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地裂缝环境下的地铁隧道—地层地震动力相互作用研究

作　者: 刘妮娜
导　师: 门玉明
学　校: 长安大学
专　业: 地质工程
关键词: 西安地裂缝地铁隧道土-地下结构动力相互作用模型试验数值分析
分类号: P642.26
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

西安地裂缝自1959年首次发现以来,已对西安市的城市建设和人民生活造成了极大的影响,并对在建和拟建的多条地铁线路构成了威胁。在目前已经探明的十四条地裂缝中,有多条与正在建设中的西安地铁1号、2号线相交。西安地裂缝在未来地铁建设及运营期间的活动无疑会影响到西安地铁的安全性。由于西安市位于高烈度地震区,已有的震害研究表明,地铁结构作为城市的生命线工程一旦遭受地震破坏,将会给地震应急以及震后修复工作带来极大的困难。如何保证西安地铁在强震作用下的安全,同样也是地铁建设中的重要课题,因此,在西安市这一特殊的工程地质环境下建造地铁是一个全新的重大工程难题,学术界和工程界均对此高度关注。本文以西安市重大工程—西安地铁穿越地裂缝活动带的防灾措施为工程研究背景和依托,以地铁沿线地裂缝在地震动力荷载作用下的活动特征及西安地铁隧道在这一特殊工程地质条件下的动力反应特征及土与地下铁道的地震动力相互作用为研究对象,采用模型试验、数值模拟、理论分析相结合的方法对动力荷载作用下西安地裂缝的活动特征,地铁隧道在动力荷载作用及地裂缝活动状态下的动力反应进行了系统的研究。基于对地裂缝运动及其对地下结构破坏规律的认识,建立了地震动力荷载作用下的地裂缝场地动力试验模型。试验表明,在地震荷载作用下,隐伏地裂缝的上覆土层会产生开裂,出露地表且裂缝宽度增加,并在原有地裂缝附近引起与之相交的次生裂缝,地震荷载作用引起的地裂缝开合,使其成为深部土体向上运动的通道。论文首次进行了地裂缝环境下地铁隧道地震动力振动台模型试验,以相似原理为依据,建立了基于重力失真模型的黄土自由场地环境下盾构隧道及马蹄形隧道地震动力作用振动台试验模型。通过试验证明地铁隧道在动力荷载作用下的运动加速度比其周围土体的动力加速度大；地铁隧道在动力荷载作用下所产生的动土压力相比于振动前后土压力要增加许多,所以在地铁结构设计中对于动土压力及侧向土压力应引起重视；动力荷载作用下盾构地铁隧道底部的正应力较大。通过试验研究,发现由于地裂缝南北两盘的不均匀沉降,地裂缝邻近部位的地铁隧道应力出现增大现象。当地裂缝场地中采用柔性分段式地铁隧道穿越时,其地铁隧道各段的动力反应具有一定的相对独立性,且在地裂缝区域没有出现应力剧增的现象,据此在工程中建议采用柔性分段接头穿越地裂缝区域。论文还基于有限元理论建立了以Marc为分析平台的有限元数值分析模型,对西安地铁中采用的典型隧道形式进行了地震荷载作用下的动力特征分析及与地裂缝运动耦合时的地铁隧道动力分析；研究认为：地震动力荷载作用下地铁隧道结构所受的剪应力较大,工程中应该进行相应的考虑；动加速度和主应力的最大值产生于隧道结构的底部,同时在地铁隧道内部各点的累积变形大于隧道外部各点的累积变形；当地裂缝场地南盘相对于北盘下沉时,将在分段马蹄形隧道各分段处产生摩擦作用且在各连接部位产生压应力,同时在隧道的两侧壁和各连接处产生较大的剪应力。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-23
  1.1 研究背景及意义  12-15
  1.2 国内外研究现状  15-20
    1.2.1 地震荷载作用下地下结构的受力特性研究现状  15-16
    1.2.2 地裂缝研究现状分析  16-17
    1.2.3 地裂缝对地下工程影响的研究现状  17-18
    1.2.4 围岩土体-隧道相互作用研究现状  18-20
  1.3 研究目标及主要研究内容  20-21
    1.3.1 研究目标  20
    1.3.2 主要研究内容  20-21
    1.3.3 模型试验工作内容  21
  1.4 研究思路及技术路线  21-23
第二章西安地裂缝特征及对地下结构破坏模式  23-36
  2.1 西安地裂缝分布及基本活动特征  23-28
    2.1.1 西安地裂缝分布特征  23-26
    2.1.2 西安地裂缝活动特征  26-27
    2.1.3 地铁寿命期内西安地裂缝活动趋势预测  27-28
    2.1.4 地铁寿命期中地裂缝最大垂直位错量预测  28
  2.2 西安地裂缝工程致灾特征  28-35
    2.2.1 西安地裂缝工程致灾特征  28-31
    2.2.2 地裂缝破坏对象的分类  31-32
