动、静载作用下衬砌背后空洞对隧道结构安全性的影响

摘要

随着我国隧道工程大规模建设，隧道病害问题也日益加剧，其中隧道衬砌结构背后存在空洞是隧道较为常见的病害。衬砌背后空洞的出现会导致衬砌结构内力和周边围岩应力的明显改变，威胁隧道的正常运营。因此，开展隧道衬砌背后空洞病害对于隧道结构安全性的研究是十分必要的。本文运用理论分析和数值模拟，对衬砌背后存在空洞的隧道结构分别在静载和动载作用下的响应进行了分析研究，进而通过计算隧道结构的安全系数研究空洞病害对隧道结构安全性的影响，主要的工作和研究成果如下:
　　(1)综合现有国内外对于衬砌背后空洞病害的研究现状，总结隧道空洞产生的原因，其原因主要可以分为施工因素、设计因素和运营因素三方面。同时，分析现有隧道震害研究成果，确定本文动力问题研究的边界条件和本构模型。
　　(2)对静载作用下衬砌背后存在空洞的情况进行了数值模拟计算，调取隧道结构各典型位置的计算数据，对比无空洞模型的计算结果，分析了不同大小和位置的空洞对于隧道结构衬砌内力、安全系数以及周边围岩应力、应变的一系列影响。经分析可知，空洞因素对于衬砌结构安全性的影响主要集中在空洞范围附近，该范围内衬砌结构内力发生突变，结构承载力和结构安全系数明显下降，同时空洞范围内的周边围岩产生新的塑性区，对结构安全性极为不利。
　　(3)在静载计算结果的基础上，对动载作用下衬砌背后存在空洞的情况进行了数值模拟计算，结合无空洞模型的动力计算结果和空洞模型的静力计算结果，通过对比衬砌结构的内力和安全系数，计算分析得出动力因素和空洞因素对于隧道结构安全性能的影响程度。经分析可知，动载作用下空洞因素对于衬砌结构安全性的影响同样集中在空洞范围附近，由于空洞的出现使该范围内衬砌结构的弯矩急剧增加，结构承载力和安全系数降低;同时综合动、静载作用下衬砌背后存在空洞和无空洞模型计算结果可知，地震因素在一定程度上放大了空洞因素对于衬砌结构安全性的破坏作用。

目录

声明

致谢

摘要

1、绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 衬砌背后存在空洞研究现状

1．2．2 隧道及地下结构震动荷载研究综述

1．2．3 隧道安全性研究方法现状

1．3 研究内容

1．4 研究思路和技术路线

1．5 本文的研究方法

2、衬砌背后空洞病害及安全性评价标准

2．1 空洞病害特点

2．1．1 隧道衬砌背后空洞产生原因

2．1．2 空洞引起的病害

2．2 地震动力学基础

2．2．1 地震波的传播规律

2．2．2 动力边界条件

2．2．3 动力本构模型

2．3 隧道衬砌结构安全性评价标准

2．4 本章小结

3、静载作用下衬砌背后空洞对隧道结构安全性的影响分析

3．1 概论

3．2 静载作用下衬砌背后空洞模型和参数

3．2．1 衬砌背后空洞数值模拟的计算参数

3．2．2 衬砌背后空洞数值模拟的计算模型

3．3 拱顶衬砌背后空洞数值模拟

3．3．1 拱顶空洞模型的衬砌结构内力分析

3．3．2 拱顶空洞模型的衬砌结构安全系数分析

3．3．3 拱顶空洞模型的周边围岩应力分析

3．3．4 拱顶空洞模型的周边围岩应变分析

3．4 拱肩衬砌背后空洞数值模拟

3．4．1 拱肩空洞模型的衬砌结构内力分析

3．4．2 拱肩空洞模型的衬砌结构安全系数分析

3．4．3 拱肩空洞模型的周边围岩应力分析

3．4．4 拱肩空洞模型的周边围岩应变分析

3．5 本章小结

4、动载作用下衬砌背后空洞对隧道结构安全性的影响分析

4．1 概论

4．2 动载作用下衬砌背后空洞模型和参数

4．2．1 衬砌背后空洞数值模拟的模型参数

4．2．2 衬砌背后空洞数值模拟的荷载参数

4．3 动载作用下无空洞模型的数值模拟

4．3．1 动载无空洞模型拱顶处计算分析

4．3．2 动载无空洞模型拱肩处计算分析

4．3．3 动载无空洞模型边墙处计算分析

4．3．4 动载无空洞模型拱脚处计算分析

4．3．5 动载无空洞模型最大正、负向加速度时计算分析

4．4 动载作用下拱顶空洞模型的数值模拟

4．4．1 动载拱顶空洞模型拱顶计算分析

4．4．2 动载拱顶空洞模型拱肩计算分析

4．4．3 动载拱顶空洞模型边墙计算分析

4．4．4 动载拱顶空洞模型拱脚计算分析

4．4．5 动载拱顶空洞模型最大正、负向加速度时计算分析

4．5 动载作用下拱肩空洞模型的数值模拟

4．5．1 动载拱肩空洞模型拱顶计算分析

4．5．2 动载拱肩空洞模型拱肩计算分析

4．5．3 动载拱肩空洞模型边墙计算分析

4．5．4 动载拱肩空洞模型拱脚计算分析

4．5．5 动载拱肩空洞模型最大正、负向加速度时计算分析

4．6 动静载下数值计算结果对比

4．7 本章小结

5、结论与展望

5．1 主要结论

5．2 存在问题及展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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