富水黄土隧道隧底动力特性研究

摘要

为了解决高速列车振动荷载作用下隧底富水黄土可能出现的泥化、软化问题，本文以郑西铁路客运专线张茅富水黄土隧道为依托，结合现场施工情况，对富水黄土隧道施工阶段的防排水措施进行了研究。在此基础上，应用现场试验、数值计算和理论分析方法，对隧底可能出现的泥化和软化问题进行了系统而深入的开创性研究。具体工作包括：
　　 ⑴结合论文的研究课题背景，对国内外高速铁路、高速铁路隧道、大断面黄土隧道和激振试验的研究进展，进行了较为详细的介绍。
　　 ⑵针对张茅富水黄土隧道的施工方法，提出施工阶段“封闭、集中、保护、早强”的防排水措施，取得了良好效果，并在现场试验中得到了验证。
　　 ⑶借助自行研发的DTS-1型高速列车激振试验系统，首次在黄土隧道内进行现场激振试验，掌握了富水黄土隧道及围岩在高速列车动荷载作用下的动力特性和变形规律。总结如下：①加载面的动位移在激振频率为21Hz之前，随激振频率的加大增长速率较快，为非线性增长；在21Hz之后增长速率变缓，近似为线性变化。230万次激振后，加载面累积沉降不大于0.32mm。②垂直振动速度沿仰拱深度方向的传递和衰减规律为：仰拱内不明显的衰减、拱底混凝土与黄土交界区域一定范围内的突变和拱底黄土中的非线性快速衰减；结合波动理论，解释了突变发生的必然性和影响突变的因素。此外，还得到了垂直振动速度沿隧道截面横向和纵向的衰减规律。③当激振频率≤21Hz时，加载面振动速度随激振频率的提高变化不大且近似为线性增加，当激振频率>21Hz时，仰拱填充面振动速度随激振频率的增高呈快速非线性增长。加载面的最大振动速度为1.61mm/s。④通过现场激振试验，得出不同激振频率下动应力与激振时间的关系、同一激振频率下动应力与累计激振次数的关系、不同激振频率下动应力与深度变化的关系和同一激振频率下动应力与激振次数的关系，揭示了现场试验条件下，动应力具有对激振时间、激振频率均不敏感的特性。⑤通过现场激振试验，得出不同频率动荷载作用下，仰拱回填混凝土内应变与激振时间的关系，揭示了在现场试验条件下，动应变具有对激振频率不敏感的特性。⑥通过现场激振试验，得出不同激振频率下仰拱底部附近的黄土围岩中超静水压与激振时间的关系：发现超静水压基本不变，表明超静水压对激振频率不敏感：超静水压绝对最大值为0.1kPa，不能对拱底黄土产生软化作用。⑦隧底黄土在激振试验前后的性质基本没有改变，表明富水黄土没有泥化和软化，满足高速铁路隧道对地基的要求。
　　 ⑷利用计算机软件Plaxis2D动力模块，对激振试验进行了模拟，分析了4种频率下隧道-地基体系的动力响应；在此基础上，开展了三维动力有限元分析，得出激振沿隧道纵向的影响范围为加载面两侧各约18m。此外，结合实测值和理论关系，对数值分析结果的正确性进行了验证。
　　 ⑸在现场试验和数值分析的基础上，得出了动应力和振动速度沿深度的发展规律，提出了动应力的衰减表达式，从理论上对振动速度在仰拱和拱底黄土交界面附近的突变进行了解释。
　　 ⑹基于现场试验和数值分析结果，得出激振的影响深度为加载面以下约6m，即仰拱底部约3m处。
　　 ⑺现场试验和数值分析发现，仰拱内回填混凝土的应变最大值不超过3μ，表明回填混凝土的应力水平很低，因此仰拱回填材料可以优化；仰拱底面处的动应力和振动强度很小，仰拱厚度也可以考虑优化。
　　 ⑻以弹性动力学为基础，借助两相介质Biot动力学方程，研究了动荷载作用下隧道-地基体系的动力响应，得出了特殊情况下的解析解，提出了进一步研究的重要性和必要性。研究结果表明，在激振动荷载作用下，拱底富水黄土不会泥化和软化，隧道基础是稳定的；230万次激振完成后加载面累积沉降不大于0.32mm，张茅富水黄土隧道工后沉降能满足高速铁路安全运营要求。