    2.2.3 西安地裂缝致灾模式  32-33
    2.2.4 西安地裂缝对建筑物破坏的表现形式  33-34
    2.2.5 西安地裂缝对地铁隧道结构破坏模式  34-35
  2.3 小结  35-36
第三章模型试验设计  36-54
  3.1 引言  36
  3.2 模型试验的相似理论  36-40
    3.2.1 相似定理  36-38
    3.2.2 地质力学模型的相似理论  38-39
    3.2.3 动力荷载作用下的相似原则  39-40
  3.3 试验模型设计  40-49
    3.3.1 地震模拟振动台  41
    3.3.2 模型箱设计  41-42
    3.3.3 场地土及地裂缝模拟  42-43
    3.3.4 地铁隧道试验模拟  43-48
    3.3.5 试验测试设备  48-49
  3.4 加载方式  49-52
  3.5 模型箱布置  52-53
  3.6 小结  53-54
第四章地裂缝场地动力反应模型试验  54-66
  4.1 黄土自由场地动力反应模型试验  54-59
    4.1.1 黄土自由场地条件下的正弦波振动试验测试结果分析  55-56
    4.1.2 黄土自由场地条件下的西安人工地震波作用结果分析  56-57
    4.1.3 黄土自由场地条件下的El Centro波试验结果分析  57-59
  4.2 地裂缝场地振动台模型动力测试分析  59-64
    4.2.1 地裂缝扩展发育特征分析  60-61
    4.2.2 地裂缝场地不均匀沉降分析  61-62
    4.2.3 地裂缝场地中的动力反应分析  62-64
  4.3 小结  64-66
第五章地铁隧道动力反应模型试验  66-100
  5.1 引言  66
  5.2 黄土自由场地中的盾构隧道动力模型试验  66-75
    5.2.1 正弦波作用时的盾构隧道动力测试结果分析  67-72
    5.2.2 盾构隧道在地震作用时动力反应分析  72-75
  5.3 黄土自由场地中马蹄形隧道在地震动力作用下的试验结果分析  75-81
    5.3.1 马蹄形隧道地震动力试验结果分析  76-78
    5.3.2 马蹄形隧道在地震波作用时的动力特性  78-81
  5.4 地裂缝场地中圆形盾构隧道模型动力试验分析  81-87
    5.4.1 盾构隧道在正弦波作用下动力测试  82-84
    5.4.2 盾构隧道在人工地震波作用下的试验结果分析  84-87
  5.5 地裂缝场地中马蹄形隧道振动试验分析  87-92
    5.5.1 地裂缝场地中马蹄形隧道正弦波作用时动力分析  88-90
    5.5.2 马蹄形隧道在西安人工地震波作用下的动力分析  90-92
  5.6 地裂缝场地中马蹄形分段隧道振动试验分析  92-98
    5.6.1 正弦波作用时动力反应分析  93-95
    5.6.2 分段隧道黄土地裂缝场地中地震波作用时动力分析  95-98
  5.7 小结  98-100
第六章地铁隧道动力反应数值模拟  100-112
  6.1 地震荷载作用下的马蹄形地铁隧道动力反应分析  100-104
    6.1.1 模型参数的选取  100
    6.1.2 有限元计算模型  100-101
    6.1.3 地震波选取  101
    6.1.4 数值模拟分析  101-103
    6.1.5 马蹄形隧道数值模拟结论  103-104
  6.2 地震动力荷载作用下盾构隧道数值模拟分析  104-106
    6.2.1 有限元计算模型  104
    6.2.2 数值模拟结果与分析  104-106
    6.2.3 盾构隧道数值模拟结论  106
  6.3 地裂缝场地南北盘不均匀沉降时地铁隧道及围岩数值模拟分析  106-110
    6.3.1 马蹄形分段式隧道地裂缝环境下数值分析模型的建立  106-107
    6.3.2 分段式马蹄形隧道数值分析结果  107-110
  6.4 地铁隧道隧道数值模拟结论  110-112
第七章结论  112-115
  7.1 主要研究成果与创新点  112-114
    7.1.1 主要研究成果与结论  112-113
    7.1.2 主要创新点  113-114
  7.2 进一步研究展望  114-115
参考文献  115-122
致谢  122-123
攻读学位期间取得的研究成果  123-124

地裂缝环境下的地铁隧道—地层地震动力相互作用研究

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