高陡边坡落石作用对隧道棚洞的动力响应及抗冲击研究

摘要

成兰铁路是目前国内铁路建设史上线路穿越地质条件最为复杂的铁路，其穿越龙门山区和岷江上游的高山深谷区，沿线地形海拔高差达4000m，越岭段隧道比例占90％以上。其间遭遇落石灾害的挑战非常严峻。
　　本文以此为背景，首先对典型的6座隧道洞口进行了调研，获取了这些洞口仰坡和落石的数据，计算得到了落石的冲击速度和影响范围。然后，在现场调研的基础上，利用动力有限元软件LS-DYNA对框架棚洞遭受落石冲击作用进行了模拟，主要包括:
　　1、框架棚洞在不同冲击能量下的动力响应;
　　2、轻质土相对于普通土的抗冲击性能研究;
　　3、框架棚洞的最优轻质土垫层厚度研究;
　　在做了以上的工作之后，本文从结构形式出发提出了拱形棚洞的概念，并根据现场情况设计了拱形棚洞。同样，首先利用有限元软件LS-DYNA计算其在落石冲击下的力学量，并与框架棚洞进行对比研究。在对比研究的基础上，得到了拱形棚洞具有更加抗冲击的特性之后，设计了棚洞遭受落石冲击的室内模型试验，考虑了不同的工况，重点对拱圈各部分应变、冲击力、位移进行了监测，分析得到了各物理量的规律。最后对模型进行了破坏形态的研究，观察棚洞遭受损伤最严重的区域，为该结构在实际工程中的使用提供更加可靠的建议。最后结合数值模拟和模型试验的结果，给出拱形棚洞用于工程实际的相关指导意见。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 落石运动特征的研究现状

1．2．2 落石风险评估的研究现状

1．2．3 落石冲击力的研究现状

1．2．4 落石防护的研究现状

1．3 本文的研究目的、内容、路线

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．2 研究路线

第2章 隧道洞口坡面落石的现场调研与分析

2．1 概况

2．2 初步风险评估

2．3 现场调研及分析

2．3．1 落石尺寸调研

2．3．2 洞口调研与分析

第3章 框架棚洞结构动力响应及抗冲击研究

3．1 材料力学模型

3．1．1 材料力学参数

3．1．2 连续盖帽模型介绍

3．2 冲击能量

3．3 有限元模型

3．4 动力响应计算结果及分析

3．4．1 冲击深度与冲击力分析

3．4．2 损伤分析

3．4．3 钢筋应力分析

3．4．4 横梁与盖板的位移分析

3．5 抗冲击研究

3．5．1 有限元模型与材料力学参数

3．5．2 冲击力与冲击深度对比

3．5．3 混凝土损伤对比

3．5．4 钢筋受力对比

3．5．5 位移对比

3．6 轻质土最优厚度研究

3．6．1 冲击深度与冲击力分析

3．6．2 混凝土损伤分析

3．6．3 钢筋应力分析

3．6．4 位移分析

3．7 本章小结

第4章 拱形、框架棚洞数值模拟对比研究

4．1 有限元模型与材料物理参数

4．2 冲击力与冲击深度

4．3 混凝土主应力、损伤分析

4．4 钢筋应力分析

4．5 位移分析

4．6 本章小结

第5章 棚洞模型试验研究

5．1 拱形棚洞试验结果分析

5．1．1 拱圈应变分析

5．1．2 立柱和钢筋应变分析

5．1．3 位移分析

5．1．4 冲击力分析

5．1．5 破坏形态

5．1．6 小结

5．2 框架棚洞试验结果分析

5．2．1 冲击力分析

5．2．2 应变分析

5．2．3 破坏形态分析

5．2．4 小结

5．3 对比分析

5．3．1 拱形、框架棚洞模型试验对比分析

5．3．2 棚洞研究结果分析与结论

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研情况