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高烈度地震区隧道洞口段地震动力响应及减震措施研究

作　者: 文栋良
导　师: 蒋树屏；王晓雯
学　校: 重庆交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 地震波隧道洞口段振动台模型试验数值模拟频谱特性加速度放大系数峰值应力峰值位移
分类号: U452.28
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着近年来地震的频繁发生,隧道震害问题逐渐引起人们的重视,隧道洞口段在地震中表现出来的较为严重的破坏,要求将洞口段作为隧道抗震设防的重点部位。本文以西藏扎墨公路嘎隆拉隧道洞口段及其减震措施为研究对象,主要研究了在不同地震波分量基底入射下衬砌的峰值应力、峰值位移反应,边坡及地表加速度反应的频谱特性、放大系数,地表在垂直于隧道轴线不同距离处的峰值竖向位移,衬砌的动土压力沿隧道轴向的变化规律,有断层时衬砌峰值应力、峰值位移的横向和轴向变化规律,衬砌、边坡、地表的破坏模式,减震层、抗震缝的减震效果以及弹性模量对减震层减震效果的影响。论文采用大型振动台物理模型试验和数值模拟相结合的方法,主要取得的成果有:①基底入射地震波的水平横向振动分量是造成隧道破坏的主要地震作用;②土体对地震波高频成分具有过滤作用;边坡土体加速度放大系数沿坡脚至坡顶逐渐增大,土体内部加速度放大系数在接近地表处由深至浅逐渐增大;边坡主要破坏模式为局部整体滑落,土体剥落掉块,地表主要破坏模式为横向宽长裂缝以及部分轴向轻微裂缝;③洞门附近衬砌边墙将最先出现轴向裂缝,断层处衬砌主要发生竖向剪切破坏;衬砌卓越频率与围岩的卓越频率相同,地震时衬砌与围岩同步振动,不表现出自振特性;衬砌主要破坏模式为洞口处衬砌边墙的轴向裂缝,离洞口较近处衬砌边墙的斜向裂缝,隧道穿越断层时衬砌在抗震缝处出现的相互交错以及洞身处衬砌仰拱底部的轴向裂缝;④减震层、抗震缝的设置不会改变结构的地震反应的频谱特性,但会增加结构的峰值加速度;减震层的设置对衬砌的峰值应力的减小大于对峰值位移的减小;减震层弹性模量对衬砌峰值第一、第三主应力反应的影响比对位移反应的影响大;抗震缝的设置会减小衬砌峰值主应力反应,会使衬砌节段内的峰值应力变得较为均匀,会使衬砌整体结构应力变得均匀,但会增加峰值剪应力反应,会导致衬砌在抗震缝处的应力集中。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-24
  1.1 选题背景  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-18
    1.2.1 原型观测  11-12
    1.2.2 模型试验  12
    1.2.3 理论分析  12-18
  1.3 隧道震害分析  18-23
    1.3.1 地震反应特征  18-19
    1.3.2 破坏模式  19-20
    1.3.3 破坏影响因素  20-21
    1.3.4 破坏机理  21-23
  1.4 本文研究内容及思路  23-24
第二章隧道地震动力响应分析模型及主要因素探讨  24-40
  2.1 引言  24-25
  2.2 土和结构相互作用体系运动方程  25-33
    2.2.1 动力平衡微分方程的建立  25-31
    2.2.2 动力平衡方程的求解  31-33
  2.3 材料动力非线性  33-35
  2.4 土的动力非线性  35-38
  2.5 土的阻尼  38
  2.6 人工边界条件及波动的数值模拟  38-40
第三章嘎隆拉隧道工程概况及场地地震动力特征  40-53
  3.1 工程简介  40
  3.2 近场区主要断裂及其活动性  40-46
    3.2.1 嘉黎断裂带  42-44
    3.2.2 扎木—马尼翁断裂  44-45
    3.2.3 其它断裂  45-46
    3.2.4 断裂活动评价  46
  3.3 隧址区地震动力特征  46-53
    3.3.1 地震活动性  46-47
    3.3.2 近场区地震构造环境  47
    3.3.3 近场区地震基本烈度  47-48
    3.3.4 场地设计地震动参数  48-49
    3.3.5 场地（基岩）设计地震动时程  49-53
第四章嘎隆拉隧道洞口段地震动力响应分析  53-83
  4.1 简介  53
  4.2 振动台模型试验方案  53-68
    4.2.1 振动台模型试验的装置  53-54
    4.2.2 物理实验动力相似系数  54-58
    4.2.3 物理实验相似材料  58-59
    4.2.4 边界条件  59
    4.2.5 测试仪器的选取  59-60
    4.2.6 测点布置情况  60-63
    4.2.7 物理模型制作  63-66
    4.2.8 输入地震波  66-67
    4.2.9 试验数据采集  67-68
  4.3 数值计算模型建立  68-71
    4.3.1 ANSYS 简介及基本假定  68-69
    4.3.2 模型及物理参数  69-70
    4.3.3 阻尼的确定  70-71
    4.3.4 粘弹性边界条件及地震波的输入  71
  4.4 结果对比分析  71-81
    4.4.1 加速度时程对比  71-72
    4.4.2 不同地震波分量对隧道动力反应的影响  72-74
    4.4.3 围岩动力响应  74-78
    4.4.4 衬砌动力响应  78-81
  4.5 结论  81-83
第五章嘎隆拉隧道洞口段减震措施研究  83-103
  5.1 减震原理  83-86
  5.2 物理实验模型  86
  5.3 有限元模型建立及参数  86-88
  5.4 结果对比分析  88-101
    5.4.1 频谱特性  88-89
    5.4.2 减震层减震效果分析  89-92
    5.4.3 弹性模量对减震层减震效果的影响  92-94
    5.4.4 抗震缝的效果分析  94-101
  5.5 结论  101-103
第六章结论与展望  103-105
致谢  105-106
参考文献  106-110
在学期间发表的论著及取得的科研成果  110

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