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活动断层蠕滑错动下隧道高延性衬砌结构抗错性能研究

文锦诚  
【摘要】:随着我国西部山区交通建设的飞速发展,隧道穿越活动断层情况日益增多。活动断层错动产生的地层永久变形会导致隧道衬砌开裂破坏甚至结构的整体垮塌,严重危及隧道结构安全。隧道穿越活动断层的错动破坏机制及抗错应对措施研究已成为西部山区隧道建设中亟待解决的重要技术问题之一。目前隧道结构抗断措施的研究多集中在柔性连接段和减震层等方面,较少涉及提升衬砌本身抗错性能方面的研究。本文以云南省某穿越活动断层区公路隧道为工程背景,采用室内试验、理论分析和数值计算相结合方法,开展活动断层错动作用下高延性衬砌力学响应及抗错性能研究。主要研究内容及结果如下:(1)针对超高韧性水泥基复合材料(PVA-ECC)开展了单轴压缩和单轴拉伸试验,确定了ECC材料的轴向拉、压力学性能。结合试验和已有研究成果,确定了一种能够准确反映ECC材料拉、压力学性能塑性损伤模型。在此基础上,基于通用有限元软件建立了钢筋增强ECC梁的数值模型,进行了ECC梁四点弯曲试验的数值模拟。通过对比数值模拟和试验结果,验证了ECC塑性损伤模型的有效性。(2)依托云南省某穿越活动断层高速公路隧道工程,采用有限元分析方法,建立了逆断层-围岩-隧道相互作用的错动计算模型,研究不同错动距离、断层宽度、断层倾角和围岩条件下,传统RC衬砌和ECC衬砌的受力变形特征和损伤破坏特征,明确两种衬砌受不同逆断层参数影响的力学响应规律,对比分析两种衬砌结构的抗错性能。计算结果表明:在逆断层错动作用下,断层错动距离的增加明显增大了衬砌的局部应力,加剧了衬砌的损伤。断层破碎带是衬砌变形的缓冲区域,更宽的断层宽度会延缓衬砌局部损伤的发展速度,增大衬砌的极限错距。断层倾角越大,相同逆断层错距下的竖向位移分量越大,衬砌的局部拉伸变形越明显,导致衬砌的极限错距减小,降低了衬砌的抗错性能。断层上下盘岩体强度越高,对隧道的约束作用越强,使得衬砌变形区域越集中,局部变形越剧烈,加速了衬砌结构的破坏。不同逆断层特征下,两种衬砌破坏模式相类似,均以压剪破坏为主。但ECC衬砌的变形适应能力、抗裂性能以及抗错断性能明显优于传统的RC衬砌,在上述逆断层条件下,ECC衬砌整体破坏时的极限错距是相同条件下传统RC衬砌的3.5倍以上。(3)采用数值分析方法,建立了穿越正断层隧道的错动模拟计算模型,研究断层宽度、断层倾角和围岩条件对RC衬砌和ECC衬砌受力的影响规律,探讨不同正断层特征及错动条件下衬砌的损伤破坏规律和抗错性能。进一步对比分析了断层形式的影响。结果表明:不同错动距离、断层宽度和围岩条件下,RC衬砌和ECC衬砌受正断层错动的影响规律与逆断层错动相似。随着正断层倾角的增大,衬砌能承受的极限错距有所增加。由于正断层错动下衬砌的受拉破坏特征更明显,因而相同条件下衬砌受到断层错动的影响程度明显大于逆断层,具体表现为衬砌更小的极限错距。在正断层错动下,两种衬砌破坏模式相类似,均以拉剪破坏为主。ECC衬砌能更好地发挥其抗裂性能强、拉伸韧性好的优势,因而呈现出显著优于普通衬砌的变形适应能力和抗错断性能。在本文涉及的正断层条件下,ECC衬砌整体破坏时的极限错距是相同条件下传统RC衬砌的3倍以上。


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