SV波作用下山岭隧道洞口段动力响应的理论研究

利用波在弹性介质中的传播理论,推导了垂直入射SV波作用下隧道轴线结构应变响应的理论解,并通过参数分析探索了隧道结构的应变响应规律,得出了一些有价值的结论。     

山岭隧道跨断裂带段及洞口段地震响应大型振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道跨断裂带段及洞口段的动力响应及其破坏机制,以国道318线康定折多山隧道工程为背景,设计并开展隧道长达8 m的大型地震动模拟振动台试验,对比分析处于不同围岩条件中衬砌结构的动力响应规律及其破坏机制,研究结果表明：在本次振动台试验中,隧道衬砌结构的加速度、动土压力以及应变等响应主要受周围围岩条件的影响,其所处的围岩质量越差地震反应越强烈。在三向地震作用下,隧道衬砌结构的PGA放大系数随着地震波幅值的增加逐渐减小,各部位间动土压力和应变差值逐渐增大并进入偏心受力状态,横截面共轭45°为主要受力方向。此外,衬砌结构的纵向破坏由洞口处向深部围岩发展,且各段衬砌具有相同的破坏机制,即破坏过程为自“仰拱→拱脚→拱肩→拱顶”发展。对比分析处于不同围岩条件中衬砌结构的最终破坏形态,洞口和断裂等围岩条件较差段衬砌结构的震害较为严重,且下部结构的震害明显比上部结构严重。因此,在实际工程中需重点关注洞口段和断裂带段衬砌结构的抗震设防,加强衬砌仰拱、拱脚等下部结构的加固设计。     

强震作用下山岭隧道洞口段地震响应分析及减震措施研究

博士学位论文随着我国经济建设和社会快速发展的需要,隧道建设已进入地震频发的高烈度地震区。受高山峡谷等复杂地形的限制,山岭隧道在我国高烈度地震山区大量修建,且会越来越普遍。而我国的公路、铁路隧道规范一直沿用不完全合理的静力法进行抗、减震计算,远远不能满足隧道洞口段、浅埋、偏压等减震重点地段的设计要求。本文以武都-罐子沟(武罐)高速公路在建麻崖子隧道为工程背景,从地下结构分析的基本原理出发,运用有限元软件,计算并分析了浅埋和偏压隧道的地震动响应特点,确定了适用于隧道洞口段(浅埋和偏压)的减震措施。主要研究内容如下：     

山岭公路隧道洞口段的施工方法

结合多年从事隧道施工的实践，详细阐述了洞口段围岩预加固的措施，隧道洞口段施工稳定掌子面的方法以及隧道洞口段施工开挖的方法，指出坚持施工原则，采取有效的施工方法，对确保隧道施工和运营安全至关重要。     

双连拱隧道洞口段动力响应研究

结合雅泸高速公路某双连拱隧道,采用FLAC3D软件,从土—结构相互作用模型出发,运用数值分析方法对该隧道洞口段进行了三维弹塑性分析,并对结果分别从位移、速度、加速度、隧道衬砌内力等方面进行了研究,得到洞口段动力响应的一般规律,并提出相应的建议。     

山岭隧道洞口段围岩变形特征分析

为了研究山岭隧道洞口段围岩变形特征,以贵州省晴隆-兴义高速公路登攀隧道为工程依托,对洞口段围岩变形展开研究,通过对现场围岩变形进行监测和数据处理,分析了山岭隧道洞口段围岩变形的时间与空间效应,进而对山岭隧道洞口段围岩变形时间特征和空间特征展开研究。研究结果表明:隧道开挖引起围岩变形具有明显的时间效应和空间效应,监测断面围岩变形在开挖后历经8 d和27 m～30 m后稳定;山岭隧道洞口段围岩变形具有明显的空间特征,周边收敛值在时间轴上规律性较差,但累计变形量较小,对隧道围岩稳定性影响有限;洞口段拱顶沉降与地表沉降时间历程曲线有明显的规律,但累计变形量、分布特征与围岩本身属性紧密相关,地域差异性较大。     

