围岩地震土压力分析

5.1 基于浅埋隧道静土压力计算假设基础上地震土压力计算公式的推导

5.2 拟静力法计算地震动土压力的对比分析

5.3 隧道地震动土压力规律分析

5.4 利用地震土压力计算衬砌结构内力

5.5 本章小结

第6章 结论与建议

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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