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浅埋软岩隧道地震响应特性及垮塌分析

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摘要

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1交通运输基础设施大力发展

1.1.2我国地震分布

1.1.3现行隧道规范和建设现状

1.2国内外研究现状

1.2.1地震观测

1.2.2试验研究

1.2.3理论分析

1.2.4数值模拟

1.3研究趋势

1.4主要研究内容及思路

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

1.4.3研究思路

1.5创新之处

第二章隧道震害分析

2.1震害实例

2.2震害类型

2.3震害影响因素

2.3.1埋深

2.3.2围岩等级

2.3.3地震烈度

2.3.4衬砌结构形式

2.4浅埋软岩隧道抗震设计优化

2.5小结

第三章浅埋软岩隧道地震响应振动台模型试验

3.1隧道参数

3.2模型相似比

3.3模型箱设计

3.3.1模型箱结构形式选取

3.3.2模型箱尺寸及边界条件

3.4模型材料

3.4.1地层模型材料配比

3.4.2衬砌模型材料选材与设计

3.5测试方案

3.5.1量测信息与量测仪器

3.6.2测点布置

3.6试验模型制作

3.7地震波选取与试验加载方案

3.8试验数据结果分析

3.8.1频谱特性

3.8.2围岩加速度分布

3.8.3衬砌受力规律

3.8.4围岩内部水平位移变化

3.8.5隧道震动垮塌分布

3.9小结

第四章基于极限平衡原理浅埋软岩隧道动力垮塌分析

4.1隧道动力垮塌分析方法

4.1.1极限分析法

4.1.2滑移线法

4.1.3极限平衡法

4.2浅埋隧道动力垮塌滑动面研究

4.2.1浅埋隧道计算模型

4.2.2浅埋隧道动力垮塌分析

4.3浅埋隧道动力垮塌影响参数分析

4.3.1隧道半径

4.3.2隧道埋深

4.3.3围岩粘聚力

4.3.4围岩内摩擦角

4.3.5衬砌结构支护力

4.3.6地表荷载

4.3.7地表加速度放大系数

4.3.8浅埋软岩隧道震动垮塌比较

4.4浅埋隧道破裂角分析

4.4.1规范中破裂角求解

4.4.2破裂角动力垮塌计算

4.5小结

第五章浅埋软岩隧道动力特性数值分析

5.1有限元软件MIDAS/GTS简介

5.2计算模型及力学参数

5.2.1计算模型

5.2.2力学参数

5.3划分网格及边界条件

5.3.1网格划分

5.3.2边界条件施加

5.4阻尼及地震波

5.4.1阻尼比

5.4.2地震波选取

5.5计算求解

5.5.1加速度特征

5.5.2围岩变形规律

5.5.3衬砌内力分布

5.6隧道震动响应不同参数分析

5.6.1不同隧道埋深

5.6.2不同围岩条件

5.6.3不同衬砌刚度

5.7浅埋软岩隧道动力响应比较

5.7.1围岩加速度

5.7.2围岩水平位移

5.7.3衬砌内力

5.8小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

作者简历

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摘要

近年来,随着“一带一路”战略逐步开展,我国加大了对交通领域工程建设的投资,浅埋隧道也普遍出现在实际工程中。由于我国地震活动十分频繁,这对隧道的安全运营带来了极大的威胁,大量的隧道震害表明:浅埋软岩段是隧道受地震影响最显著和最容易失稳垮塌的区域之一。为了得到浅埋软岩隧道在小震作用下的地震响应和大震后的震动垮塌特征,论文以Ⅴ级围岩条件下的浅埋隧道为研究对象,通过振动台模型试验、理论计算和数值模拟展开研究,主要结论如下:
  (1)模型试验结果表明围岩加速度随到地表距离的减小而增加,地表加速度相比拱顶加速度约放大63%,相同高度平面内靠近隧道的围岩振动具有一定的加强。隧道拱项围岩处的水平位移是拱腰围岩处的1.23倍,围岩位移随着远离隧道而逐渐减小,随着震动次数和烈度的增加而不断增加。隧道拱顶上方垮塌形状近似漏斗,震动引起隧道拱肩和拱脚附近的轴力和弯矩变化最大,且拱腰和拱脚附近的裂缝分布最多,应加强拱腰和拱脚的抗减震设计,提高衬砌结构的抗震性能;
  (2)基于极限平衡原理的计算结果表明隧道半径、隧道埋深、围岩粘聚力和内摩擦角对浅埋隧道动力垮塌滑动面的分布有明显影响,其中隧道半径和围岩粘聚力是影响浅埋隧道稳定性的两个重要因素,减小隧道半径和增强围岩凝聚力是提高浅埋隧道稳定性的两个有效途径;
  (3)数值计算显示围岩加速度在竖向上越接近地表值越大,在横向上随远离隧道而减小,地表加速度大约是拱顶加速度的1.5倍,横向20m处加速度只有拱顶加速度的90%,但整体随埋深的减小而增大。围岩土体在地震作用下有明显的相对位移产生,其值随地层高度的增高而增大,随埋深的减小而减小,随围岩等级的降低而增大。地震改变了衬砌结构的初始受力状态,地震作用下衬砌在拱肩和拱脚附近的内力最为明显,内力随围岩条件的改善而减小,随衬砌刚度的过度提高而增大;
  (4)浅埋软岩隧道在模型试验和数值模拟中的动力响应特征大体相符,证明了模型试验开展的合理性。模型试验振动后的围岩塌陷区破裂面与理论计算中的围岩垮塌滑动面比较吻合,验证了基于极限平衡原理的理论计算可应用于浅埋软岩隧道动力垮塌分析。

著录项

  • 作者

    罗茹月;

  • 作者单位

    四川农业大学;

  • 授予单位 四川农业大学;
  • 学科 建筑与土木工程
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 郭子红,将志军;
  • 年度 2018
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 U457.5;
  • 关键词

    浅埋软岩隧道; 震动垮塌; 地震响应;

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