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逆断层错动-地震动共同作用下隧道结构力学响应及适用性研究

逆断层错动-地震动共同作用下隧道结构力学响应及适用性研究

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作者：廖明荣昆明理工大学

学位级别：硕士

我国西南地区群山峻岭、地质复杂,高烈度地震区活动断裂带十分发育,在交通隧道建设过程中,穿越活动断层的隧道逐渐增多。隧道结构在断层错动及地震动作用下易发生严重破坏,特别是遭受错动和地震动共同作用的情况。因此,亟需开展隧道结... 详细信息

我国西南地区群山峻岭、地质复杂,高烈度地震区活动断裂带十分发育,在交通隧道建设过程中,穿越活动断层的隧道逐渐增多。隧道结构在断层错动及地震动作用下易发生严重破坏,特别是遭受错动和地震动共同作用的情况。因此,亟需开展隧道结构抗错减震性能及适用性研究,对保障跨活动断层隧道的结构安全,具有重要的工程应用价值。目前,跨活动断层隧道设防研究重点主要集中于接头部位和减震隔离层,较少关注多种单一措施组合的支护结构体系以及错动-地震动共同作用。本文依托云南穿越小江活动断裂带次级断层某公路隧道工程,根据依托工程特点并结合隧道组合支护结构设防体系成果,采用数值分析方法,分析逆断层隧道错动及地震动共同作用下组合支护结构的力学响应及适用性。主要研究工作及结论如下:(1)基于波动理论及商业有限元软件平台,开发了基于无限元边界的地震动输入程序,实现了等效节点力时程的自动输入。依托格-巧高速公路某隧道的工程地质条件及场地情况,建立了考虑错动-地震动共同作用下的三维计算模型,分析了断层错动以及错动-地震共同作用下隧道结构力学响应与结构损伤机理。结果显示,衬砌损伤分布主要集中在断层破碎带及其临近区域,墙脚部位为结构抗错及抗震最不利部位,衬砌整体破坏特征为拉、压损伤破坏。断层破碎带区域存在较明显的加速度放大效应,由于断层破碎带内岩体质量较差,受错动及地震动影响更加明显,且断层破碎带内的位移变化较大,更容易导致结构损伤,因此,破碎带范围及邻近区域需要重点设防。(2)结合依托隧道支护结构体系和已有研究成果,构建了由减震缝、减震层和衬砌节段组成的组合支护结构,对比分析了两种组合支护结构的抗错减震性能。探讨了不同断层宽度、断层倾角及上下盘岩体条件下,组合支护结构的错动-地震响应特征。结果表明:因增加减震层厚度提高了隧道结构的整体安全性,从而改善了原支护结构体系的抗错减震性能。随着断层宽度的减小、断层倾角的增大,以及上下盘岩体与破碎带围岩质量差异越大,衬砌应力集中现象加剧,受力越不利,衬砌应力幅值的波动越大,震后应力残留现象越明显。同样,衬砌位移沿轴向的“S”形分布逐渐转变为倾斜“Z”字形分布,且断层错动面的位移突变现象更明显,表现为该断面处位移斜率增大,变化更为迅速。组合支护结构的抗错减震性能随断层倾角的增大、断层宽度的减小及围岩差异性的增大而降低。(3)从损伤极值和损伤范围两个角度,建立了错动-地震作用下支护结构的损伤状态等级标准。针对穿越活动断层隧道组合支护结构,研究了考虑在不同错动位移下,隧道组合支护结构面对不同地震动特征(包括地震动强度、地震动方向)的抗错减震适用性。结果表明:1)从结构损伤状态等级标准控制角度看,在5cm、10cm和15cm的竖向错动位移下,组合支护结构分别能够适用0.4g、0.3g和0.2g及以下的竖向地震动强度,表现出较好的抗错减震适用性。2)在竖向错动10cm条件下,组合支护结构对横向和竖向地震动的抗错减震适用性较好,而对轴向地震动的适用性较差。表现为前者衬砌结构的损伤严重程度及损伤分布范围相对较小,而后者出现全截面拉损伤区域且损伤面积较大。

关键词：山岭隧道逆断层组合支护结构错动-地震共同作用力学响应抗错减震性能

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