含连拱隧道软弱围岩边坡地震动力响应特性与稳定性研究
作者单位：中南林业科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：江学良;杨慧
授予年度：2020年
学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程]
主 题：含连拱隧道软弱围岩边坡 地震响应规律 振动台模型试验 数值模拟分析 边坡稳定性分析
摘 要：当前,随着我国交通基础设施建设的大发展,国内已建成了大量隧道。其中,相当一部分隧道位于我国西部的强震区。在众多隧道中,连拱隧道作为一种隧道形式,具有通道面积大、用地面积小等特点,在城市用地紧张、山区地质情况复杂施工困难以及线路设计时难以展线等情况下具有明显的优势,已经得到较多应用。由于地震作用,含连拱隧道边坡遭受严重破坏,给国民经济带来巨大损失。目前,对于含连拱隧道边坡的研究集中在数值计算与施工监测,对于地震作用下含连拱隧道边坡的动力响应特性与稳定性研究尚未见于文献。含连拱隧道边坡与普通边坡不同,连拱隧道的存在劣化了边坡的力学环境,使得边坡在地震动力下的受力情况更加复杂,亦不同于含小净距隧道边坡和含单洞隧道边坡。本文以国家自然科学基金项目（51204125,51404309）和湖南省自然科学基金项目（2018JJ3882）为依托,以汶川波、EL-Centro波、Kobe波为激振波,设计并完成了一个相似比为1:20的含连拱隧道软弱围岩边坡振动台试验,采用Midas gts/nx建立了边坡的三维数值计算模型,探究了边坡地震动力响应规律和地震稳定性。研究结果对含连拱隧道边坡抗震设计有一定借鉴意义。主要研究内容与结论见下:（1）振动台试验方案设计按照1:20的相似比,参考相似理论,进行了相似设计。根据试验方案确定了模型箱边界处理方法、测点布置方案、数据监测方法等,利用不同材料配合、制作了含连拱隧道软弱围岩边坡模型。根据依托的工程实际,选择了合适的加载地震波,制定了地震波加载方案。（2）基于振动台模型试验的含连拱隧道软弱围岩边坡地震响应规律研究通过振动台模型试验,采集了含连拱隧道软弱围岩边坡相应测点的加速度和动位移数据。利用数据处理软件整理分析试验数据,得到了不同地震波、不同激振强度和激振方向下含连拱隧道软弱围岩边坡的地震响应规律。研究发现,随着边坡相对高度的增大,含连拱隧道软弱围岩边坡加速度放大系数与动位移响应峰值沿坡面呈现出明显的非线性变化趋势,加速度放大系数和动位移响应峰值变化趋势在岩层分界面处发生较明显的突变;边坡岩体对地震波具有滤波作用。不同地震动参数如地震波类型、激振强度、激振方向等对边坡加速度和动位移响应的影响不同。研究表明,激振强度越大边坡地震动力响应越明显,双向激振下边坡的动力响应更强烈,不同类型地震波激振下边坡的加速度、动位移响应不同。（3）基于数值模拟的含连拱隧道软弱围岩边坡地震响应特性研究利用数值模拟软件Midas gts/nx建立含连拱隧道软弱围岩边坡模型,采集数值模拟数据,与振动台试验结果对比,验证了振动台试验及数值计算模型建立的合理性。基于数值模拟结果,分析边坡内部测点加速度放大系数变化规律,发现边坡加速度放大系数具有趋表效应。通过建立不同的数值计算模型,对比模型的地震动力响应,发现含连拱隧道边坡较无隧道边坡地震动力响应更剧烈,稳定性更差;连拱隧道距离坡面越近,对边坡的地震动力响应影响越大,边坡稳定性越差。研究发现连拱隧道的存在劣化了边坡的力学环境,降低了边坡稳定性;连拱隧道距离坡面越近边坡稳定性越差。通过改变振幅、频谱、持时等地震动参数,探讨了地震动参数对边坡地震动力响应规律的影响。研究发现,振幅越大、时间压缩比越小、持时越长的地震波对边坡地震动力响应的影响越大,边坡地震动力响应越剧烈。（4）含连拱隧道软弱围岩边坡地震稳定性分析基于振动台试验结果结合数值模拟,计算了不同类型、不同持时、不同激振方向、强度的地震波激振下的边坡稳定安全系数。研究发现,双向激振下边坡稳定安全系数较单向激振下的小;持时越长、激振强度越大的地震波激振下边坡稳定安全系数越小,对边坡稳定越不利。通过数值模拟软件建立不同边坡模型,设计了四种护坡方式,通过计算边坡稳定安全系数等指标,发现综合护坡措施保护下的边坡稳定安全系数最大,提高含连拱隧道软弱围岩稳定性最合适的措施是综合护坡措施,在实际工程中建议采用多种护坡方式相结合的护坡措施。综上所述,本文通过设计并完成含连拱隧道软弱围岩边坡振动台模型试验,探索了含连拱隧道边坡地震动力响应特性;并结合有限元分析软件Midas gts/nx对含连拱隧道边坡地震响应规律进行了更深入的研究,讨论了地震动参数对边坡地震响应的影响;最后建立了几种边坡护坡模型,以边坡稳定安全系数为主要指标,提出了适合含连拱隧道边坡的护坡方式;为今后含连拱隧道边坡抗震设计及护坡措施实施提供一定参考依据。
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