山岭隧道地震动力响应规律的三维振动台模型试验研究

 以国道318线黄草坪2#隧道为原型,开展大型三维振动台模型试验,重点研究隧道结构的地震动力响应规律及隧道与围岩的相互动力作用。通过对模型试验的关键技术研究,建立一套山岭隧道大型振动台模型试验设计、制作、加载及测试的工艺与方法流程。模型震害分析表明：隧道洞口边坡以开裂和滚落石震害为主,坡面加速度沿高程方向递增且具有一定的放大效应,在坡面原生裂缝和薄弱部位极易出现震害;隧道结构以衬砌开裂和掉块震害为主,初期支护和二次衬砌出现裂缝的部位不同,但钢筋网能够有效地阻止裂缝的发展。模型试验结果表明：隧道结构的加速度响应要大于周边围岩且对周边岩土体的加速度响应有一定的放大效应;对于一般的硬岩质山岭隧道来说,隧道洞口段0～50 m范围的加速度响应较大,为隧道抗减震设防的重点区域;山岭偏压隧道横向不同部位的地震动力响应存在明显差异;当地震波从隧道底部小角度入射时,隧道结构的加速度响应最强烈,对隧道结构的安全性是非常不利的;随着加载地面峰值加速度(PGA)的增大,隧道不同部位的加速度响应增大,但当隧道结构进入非线性破坏状态后,PGA呈减小趋势,地震能量逐渐被耗散。     

强震区山岭隧道洞口段结构动力特性分析

 以雅安—泸沽高速公路高烈度地震区山岭隧道为依托工程,对山岭隧道洞口段结构动力响应进行大型振动台模型试验研究,得出如下结论：隧道结构的最大地震动响应出现位置及其破坏形态与5.12汶川大地震中隧道工程的破坏情况基本一致;隧道设置减震层后,衬砌裂缝数量明显减少,能够改善隧道结构的整体受力状态;在试验中隧道结构均出现一定数量的环向裂缝和斜向裂缝,大部分纵向或斜向裂缝延伸至环向裂缝后终止发展。建议在隧道洞口段设置一定数量的减震缝,吸收地震时能量,减小对结构的破坏。研究成果对高烈度地震区山岭隧道抗减震设计与施工具有一定的参考价值。     

复杂围岩隧道洞口段动力响应特性分析

阐述了基于小波变换的隧道洞口段三维动力有限元分析的时域分析法,建立了相应的有限元分析模型,对提速列车振动荷载作用下,不同围岩条件隧道洞口段动力响应特性进行分析研究,得出了隧道洞口段不同围岩条件下的时程响应规律。研究成果对进一步分析提速铁路隧道洞口段的动力稳定性具有重要意义。     

爆炸地震波作用下深埋圆形隧道的动力响应分析

 深地下结构在爆炸地震波作用下的动力响应是防护工程设计和评估的重要问题,发展适应深部特点的快速计算方法具有重要意义。采用集中质量方法将圆形隧道离散为有限自由度体系,并将爆炸地震波的作用看作一系列作用在集中质量上的动力,利用局部变形理论将围岩的弹性抗力简化为弹性链杆,采用矩阵力法考虑结构在各种内力作用下产生的自身变形和弹性半空间的变形,并据此建立结构动力方程矩阵。通过对结构动力方程的求解,可以得到结构的动力集中系数和结构内力、弯矩、位移等参数。采用所提出的方法计算一个算例,分析围岩等级、荷载作用位置、正压作用时间以及入射波角度等因素对隧道衬砌结构动力响应的影响。     

