不同埋深山岭隧道洞身段地震动力响应研究

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近年来,公路隧道年增长率高达20%,长大深埋隧道也随之增加。峡口隧道、郑家垭隧道和石门垭隧道都是长度大于1000m、最大埋深500m以上的大埋深特长隧道,这些隧道的围岩50%以上为软弱的粉砂质泥岩、泥质灰岩、页岩等。同时,我国又是一个地震发生频率高、强度大的国家,隧道破坏后很难修复,切断了救援物资输送的生命线。目前工程界普遍承认地震对隧道洞口段影响严重,但在近年来的强震中,洞身段发生的开裂破坏、永久大变形和渗水破坏也变得不容忽视。  在地震灾后调查中发现,埋深对隧道破坏情况影响较大,有必要对其进行系统的分析和研究。以往隧道动力深浅埋的划分研究不足,隧道振动台试验主要以浅埋工况为主,缺乏对深埋工况的模拟与分析。  本文在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”的资助下,对不同埋深下山岭隧道洞身段的地震动力响应进行振动台试验和数值模拟研究,主要完成了以下工作:  1.通过对现有隧道深浅埋界限划分和振动台试验埋深设置的文献分析,设计本文埋置深度分别为25m、175m、275m,并采用气囊加载方式实现深埋隧道的上覆土压力。  2.开展不同埋深的山岭隧道洞身段振动台试验,分析埋深对围岩和结构动力响应特性的影响。模型试验结果表明:围岩内加速度放大系数自振动台台面至围岩项部不断增大,埋深的增加放大了这一趋势;洞身段结构的加速度呈现放大效应,不同埋深均符合这一特性,且深埋会增大结构的这种放大效应;同时,深埋使得模型整体的自振频率增大;在振动过程中,结构横断面承受循环的拉压荷载作用,拱肩和拱脚处出现较大的附加弯矩和附加位移,导致结构拱肩和拱脚破坏明显,不同的埋深不会改变结构这种受力特性,而且深埋使得结构附加弯矩减小;在地震作用下,山岭隧道浅埋比深埋更不利,深埋工况之间差别不大。  3.为验证试验结果,针对振动台试验工况,采用FLAC软件进行不同埋深的山岭隧道洞身段数值模拟研究,结果发现:在横向激振和竖向激振分别作用下,不同埋深的衬砌结构各位置相对位移、附加弯矩、附加剪力、附加轴力变化规律相同;横向激振作用下,衬砌拱肩和拱脚处为内力集中区域;竖向激振作用下,结构拱腰为应力集中区域;浅埋工况的相对位移、附加弯矩、附加剪力、附加轴力均大于深埋工况,两深埋工况间差值不大。
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