隧道工程纵向减震缝动力响应及减震机理研究

作     者：马少森 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈卫忠

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：隧道工程 工程减震 纵向减震缝 动力响应 减震机理 

摘      要：中国西部地处青藏高原,地质构造复杂,地壳运动强烈,地震活动频繁。在该地区建设有诸多隧道工程,它们无疑都将面临高风险强震灾害的威胁。为保障隧道在全寿命周期内的运行安全,深入开展隧道工程的减震方法和减震机理研究,具有理论和工程意义。本文依托西藏嘎隆拉隧道工程,以纵向减震缝为研究对象,借助理论分析、室内模型试验和有限元数值仿真等技术手段,深入研究了减震缝的动力响应特征以及减震机理,主要研究工作和成果如下:(1)考虑隧道衬砌结构中地震波的纵向传播路径,以弹性波动力学理论为基础,建立了地震波穿越减震缝的纵向传播理论模型,然后基于该模型,提出了减震缝的减震效果判别式,通过在不同工况下代入衬砌和减震缝材料的具体力学参数,对比地震波穿越减震缝前后振幅大小的变化,评价了减震缝的减震效果。最后,结合经典模型试验工况,验证了纵向传播理论模型和减震效果判别式的准确性和适用性。(2)针对沥青混合料和橡胶两种隧道减震缝材料开展动态力学试验,探究了材料在地震频率荷载下的动力响应特征。结果表明:沥青混合料的动态模量随着加载频率的增加而增加,但随着加载频率的不断增加,混合料动态模量的增加速率明显下降,并逐渐趋于平缓;而在地震荷载的频率范围内,橡胶材料的弹性模量基本保持不变。(3)借助双轴动态加载试验机和光学应变测量设备,在地震荷载频率下开展混凝土—减震缝模型的动态循环加卸载和应变监测试验,综合考虑减震缝的弹性模量、厚度以及循环加载方式,设置18组不同的试验工况,探究了减震缝的减震机理。结果表明:减震缝的弹性模量和厚度对其减震效果影响显著,弹性模量越低、厚度越大的减震缝对应力或应变的削减作用越明显,地震荷载下,越能对缝后衬砌结构起到保护作用。(4)依托嘎隆拉隧道工程,基于有限元数值仿真,建立了隧道洞口的三维模型,综合考虑减震缝的弹性模量、厚度、间距、数量以及位置,设置32组不同的计算工况,通过对比各工况下隧道洞口监测断面的动力响应特征,探究了减震缝的减震机理。结果表明:减震缝的弹性模量、厚度、间距、数量以及位置(距离洞口的长度)等因素均可对隧道整体的减震效果产生影响。其中,弹性模量越小、厚度越大、间距越小、数量越多、布缝区间距离洞口越近,减震效果越好。针对所建隧道洞口模型,评价了减震缝厚度、间距、数量、位置这4个因素对隧道整体减震效果的影响权重比例,确定为36:14:48:25。(5)依托嘎隆拉隧道工程,结合所建洞口模型和工况设置,讨论了减震缝的工程适用性,得出结论:沥青混合料减震缝满足隧道7度抗震设防要求,而橡胶减震缝性能更优,满足隧道8度抗震设防要求。另外,减震缝的最佳布置方案为采用丁苯橡胶材料,厚度取20 cm,间距取10 m,数量取3层,布缝区间距洞口取5 m。