地震荷载作用下地裂缝场地动力响应试验研究

 以西安地铁穿越地裂缝区域为工程背景,采用振动台模型试验,模拟地震荷载作用下地裂缝场地的动力响应。试验结果表明：地震荷载作用下,地裂缝场地中的隐伏地裂缝逐渐出露,随着地震动力荷载的持续作用,裂缝在地表贯通,并在裂缝的上盘区域中生成与之相交的次生裂缝,地裂缝内部的松散充填土体沿裂缝向上运动。地震动力荷载作用下,地裂缝场地产生不均匀沉降,且地裂缝位置产生的沉降大于其两侧区域,不均匀沉降导致地裂缝两侧产生张拉力,张拉力继而使隐伏地裂缝扩展出露地表,同时伴随裂缝宽度增加。振动过程中,地裂缝场地上盘所产生的动力加速度大于场地下盘区域的动力加速度。研究结果可为地震荷载作用下地裂缝场地中的结构抗震设计提供重要参考。     

不同埋深矩形隧道地震响应的离心振动台试验

开展砂质粉土层中矩形截面隧道的动力离心模型试验研究,共进行3组试验,包括土体自由场试验、浅埋隧道试验以及深埋隧道试验,得到土体和隧道结构的地震反应规律,包括不同深度的土体地震反应加速度、土体水平地震反应位移、地表沉降以及隧道横截面方向的动应变。对比几组试验结果,研究隧道的存在对场地地震反应的影响,并探讨不同埋深隧道地震响应的差别。研究结果表明：隧道的4个角点位置地震变形最大,隧道的存在改变了场地的动力特性,深埋隧道的地震响应大于浅埋隧道。     

浅埋偏压洞口段隧道地震响应振动台模型试验研究

 首先对试验装置、模型相似比、相似材料、试验模型箱和测试技术等进行介绍,然后通过围岩与隧道结构的加速度响应、地层变形及内力分布规律等对振动台模型试验及数值计算结果进行分析和比较。分析结果表明：振动台模型试验和数值模拟结果有较好的吻合性;加速度随着高程的增加有明显的放大效应,偏压隧道地表临空坡面导致放大效应明显增加;地层随高程产生呈抛物线分布的相对位移值,相对位移值大小与围岩类型有关;隧道结构对地层有明显的追随性和依赖性;隧道衬砌横截面共轭45°方向为较大内力值分布部位,无偏压隧道结构横截面内力呈反对称分布,偏压隧道有较不利的内力值分布与较大峰值等。以上成果对于合理认识浅埋偏压隧道的地震响应特征具有重要意义,并对隧道实际工程设计和施工的抗震设防提供宝贵的基础资料。     

塔式锅炉钢架在地震作用下的动力响应分析

以某塔式锅炉钢架为研究对象,运用有限元软件ANSYS建立该钢架的有限元整体模型,进行自振特性的研究,得到该钢架的前30阶模态和自振周期。以此为基础,输入3条地震加速度时程曲线,对钢架进行了地震作用下的动力响应分析。可为工程设计提供参考。     

嘎隆拉隧道洞口段地震响应大型振动台模型试验研究

 洞口段为隧道抗震关键位置,极其容易发生地基失效及结构破坏。通过对嘎隆拉隧道洞口段轴向100 m开展大型振动台模型试验研究,研究结果表明：土体对其卓越频率附近的地震波有明显的放大作用,对地震波高频部分有滤波作用;地震时隧道与土体同步振动,不表现出自身的固有振动频率,惯性力对地下结构地震反应影响不大,故隧道抗震研究的重点是地震下围岩的失效防治,结构抗震设计主要目的是减小围岩失效对隧道产生的破坏;减震层和抗震缝的设置都不会改变结构地震反应的频谱特性,但设置减震层后,结构的峰值加速度增加,加速度放大系数不能作为减震效果的评判依据。研究成果对隧道的抗震设计和减震设计有重要工程应用价值。     

地震作用下顺层岩质边坡动力响应的试验研究

基于相似理论建立顺层岩质边坡力学模型,并介绍爆炸模型试验的设计思路及试验方法。以导爆索为爆源,通过水下爆炸模型试验,研究近场地震作用下原型边坡的变形破坏模式以及支护结构对边坡稳定性的影响。试验结果表明,顺层岩质边坡的在近场地震作用下的破坏主要表现方式为节理岩体间的层间滑动,破坏模式为应力波导致的滑移–拉裂破坏;重力式挡墙的压应力峰值分布随着墙高的变化呈现先增大后减小的钟形分布;结合汶川地震现场考察及试验结果发现,支护结构对边坡稳定性起着重要作用。     

