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山岭隧道洞口段地震损伤反应特性与损伤评价方法研究

吴冬  
【摘要】:高烈度地震区山岭隧道洞口段是隧道震害的易发部位,其震害主要包括洞口段衬砌结构因地震波作用而开裂受损和洞口仰坡因动力失稳而崩塌、滑坡掩埋洞口两大类,这两类震害均会严重危害隧道工程的运营安全。本文从实际的震害现象出发,采用理论推导、数值分析和振动台模型试验相结合的方法,对地震作用下隧道洞口段衬砌结构的损伤演化以及仰坡的动力稳定性这两个关键性问题进行了深入研究,所取得的主要研究成果与结论如下:(1)总结了现有的各类吸收边界与波动输入方法,指出现有的各类表现形式各异的波动输入方法均为具有内在统一性的耦合波动输入法。基于域缩减法提出了一种名为“域缩减波动输入法”的解耦时域波动输入方法,该方法将等效荷载输入界面移入吸收边界设置界面的内侧,将外源波动问题转化为内源波动问题,具有计算精度高、吸收边界选取灵活、等效荷载求解方便、且能够有效的结合无限元边界构建静一动力统一人工边界等优点;(2)基于域缩减波动输入法提出了一种适用于竖向传播剪切波作用下隧道地震反应分析的简化剪切波波动输入法,一维土柱模型、自由场模型、含隧道的模型之间的对比分析表明这种方法所得到的结果符合理论预测,是一种简单可靠的竖向传播剪切波波动输入法;(3)在总结、评述现有的各类混凝土损伤与开裂本构模型的基础上,将混凝土塑性损伤模型和钢筋的建模方法引入钢筋混凝土衬砌结构的地震反应分析。此模型基于连续介质损伤力学和弹塑性理论,不需要预先假定构件的开裂部位,对于复杂地震波动场中衬砌结构的损伤开裂的预测具有良好的适用性。以烧火坪隧道为原型,分析了隧道洞口段衬砌结构在剪切波作用下的破坏机理,所得到的衬砌裂缝分布与震害现象一致,验证了塑性损伤模型的适用性;(4)为突破传统应力分析法中应力指标及相应的内力指标的局限性,提出了两种用于评价衬砌结构在地震作用下的损伤与开裂程度的指标,即衬砌裂缝开口宽度和动力损伤指数。其中,裂缝开口宽度能够从理论上预测衬砌结构裂缝开口的宽度,这一指标可以作为衬砌结构第二水平“中震可修”与第三水平“大震不倒”阶段分析与设计的评价依据;而动力损伤指数能够简单直观的描述衬砌结构整体的损伤程度随时间的变化,明确的指出引发或加剧衬砌损伤的时间段;(5)推导了Rayleigh波的自由场位移解,在域缩减波动输入法的基础上,提出了适用于三维有限元模型的Rayleigh波时域波动输入方法。与现有的粘弹性边界波动输入法的比较表明,二者具有一致的数值精度,但由于域缩减波动输入法与吸收边界的解耦,且不需要求解自由场应力解,因而避免了粘弹性边界波动输入法中三维有限元模型中侧面吸收边界设置和波动输入的难题;(6)以龙溪隧道为原型,应用Rayleigh波时域波动输入方法和混凝土塑性损伤模型,建立了隧道洞口段三维有限元模型,分析了Rayleigh波作用下隧道洞口段损伤演化过程。分析结果表明,Rayleigh波对隧道洞口段衬砌结构的影响局限于洞口附近一定范围,且其影响随着进深增加而减小。衬砌的损伤是一个在地震波循环往复作用下随时间的逐步累积过程,幅值相对较小的波峰也可能导致显著的加剧损伤,单独的弹性分析并不能准确的指出衬砌结构发生最大破坏的时间和破坏的部位。素混凝土衬砌与钢筋混凝土衬砌损伤反应的对比表明,在强烈的地震作用下,钢筋的引入并不能阻止衬砌的开裂,但能有效的抑制裂缝的扩展,对于维持衬砌这类厚板壳状结构的整体力学稳定性和防水性具有重要作用。分析结果很好的再现了龙溪隧道的震害现象,验证了有限元建模方法的合理性。(7)为研究地震作用下山岭隧道仰坡的动力响应特性及仰坡坡体和衬砌结构的相互作用,以龙洞子隧道为原型,设计并完成了隧道洞口段大型振动台模型试验。试验结果表明,地震作用下仰坡的加速度反应存在显著的非线性放大效应和趋表效应;当输入地震波幅值超过0.6g时,土体的非线性反应明显增强,加速度放大系数显著降低,表现出放大效应饱和的特性,且沿坡体竖直向上,加速度分布逐渐表现出平均化的趋势:隧道洞口段仰坡水平向动力反应受隧道结构存在的影响较小,可简化为自然边坡进行分析;仰坡的动力失稳是影响衬砌结构安全性的重要因素,当输入地震波幅值较小时,竖直向地震作用下衬砌主要受力部位受力要大于水平向地震作用,当幅值较大时,水平向地震动对衬砌结构的影响则明显大于竖向地震动;均质仰坡的破坏部位主要位于仰坡坡肩至坡面上部。


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