动、静载作用下衬砌背后空洞对隧道结构安全性的影响

发布时间：2017-08-19 13:43

  本文关键词：动、静载作用下衬砌背后空洞对隧道结构安全性的影响

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【摘要】：随着我国隧道工程大规模建设,隧道病害问题也日益加剧,其中隧道衬砌结构背后存在空洞是隧道较为常见的病害。衬砌背后空洞的出现会导致衬砌结构内力和周边围岩应力的明显改变,威胁隧道的正常运营。因此,开展隧道衬砌背后空洞病害对于隧道结构安全性的研究是十分必要的。本文运用理论分析和数值模拟,对衬砌背后存在空洞的隧道结构分别在静载和动载作用下的响应进行了分析研究,进而通过计算隧道结构的安全系数研究空洞病害对隧道结构安全性的影响,主要的工作和研究成果如下：(1)综合现有国内外对于衬砌背后空洞病害的研究现状,总结隧道空洞产生的原因,其原因主要可以分为施工因素、设计因素和运营因素三方面。同时,分析现有隧道震害研究成果,确定本文动力问题研究的边界条件和本构模型。(2)对静载作用下衬砌背后存在空洞的情况进行了数值模拟计算,调取隧道结构各典型位置的计算数据,对比无空洞模型的计算结果,分析了不同大小和位置的空洞对于隧道结构衬砌内力、安全系数以及周边围岩应力、应变的一系列影响。经分析可知,空洞因素对于衬砌结构安全性的影响主要集中在空洞范围附近,该范围内衬砌结构内力发生突变,结构承载力和结构安全系数明显下降,同时空洞范围内的周边围岩产生新的塑性区,对结构安全性极为不利。(3)在静载计算结果的基础上,对动载作用下衬砌背后存在空洞的情况进行了数值模拟计算,结合无空洞模型的动力计算结果和空洞模型的静力计算结果,通过对比衬砌结构的内力和安全系数,计算分析得出动力因素和空洞因素对于隧道结构安全性能的影响程度。经分析可知,动载作用下空洞因素对于衬砌结构安全性的影响同样集中在空洞范围附近,由于空洞的出现使该范围内衬砌结构的弯矩急剧增加,结构承载力和安全系数降低；同时综合动、静载作用下衬砌背后存在空洞和无空洞模型计算结果可知,地震因素在一定程度上放大了空洞因素对于衬砌结构安全性的破坏作用。
【关键词】：隧道 结构安全性 空洞 静载 动载 安全系数
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1、绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 衬砌背后存在空洞研究现状13-16
• 1.2.2 隧道及地下结构震动荷载研究综述16-17
• 1.2.3 隧道安全性研究方法现状17-19
• 1.3 研究内容19-20
• 1.4 研究思路和技术路线20-21
• 1.5 本文的研究方法21-23
• 2、衬砌背后空洞病害及安全性评价标准23-35
• 2.1 空洞病害特点23-26
• 2.1.1 隧道衬砌背后空洞产生原因24-25
• 2.1.2 空洞引起的病害25-26
• 2.2 地震动力学基础26-33
• 2.2.1 地震波的传播规律26-31
• 2.2.2 动力边界条件31
• 2.2.3 动力本构模型31-33
• 2.3 隧道衬砌结构安全性评价标准33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 3、静载作用下衬砌背后空洞对隧道结构安全性的影响分析35-59
• 3.1 概论35
• 3.2 静载作用下衬砌背后空洞模型和参数35-39
• 3.2.1 衬砌背后空洞数值模拟的计算参数36-37
• 3.2.2 衬砌背后空洞数值模拟的计算模型37-39
• 3.3 拱顶衬砌背后空洞数值模拟39-46
• 3.3.1 拱顶空洞模型的衬砌结构内力分析39-42
• 3.3.2 拱顶空洞模型的衬砌结构安全系数分析42-43
• 3.3.3 拱顶空洞模型的周边围岩应力分析43-44
• 3.3.4 拱顶空洞模型的周边围岩应变分析44-46
• 3.4 拱肩衬砌背后空洞数值模拟46-57
• 3.4.1 拱肩空洞模型的衬砌结构内力分析47-52
• 3.4.2 拱肩空洞模型的衬砌结构安全系数分析52-53
• 3.4.3 拱肩空洞模型的周边围岩应力分析53-55
• 3.4.4 拱肩空洞模型的周边围岩应变分析55-57
• 3.5 本章小结57-59
• 4、动载作用下衬砌背后空洞对隧道结构安全性的影响分析59-109
• 4.1 概论59
• 4.2 动载作用下衬砌背后空洞模型和参数59-64
• 4.2.1 衬砌背后空洞数值模拟的模型参数60-61
• 4.2.2 衬砌背后空洞数值模拟的荷载参数61-64
• 4.3 动载作用下无空洞模型的数值模拟64-76
• 4.3.1 动载无空洞模型拱顶处计算分析64-67
• 4.3.2 动载无空洞模型拱肩处计算分析67-69
• 4.3.3 动载无空洞模型边墙处计算分析69-71
• 4.3.4 动载无空洞模型拱脚处计算分析71-74
• 4.3.5 动载无空洞模型最大正、负向加速度时计算分析74-76
• 4.4 动载作用下拱顶空洞模型的数值模拟76-89
• 4.4.1 动载拱顶空洞模型拱顶计算分析76-78
• 4.4.2 动载拱顶空洞模型拱肩计算分析78-81
• 4.4.3 动载拱顶空洞模型边墙计算分析81-84
• 4.4.4 动载拱顶空洞模型拱脚计算分析84-88
• 4.4.5 动载拱顶空洞模型最大正、负向加速度时计算分析88-89
• 4.5 动载作用下拱肩空洞模型的数值模拟89-102
• 4.5.1 动载拱肩空洞模型拱顶计算分析89-92
• 4.5.2 动载拱肩空洞模型拱扁计算分析92-95
• 4.5.3 动载拱肩空洞模型边墙计算分析95-98
• 4.5.4 动载拱肩空洞模型拱脚计算分析98-101
• 4.5.5 动载拱肩空洞模型最大正、负向加速度时计算分析101-102
• 4.6 动静载下数值计算结果对比102-106
• 4.7 本章小结106-109
• 5、结论与展望109-111
• 5.1 主要结论109-110
• 5.2 存在问题及展望110-111
• 参考文献111-115
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果115-119
• 学位论文数据集119

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本文编号：701057