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断层错动作用下隧道工程损伤及岩土失效扩展机理研究

邵润萌  
【摘要】:活动断层运动引起的断层错动及引起场地的上覆土层的地表破裂能够对穿跨断层的建筑物、地下工程(地下管线、隧道等)以及相关的工程设施等造成直接破坏,因此,跨越断层和埋置于断层上覆土层的隧道必须考虑断层错动作用的影响。 新建成兰铁路经过的区域为高烈度地震区,穿越高深峡谷地带,需要修建多座长大隧道,在多处存在隧道需要穿越断层的情况。本研究以该工程项目的场地条件为背景,基于非线性有限元计算理论,建立隧道穿越断层的围岩-断层-隧道体系及断层-上覆土层体系的三维有限元分析模型,展开相关研究。同时,引入混凝土塑性损伤模型开展隧道结构的损伤评价研究。 本文在分析前人理论研究的基础上,重点研究了断层错动作用下跨越断层隧道的响应机理,分析了隧道结构的损伤失效模式,研究了断层错动方式、断层倾角、错动距离、隧道洞径大小等相关因素的影响效果。在此基础上提出了隧道工程的抗错断措施,并应用数值分析的方法评价了各种抗错断措施的效果。最后模拟了基岩中断层错动引发的上覆土层破裂过程,研究了上覆土层破裂对于埋置于其中的隧道工程的影响。 基于上述的研究分析,本研究得到如下结论。 断层错动对于隧道纵向影响因条件不同,其影响范围大致分布在10-20m范围。断层错动方式、断层倾角、错动距离、洞径大小等都对断层错动作用下隧道的响应产生较大影响。变形缝对于隧道跨越断层的抗错断效果有显著作用,通过合理地设置变形缝可以有效减少隧道结构的应变幅值和分布范围;加强衬砌厚度不能有效的起到抗错断的效果;设置缓冲层的方法改善了原衬砌间的相互作用机理,对隧道抗错断是有益的。 断层错动引发上覆土层破裂始于土层与基岩的交界面,并向上延伸扩展,当断层基岩错动量达到一定量值时,土层地表出现破裂点,并向下扩展,随着位错的进一步增大,与源自断层面向上方发展的破裂汇合,形成贯通的破裂带。覆盖土层厚度和特性直接影响土层中破裂带的宽度。与隧道穿越断层的情况相比,断层对上覆土层中隧道的影响范围扩大了很多,影响程度则相应的有所降低。


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