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正断层错动诱发隧道变形破坏的离心机实验及数值模拟研究

彭佳明  
【摘要】:地震时,基岩断层错动诱发近断层隧道结构变形破坏,影响隧道安全运行和正常使用,而相关隧道破坏机制和设防措施缺少系统研究。本文基于正断层错动诱发上覆砂土层中隧道变形破坏的离心机模型实验,结合数值模拟和理论分析等方法,对土体沉降,隧道变形破坏,合理设防范围等方面展开了研究。主要研究工作包括:展开了不同隧道埋深的离心机模型实验,进一步通过数值模拟和理论分析结果对比验证实测数据,还对影响断层-隧道相互作用的关键参数进行分析,主要得到以下研究成果:(1)隧道对地表沉降的影响:隧道对上覆土体沉降具有“遮拦”效应,使其上方地表土体沉降量明显小于自由场(无隧道)时的地表沉降量,“遮拦”效应随隧道埋深的增加而减小。(2)正断层错动引起的隧道变形模式:隧道沿纵向发生“S”形变形,下盘一侧隧道发生“上拱”变形,隧道拱顶承受拉应变,上盘一侧隧道发生“下沉”变形,隧道拱顶承受压应变。诱发的纵向应变可分解为由弯曲和轴向拉伸变形引起的弯曲应变和轴向拉应变,分别采用隧道最大曲率和最大轴向拉应变评估隧道抗弯刚度和轴向刚度对隧道变形程度的影响。(3)隧道的合理设防范围:以隧道纵向应变超过破坏临界应变视为隧道发生破坏,并采取抗断层错动设防措施,设防区间主要位于下盘一侧的隧道拱顶,以及断层线两侧的隧道拱底。减小隧道的刚度,增大断层错动量,减小断层倾角,均会使得隧道的设防区间增大,隧道埋深的增加基本不改变拱顶设防区间,但会使得拱底的设防区间有所增大。(4)隧道变形理论预测公式:基于断层错动量,基床系数,隧道抗弯刚度等关键影响因素,建立了隧道最大曲率、隧道最大曲率离开断层线的距离的理论预测公式,为近断层隧道设计提供参考。


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