山岭隧道洞身段地震动力响应研究

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我国地处太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压作用下,地震活动发生频率高、地震强度大、震源深度浅、分布范围广,是世界上地震重灾区。同时我国又是一个多山国家,作为交通枢纽的山岭隧道在地震作用下一旦发生破坏,将导致交通系统的瘫痪,并且隧道一旦发生破坏修复极为困难,救援物资无法到达受灾区,受灾区的伤员无法运出,这极大的阻碍了地震受灾区的救援和灾后重建工作。  根据以往的震害调查发现,隧道的洞身段占整座隧道总长度的70%左右,作为隧道的主要组成部分,在地震时隧道的洞身段衬砌产生破坏的现象并不少见,这严重影响了整座隧道的通行;在隧道开挖时由于应力重分布和围岩损伤的相互作用,在隧道周边围岩内产生松动区域“松动圈”,松动区的存在必然会影响隧道的动力响应规律,而以往对于这一区域的研究主要集中在松动圈的支护理论和松动圈在地震作用下的发展规律,未对该区域的存在对结构的动力响应规律的影响展开研究;以往针对山岭隧道开展的振动台模型试验主要考虑浅埋情况下隧道的动力响应规律,而针对深埋条件下结构的动力响应规律的研究不够充分。  针对以上问题,本文依托国家自然科学基金重点项目“长大隧道地震响应机理与抗震”本文通过松动圈理论分析、振动台模型试验和数值模拟相结合的方法,对山岭隧道洞身段的动力响应特性进行了分析和研究,主要完成了以下工作和研究成果:  1.应用松动圈理论,总结了松动圈厚度与围岩强度以及隧道埋深的关系,并基于双介质模型理论,总结了松动圈模型试验和数值模拟的实现方法。  2.采用气囊加载的方式模拟了深埋隧道上覆自重应力场,采用双介质模型模拟了围岩松动区,基于设置松动圈、设置减震层和隧道深埋三种工况,开展了深埋隧道洞身段振动台模型试验研究,主要研究了隧道横截面的动力响应规律。在地震作用下围岩内加速度随高程的增加有明显的放大趋势,衬砌在拱肩和拱脚处产生了较大的附加应变,在设置松动圈时衬砌的附加应变要大于未设置松动圈时,同时减震层的设置能够有效的较减小结构的动力响应值。  3.采用FLAC2D软件对振动台试验工况开展了数值模拟研究,分析了各工况下结构的附加内力的响应规律,并对设置不同厚度松动圈下结构的动力响应规律进行了分析,发现在设置松动圈工况下出现了较大的附加弯矩和较小的附加轴力,减震层的设置能够有效的改善结构的受力。
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