地震波频率对岩质斜坡加速度动力响应规律的影响

 斜坡在地震作用下的动力响应是地震波各频率组分与斜坡体共同作用的结果,不同的地震波频率将产生不同的斜坡响应。依托于振动台模型试验,针对均质和层状结构模型斜坡,首先分析试验不同阶段白噪声激振下的动力特性,得出两模型斜坡的共振频率呈现降低趋势,模型内部结构趋于松散,且水平向加速度的第1阶共振频率要低于竖直向加速度的第1阶共振频率。着重分析斜坡加速度动力响应规律及其与地震波频率变化的相关性,结果表明：(1) 两模型的水平向加速度响应在相对坡底高程(h/H＞1/2)时具有明显的高程放大效应,竖直向加速度响应的高程放大效应出现在h/H＜3/4的部位,且这一特征与激振频率的大小无关;(2) 在同等激振强度下,随着激振频率增大,越靠近模型斜坡的共振频率,两模型斜坡水平向加速度的响应程度也越高,而竖直向加速度响应强度与激振频率的相关性因模型斜坡结构不同而异;(3) 激振强度增加时伴随的模型结构恶化(即共振频率降低)并不一定导致加速度响应强度的减弱,相反,高频激振波由于更加接近模型的共振频率,使得响应减弱的可能性变小;(4) 层状结构模型斜坡的加速度响应强度大于均质结构模型斜坡,当激振强度较大时,这种层状结构效应与激振频率的相关性增强,表现为随着激振频率增大,该效应对水平向加速度而言逐渐明显,对竖直向加速度而言则相对减弱。     

弹性饱和多孔介质在非轴对称荷载下的稳态动力响应

应用Fourier展开和Hankel变换 ,求出了弹性饱和多孔介质Biot方程在非轴对称情况下的级数解。首先把饱和多孔介质固体骨架位移和孔隙流体压力用级数展开 ,建立了级数系数函数满足的微分方程组 ;然后把未知函数按一定方式进行组合 ,使方程组进一步简化 ;再应用Hankel变换把关于两个变量的微分方程组转化为只有一个变量的微分方程组 ;最后解微分方程组 ,得到了有关函数的Hankel变换。接着 ,以Biot方程在非轴对称情况下的Hankel变换解为基础 ,给出了饱和多孔介质总应力分量和孔隙流体相对于介质骨架位移的Hankel变换表达式。作为特例 ,在文章的结尾部分还应用Biot方程的解得到了半空间弹性饱和多孔介质分别在表面非轴对称竖向简谐荷载和水平简谐荷载作用时的稳态动力响应。所有这些结果都对研究饱和多孔介质的动力响应特性和有关工程领域有一定意义。     

平面SH波作用下套管–水泥环的动力响应

套管完井结构(套管+水泥环+围岩)的长度远大于直径,将平面SH波作用下套管完井结构的动力响应问题简化为二维平面问题,假定套管、水泥环和围岩均为各向同性的均质弹性体,运用波函数展开法和复变函数的保角映射法,根据套管内边界自由、套管与水泥环完全联结和水泥环与围岩完全联结的边界条件,得到散射和折射SH波势函数展开式的待定复系数的理论解。以某气田102井的套管结构为实例,计算地震SH波产生的套管动应力,其最大值大于套管屈服应力,由此说明地震是导致该气田套管变形的直接原因。最后,通过引入动应力集中因子概念,分析围岩和水泥环对动应力集中的影响,结果表明：(1) 降低水泥环的强度可以减小水泥环的动应力集中;(2) 围岩越硬,水泥环的动应力集中越小;(3) 围岩的动应力集中基本不受围岩软硬程度和水泥环强度的影响。