设置减震层的浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究

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连拱隧道相比单洞隧道、小净距隧道等常规隧道,具有诸多优点,因此,近年来,连拱隧道的数量与里程数在全国范围内日益增加。我国疆土辽阔、地形复杂、东南地区又多山地丘陵,在连拱隧道的建设中,不可避免的会遇到浅埋偏压的地形条件。而连拱隧道结构复杂,在遭遇地震时,相比普通隧道更容易遭受破坏。因此浅埋偏压连拱隧道在地震作用下的稳定成为人民生命财产安全的保证,而现有的研究成果还远不能满足工程的需求。因此,探究浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律及其减震措施刻不容缓。本文以国家自然科学基金“含地下洞室(群)岩石边坡地震灾变行为与抗震性能评价”(编号:51204215)为依托,利用大型振动台试验和MIDAS GTS/NX有限元软件研究了设置减震层的浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律。研究成果对深入了解浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律以及泡沫混凝土减震层的减震效果具有一定的工程意义。主要研究内容及成果如下:(1)基于相似理论的三大定理、振动台试验的试验目的与实际试验情况,确定了模型的几何相似比为1:20,并根据几何相似比与其余基本相似比确定了模型的相似关系。在相似关系的指导下,通过配比试验与单轴压缩试验,研究了满足振动台试验的强度要求以及变形要求的泡沫混凝土减震层配合比。泡沫混凝土单轴压缩试验结果表明:250kg/m3、300kg/m3和350kg/m3的三种密度的泡沫混凝土均具有较好的延性。其中350kg/m3的试件具有合适的强度(0.5MPa)且变形能力较好,以此作为连拱隧道振动台试验的减震层材料,验证泡沫混凝土在实际隧道工程中作为减震材料的可行性。同时配制出了符合振动台试验要求的衬砌和围岩材料。(2)根据振动台试验的试验特性以及现有研究方法,选取刚性模型箱作为试验载体,并将模型箱做如下处理:模型箱底部先铺4cm厚细石,在细石上铺筑一层细沙加工成摩擦边界以减少底部滑动;模型箱内侧壁粘贴10cm厚聚苯乙烯泡沫板加工成柔性边界,吸收钢板侧壁反射的地震波,降低其对模型的影响;在柔性边界的基础上,在模型箱长边内侧壁的表面粘贴一层聚氯乙烯薄膜形成滑动边界,以此降低柔性边界与模型之间的摩擦。边界处理完成后,将围岩铺筑并埋入模型后完成振动台试验。根据振动台试验的结果,详细分析了设置泡沫混凝土减震层与未设置泡沫混凝土减震层的浅埋偏压连拱隧道的加速度响应、动应变响应以及减震层对两者的影响规律。研究表明,浅埋偏压连拱隧道竖直方向的加速度响应、动应变响应与水平方向差异较大,且竖直方向的响应强度大于水平向;减震层不改变加速度时程曲线的频谱特性,只影响其峰值大小;减震层不仅可以降低衬砌的应变响应峰值,还能使衬砌在0.4g-WC-XZ激振时,振动基线在达到峰值应变之后回到起始位置,阻止该工况完成后塑性变形的产生。说明泡沫混凝土减震层能在一定程度上延缓衬砌进入塑性破坏阶段。(3)采用MIDAS GTS/NX建立了与振动台试验相匹配的数值模型,通过与振动台试验所测的加速度响应规律对比,得出数值计算结果与振动台试验结果的误差在一个数量级内,验证了数值模型的可靠性。基于可靠的数值模型,补充研究了设置减震层的浅埋偏压连拱隧道的位移响应与内力响应。结果表明,无减震层的模型中,各测点的位移值随激振强度的增加而不断增大,设置泡沫混凝土减震层的模型中,竖直位移响应规律与未设置减震层的模型响应规律相似,但水平位移受泡沫混凝土减震层的影响较大。无减震层模型的内力(轴力、剪力和弯矩)以中隔墙最大,且大小随激振强度的增大而不断增大。有泡沫混凝土减震层模型的左洞中隔墙和右洞中隔墙顶的内力峰值也较大,但右洞中隔墙底的内力值较小。0.1g与0.2g低强度激振时,泡沫混凝土减震层对位移响应的减震效果较小。0.4g与0.6g高强度激振时,减震层则可以较大幅度降低隧道衬砌结构的位移峰值,且激振的强度越大,降低的幅度越大。泡沫混凝土减震层对不同性质的内力的减震效果不同,在进行抗震设计时,应当分别考虑。
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