高速鐵路隧道基底軟巖動力特性及結構安全性研究.pdf

1、隨著我國高速鐵路建設的快速發(fā)展，必然會出現(xiàn)越來越多穿越軟弱地層的高速鐵路隧道。為了滿足高速列車運行的高標準，對隧道底部基巖的動力穩(wěn)定性和襯砌結構的安全性提出了更高的要求，高速鐵路隧道結構動力學問題日益突出。本文針對高速鐵路隧道建設中亟需解決的軟巖條件下隧道動力學問題，依托國家重點基礎研究發(fā)展計劃973項目(2011CB013802)、國家自然科學基金項目(50808176)和鐵道部科技開發(fā)計劃項目(2008G031-17)，采用理論分析

2、、室內試驗以及數值計算相結合的方法，系統(tǒng)地研究了列車振動荷載作用下高速鐵路隧道基底軟巖的動力響應、損傷特性和動變形累積過程及發(fā)展規(guī)律，深入分析了基底狀況對高速鐵路隧道襯砌結構受力特性及長期性能的影響。主要研究內容與成果如下:
　　 (1)基于彈塑性理論和損傷理論，建立了混凝土和軟巖的損傷演化方程，將損傷引入到雙曲線型Drucker-Prager準則中，構建了考慮混凝土和軟巖剛度下降和強度劣化的彈塑性損傷模型，推導了相應的本構積分

3、算法迭代格式，利用ABAQUS有限元軟件的UMAT子程序完成了模型的程序開發(fā)，并結合已有的試驗結果驗證了模型的有效性。
　　 (2)研制了能考慮地下水滲流和動載耦合作用的圍巖循環(huán)三軸試驗系統(tǒng)，通過多工況的軟巖、軟基巖與混凝土構件的循環(huán)三軸試驗，確定了其累積變形規(guī)律及不同因素的影響程度，建立了列車振動荷載長期作用下的軟巖塑性累積變形預測模型。試驗結果表明:富水軟巖不可逆變形隨著動應力、靜偏應力的提高而增大;隨著加載頻率的降低而增大

4、;隨著圍壓的增大而變大;地下水條件以及基底狀況對軟巖的動變形特性影響顯著。
　　 (3)采用開發(fā)的混凝土和軟巖彈塑性損傷模型，系統(tǒng)地探討了隧道底部基巖在不同行車速度和隧道底部結構型式下的動力響應、動力損傷分布特征及發(fā)展規(guī)律。結果表明:隧道列車振動的影響深度約為基底以下5m范圍。行車速度的改變對隧道底部基巖加速度的影響最大，增加仰拱厚度的減振效果不如改變仰拱矢跨比的效果明顯;仰拱厚度的改變對基巖動應力的影響最大;隨著仰拱矢跨比的減

5、小，結構逐漸變得扁平，致使基巖動應力和損傷值增大。
　　 (4)針對高速鐵路隧道V級圍巖及富水地段，系統(tǒng)分析了高速鐵路隧道地基長期累積變形問題。研究得出:隧道地基的累積變形隨著列車運行速度的增加有所增大，隨著仰拱矢跨比和仰拱厚度的增大而逐漸減小?；讎鷰r是否積水軟化對隧道的長期累積變形影響顯著。本文中計算的各種行車速度、仰拱矢跨比和仰拱厚度下，高速鐵路隧道地基工后沉降能滿足高速列車長期運營對無碴軌道平順度的要求。