考虑冻融循环影响的寒区隧道洞口段地震响应研究
作者单位：兰州交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：刘志强
授予年度：2023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]
摘 要：中国寒区主要有高海拔寒区和高纬度寒区。高海拔寒区的主要特点是海拔高、气候寒冷,主要集中在青藏高原全部,甘南、川西、滇北等中西部地震带最密集的地区。随着我国交通网的日趋完善,早日打通这些地区的交通要道已成定论,而这其中隧道工程的稳定是决定性的关键。冻融循环本身就会缩短季冻区混凝土工程的寿命,近年来高海拔寒区的高频地震使这些原本承受不同程度冻融损伤的寒区隧道面临更严重的地震破坏,遗憾的是国内至今没有对这种承受冻融和地震双重破坏的特殊隧道进行过系统研究。同时,我国还新建了不少处于高原高寒地区高烈度地震带上的隧道,比如木寨岭隧道、当金山隧道、嘎隆拉隧道等。本文以某季冻区浅埋隧道洞口段为研究对象,通过建立非饱和土瞬态温度场导热微分控制方程、非饱和土瞬态液体流动微分控制方程得到了寒区隧道洞口段的瞬态温度场、水分场;然后通过质量守恒原理推导出温度场和水分场之间的联系方程,得到了寒区隧道洞口段衬砌背后围岩未冻水含量、体积冰含量随温度变化的规律;再将冻土看作是一种特殊的热敏材料,基于破碎冻融圈整体冻胀理论获得衬砌背后冻融圈内随时间变化的冻胀荷载,一并与自重应力叠加获得了寒区隧道洞口段的初始地应力;最后将地震荷载量化处理后等效为各质点的体力,考虑冻融循环对寒区隧道洞口段冻融圈内土体强度与衬砌力学参数的影响,使用COMSOL Multiphysics多场耦合有限元分析软件探求了受冻融影响的寒区隧道洞口段地震响应规律。主要研究内容及成果如下:(1)寒区隧道洞口段在冷、暖两季典型时刻的地震响应:无论采用何种分析方法,考虑破碎冻融圈的寒区隧道洞口段各测点在冷季时的地震响应均弱于暖季时的地震响应;无论是冷季还是暖季,未考虑冻融循环影响的寒区隧道洞口段在遭遇地震时,极为隐蔽的衬砌墙脚部位最易进入塑性,仅在融化期遭遇地震时墙脚部位才产生破坏;仰拱呈现内拉外压的受力特征,顶部拱圈、侧面曲墙等部位受力均匀且较小。(2)受冻融循环影响的寒区隧道洞口段30年内的地震响应:冻融循环对寒区隧道洞口段地震响应的影响在各测点均表现出破坏的可能性随时间的推移而增大,尤其以墙脚内侧压应力区最为明显;受统计方法约束,冻融前10年衬砌地震响应较小,从冻融第15年开始洞口段衬砌地震稳定性有了较明显的劣化。受冻融循环影响的寒区隧道洞口段衬砌结构在遭遇地震动时可能产生的主要破坏形式有:衬砌开裂加剧冻胀破坏、局部掉块、坍塌、隧道底鼓等,从冻融循环的时间轴上看,这几种破坏将是从前往后依次递进的。(3)受冻融循环影响的寒区隧道洞口段在不同地震动峰值作用下的地震响应:受冻融循环影响的寒区隧道洞口段在遭遇不同烈度的地震时,破坏的可能性与地震动峰值加速度a值呈正相关;尤其当寒区隧道洞口段在暖季遭遇高烈度地震时,隧道衬砌破坏的可能性更是相较于一般地震烈度呈现大幅剧烈变化。无论a为何值,无论冷季还是暖季发震,受冻融循环影响的寒区隧道洞口段在不同地震烈度等级下衬砌横断面最大、最小主应力均出现在左右墙脚处,仰拱内外侧次之。(4)根据上述研究结论,研究了寒区隧道洞口段衬砌背后围岩墙脚局部富水的地震响应:存在局部富水围岩的隧道洞口段各测点的地震响应均大于同烈度作用下的无局部富水围岩隧道;左右墙脚依旧是灾变高发区,仍符合冷季地震响应程度弱于暖季响应的规律。等效塑性应变峰值出现在隧道左右墙脚处的塑性区,且左墙脚富水区域的塑性区明显大于右侧无局部富水区域。另外,在衬砌的左右拱脚部位也出现了两个对称分布、大小几乎相等的塑性区,该处衬砌结构受力可能已经超出了弹性范围产生塑性变形,但又由于围岩的约束使得左右拱脚部位产生了裂缝。
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