考虑边坡进洞高程的大断面黄土隧道洞口段动力响应特征研究

发布时间：2020-03-06 23:09

【摘要】：新世纪以来,我国地震灾害时有发生,鉴于西北地区黄土特殊的物理力学性质以及当地复杂的地质条件和地理环境,是地震灾害频发和黄土滑坡灾害多发的地区,然而随着西部大开发战略如火如荼的进行,必将有大量的交通基础设施建设在黄土地区,譬如新建铁路宝鸡至兰州客运专线,地处陕西和甘肃两省的黄土分布区,宝兰客运专线正线全长401.71km,其中全线黄土隧道就有78座,总里程达到了273km,占线路全长的近70%,由于隧道几乎都分布在山谷中,因此就出现了众多高桥连高隧的现象,许多桥墩高达数十米甚至上百米,因此就出现了隧道在不同高程进洞的情况,而不同进洞高程这一参数与隧道建成后的正常使用、抗震性能以及强震后的快速抢修也都有着紧密联系。隧道在不同高程下进入黄土边坡其地震动力响应必然有一定的区别,因此考虑边坡进洞高程的大断面黄土隧道洞口段动力响应方面的研究具有重要的现实意义。本文采用数值模拟和振动台模型试验两种方法进行相关研究。数值模拟方面主要考虑在不同进洞高程、不同仰坡坡度等工况下的洞口段动力响应规律;振动台模型试验方面,主要考虑在60°坡度下选择不同进洞高程来研究黄土边坡失稳破坏规律和隧道洞口段受力特征。主要进行了以下几方面的研究:(1)查阅国内外有关地震作用下隧道洞口破坏的文献,经过分类统计汇总,初步总结了洞口段衬砌结构和仰坡的震害类型和震害机理,为后续数值计算和振动台模型试验的结果分析提供了参考依据。(2)考虑不同仰坡坡度对洞口段动力响应特征的影响。设置了4种不同仰坡坡度,分析了在不同坡度下边仰坡由坡脚到坡顶的加速度、位移、放大系数等的变化规律,并着重讨论了在每种仰坡坡度下隧道洞口衬砌结构的受力特征和变形规律,包括沿隧道轴向的加速度、位移、衬砌应力的变化趋势。结果表明,仰坡坡度越大,坡面位移和洞口段监测点位移相对就越大,75°时的坡面位移和洞口段监测点位移最大;坡面加速度和洞口段监测点加速度整体随着仰坡坡度的增大而减小。(3)考虑大断面黄土隧道不同进洞高程时的洞口段动力响应特征,这也是本文研究讨论的重点。设置了三种不同的进洞高程,即在坡脚(0H),坡腰(0.3H),接近坡顶(0.6H)三处进入黄土边坡。讨论了不同工况下仰坡坡面和洞口段衬砌结构的加速度、位移、放大系数、衬砌应力等的变化规律。结果表明,同一仰坡坡度下,不同进洞高程对坡面位移和加速度的影响较小,但对洞口段衬砌位移和加速度的影响较大;随进洞高程的增大,洞口段衬砌最大应力峰值逐渐减小,坡脚进洞时应力峰值最大。(4)为进行振动台模型试验做准备,首先根据《铁路工程土工试验规程》的相关要求测定了试验模型填土的相关物理力学参数,例如天然含水率,密度,最优含水率,最大干密度、液塑限等。参考借鉴相关文献中的振动台试验,设计本次研究的试验模型,制定试验方案等。(5)进行振动台模型试验。根据设计好的试验方案,利用中国地震局兰州地震研究所的4m*6m电伺服振动台进行模型试验。设置仰坡坡度为60°时,坡脚和0.5H高程进洞时的黄土隧道洞口段的边仰坡及衬砌结构受力特点及破坏特征;研究地震动力作用下黄土边坡和隧道结构的受力问题,研究隧道在不同高程下边坡及隧道的动力响应。
【图文】：

客运专线,黄土隧道,高速铁路,洞口段

兰州交通大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景与研究意义新世纪以来，西部地区在交通基础设施建设方面取得了举世瞩目的成就，包括兰新客运专线、宝兰客运专线、连霍高速公路等一批高速铁路、高速公路的建成通车，极大的方便了西部地区人民群众的出行，为促进当地的经济社会发展起到了至关重要的作用。但在交通基础设施建设中，线路不可避免的要穿越地质条件极为复杂的区域。而其中西北黄土分布区将修建越来越多的桥梁与隧道工程，加之本世纪头十五年世界各地强震频发的背景，这些建设在黄土地区上的建筑物的抗震性能应受到格外关注。

高桥,客运专线

目前有关隧道洞口段在地震动力作用下的响应特征以及减震技术方面没有关于黄土隧道方面的研究成果。而对于黄土隧道的洞口段，显然属于道结构相互影响的岩土-结构相互作用问题。黄土隧道洞口段支护结构受场、开挖支护以及地震作用下的边坡动力放大效应[15、16]的共同影响，而黄道的存在而产生不同的地震动力响应[17]，因此，隧道在边坡上的进洞高程要参数。然而目前大多数隧道的进洞选址于坡底，洞外结构所受地震惯性是洞外结构震害发生率较高的原因之一[18]。假设实际施工中隧道不只是从是选择在黄土边坡上某个与坡底有一定高程差的区域通过时，黄土隧道边支护结构的动力响应规律及破坏形式如何，当前尚无相关的研究成果。目坡地震动力稳定性的研究成果已经相当丰硕，但却一直没有考虑隧道洞口结构稳定性的影响，，黄土隧道洞口段支护结构对黄土边坡的动力响应及其怎样的影响，会以哪种方式和机理起作用，是一个值得深入研究的课题。路客运专线的设计和具体施工过程中，由于线路走向和高程设置的需要，隧相接、高桥连高隧的情况，如图 1.2 所示。因此，研究交通工程中黄土对隧道洞口边仰坡和衬砌支护结构动力稳定性的影响具有很重要的意义。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U451

【参考文献】