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特殊地质条件下隧道结构的震害机理分析及抗震研究

殷允腾  
【摘要】:近年来地震灾害频发,不仅造成了重大的经济损失和人员伤亡,还破坏了大量的地下、地面建筑。由于受到周围岩土体介质的强约束作用,隧道结构的抗震性能明显优于地面建筑,在抗震救援中隧道等地下结构可以起到应急通道的关键性作用。当隧道穿过的地质条件比较复杂,地震震级比较大时(如日本宫城M9.0级地震、中国汶川M8.0级地震),隧道结构同样会发生严重破坏,继而严重影响震后的应急救援工作,因此现阶段必须加强隧道结构的震害机理分析及抗震措施研究。本文通对汶川地震中山岭隧道地震破坏特点进行原型观测,利用理论分析与数值模拟相结合的方法对断层破碎带处、土岩软硬结合部隧道结构的震害机理及抗震措施进行了研究。 首先利用隧道结构的地震惯性力和地基失效破坏两种破坏机理,对汶川地震中两条严重受损的龙溪隧道和龙洞子隧道的破坏形态进行理论分析,研究地震强度、震中距、地震波入射方向、断层破碎带、围岩质量、洞口不稳定边坡、隧道截面大小及支护方式、隧道埋深、地应力大小、基岩交界面、施工状况等因素,对隧道破坏形式和程度的影响,研究破坏产生的原因。 然后结合青岛胶州湾海底隧道中断层破碎带以及土岩软硬结合地段的地质资料,并参照隧道的断面支护参数,利用ANSYS有限元软件构建数值计算模型,并借助有限差分软件FLAC3D进行分析计算。通过调整衬砌与围岩的力学参数,分别从围岩的稳定性、围岩质量突变、衬砌及围岩的质量密度、刚度出发,对比分析隧道衬砌及围岩的塑性区扩展规律、衬砌的位移及应力时程变化规律。依据隧道地震破坏机理、地震波行波效应理论以及岩土-结构相互作用原理,对数值模拟结果进行理论分析,研究断层破碎带处以及土岩软硬结合部隧道结构的地震破坏机理,并提出相应的抗震措施。 通过分析研究,论文得到了以下主要结论:在断层破碎带和土岩软硬结合部,围岩失稳和地震惯性力都会导致隧道结构发生破坏,而后者是主要原因;保证隧道结构质量密度及刚度与围岩一致或相似对于防止隧道结构发生破坏较保持围岩稳定更为关键;轻质量延性隧道具有一定的抗震能力。本研究成果对于丰富隧道结构的震害分析机理,加强隧道的抗震设计具有一定的理论和现实意义。。


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