隧道地震响应模型实验方法与装置研究

摘要

本文通过对隧道地震响应模型实验方法的研究现状进行系统分析，评述了现行三种模型箱的缺点与不足，提出新型实验模型箱的研发理念，并给出动静耦合模型箱的设计。将模型箱进行振动台动力实验，验证模型箱的有效性，分析改模型箱动力实验条件下衬砌的震动响应。接下来进行了模型箱的拟静力法实验，通过静力加载，分析并总结衬砌响应结果。最后，通过动力实验和拟静力法实验结果的对比，提出拟静力法可以分步骤演变动力实验过程，便于观察研究，且是一种结果偏于安全的实验方法，通过衬砌应力应变及受力响应的分析，认为拟静力法实验可以一定程度替代动力实验，拓宽了该动静耦合模型箱的实验方式，也拓宽了隧道地震响应模型实验的研究方法。通过研究，基本结论如下:
　　1.新型动静耦合模型实验箱可以同时满足衬砌于土层中的动力边界条件和静力边界条件，可以模拟不同围岩条件和不同埋深下的隧道地震响应。
　　2.地震作用下，剪切波的作用会使结构产生椭圆变形。隧道结构会产生拉、压轴力和正、反向弯矩的循环作用，且当隧道结构应力分布是对称时，隧道结构在地震作用下的内力分布是反对称的。
　　3.地震峰值加速度越大，则衬砌响应越强烈，变形及受力越大。
　　4.增加隧道埋深，地震引起的附加弯矩总体呈增大趋势。
　　5.隧道结构地震中受力存在最不利埋深情况，超过该值，虽埋深继续增大，但地震作用引起的附加内力在总内力中所占的比例逐渐减小，因此结构将更偏于安全。
　　6.地震引起的弯矩关于结构竖向对称轴呈反对称分布，衬砌共轭45。方向区域范围受力最大，而隧道拱顶、边墙和仰拱的“十”字区域受力则较小。且仰拱受力大于拱顶受力。
　　7.拟静力法实验结果中，隧道结构产生相同形式的变形规律和受力状态。拟静力法实验结果相比于同位移下的动力实验，是偏于安全的，隧道衬砌各点弯矩是动力实验条件下的1.3～1.7倍。
　　8.拟静力法实验可以将动力实验分步骤的演变出来，在一定程度上可以取代动力实验，这拓展了动静耦合模型箱的适用范围。为隧道地震响应提供新的思路和新的实验方法。
　　本文在展开了隧道模型实验装置的发明和新型实验方法的探究，分析了新型动静耦合模型实验箱的有效性和拟静力法实验的优越性，得出了一定的有益结论，但这其中还存在着一些不足，可以在以后深入的研究工作中得以改进和优化，具体为以下几点:
　　1.因为实验条件受限，故当前实验模型箱体的体量较小，导致衬砌周边围岩范围偏小，部分静力边界条件和动力边界条件可能存在一定的失真，接下来的工作中加大模型箱体积，将边界影响控制到最小，以取得更好的实验模拟效果。
　　2.本文的实验为定性研究新型装置和新型实验方法，但从定量的角度来分析还不够具体和明显，还可以进行更为深入的研究。如采用相似比实验，输入实际地震波，与实际情况的围岩及衬砌材料的地震响应进行详细的对比探究。
　　3.实验过程中的数据采集不够充分，数据种类和数据量有待提高，围岩压力、多点位的动态时程监测、不同埋深下的加速度感应监测等应该得到补充完善。
　　4.可以将增加围岩压力方式换位气囊形式，通过大量的实验工况，确定相应埋深对应的气囊充气状态，从而补充并完善了该新型模型实验箱的应用范围。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 选题意义

1．3 震害实例

1．4 研究现状

1．4．1 震害研究现状

1．4．2 模型实验方法研究现状

1．4．3 模型实验装置研究现状

1．5 论文研究内容和思路

1．5．1 论文研究内容

1．5．2 论文研究思路

第2章 隧道结构地震响应与分析

2．1 隧道结构地震响应形式

2．2 隧道结构震害

2．2．1 隧道结构震害分类

2．2．2 隧道结构震害机理

第3章 模型实验箱的研制

3．1 现有模型箱

3．1．1 刚性模型箱

3．1．2 柔性模型箱

3．1．3 层状剪切模型箱

3．2 现有模型箱的不足

3．2．1 刚性模型箱

3．2．2 柔性模型箱

3．2．3 层状剪切模型箱

3 模型箱设计原则

3．3．1 静力效应

3．3．2 动力效应

3．3．3 边界效应

3．4 模型箱设计原则

3．5 新型模型箱

3．6 本章小结

第4章 动力实验

4．1 实验概况

4．1．1 实验设备

4．1．2 实验材料

4．1．3 监测方案

4．2 实验设计

4．2．1 实验工况

4．2．2 实验步骤

4．3 实验结果及分析

4．3．1 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ断面对比

4．3．2 实验结果

4．3．3 实验分析

4．4 本章小结

第5章 拟静力法实验

5．1 实验概况

5．1．1 实验设备

5．1．2 实验材料

5．1．3 监测方案

5．2 实验方法

5．2．1 实验工况

5．2．2 实验步骤

5．3 实验结果及分析

5．3．1 位移监测结果及分析

5．3．2 拉力监测结果及分析

5．3．3 应变监测结果及分析

5．3．4 受力分析

5．4 本章小结

第6章 动力实验与拟静力法实验对比

6．1 工况对比

6．2 应力应变对比

6．3 弯矩对比

6．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间参加的科研项目