山嶺隧道洞口段地震損傷反應(yīng)特性與損傷評(píng)價(jià)方法研究.pdf

1、高烈度地震區(qū)山嶺隧道洞口段是隧道震害的易發(fā)部位，其震害主要包括洞口段襯砌結(jié)構(gòu)因地震波作用而開(kāi)裂受損和洞口仰坡因動(dòng)力失穩(wěn)而崩塌、滑坡掩埋洞口兩大類，這兩類震害均會(huì)嚴(yán)重危害隧道工程的運(yùn)營(yíng)安全。本文從實(shí)際的震害現(xiàn)象出發(fā)，采用理論推導(dǎo)、數(shù)值分析和振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)地震作用下隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)的損傷演化以及仰坡的動(dòng)力穩(wěn)定性這兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，所取得的主要研究成果與結(jié)論如下:
　　(1)總結(jié)了現(xiàn)有的各類吸收邊界與波動(dòng)輸

2、入方法，指出現(xiàn)有的各類表現(xiàn)形式各異的波動(dòng)輸入方法均為具有內(nèi)在統(tǒng)一性的耦合波動(dòng)輸入法?；谟蚩s減法提出了一種名為“域縮減波動(dòng)輸入法”的解耦時(shí)域波動(dòng)輸入方法，該方法將等效荷載輸入界面移入吸收邊界設(shè)置界面的內(nèi)側(cè)，將外源波動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為內(nèi)源波動(dòng)問(wèn)題，具有計(jì)算精度高、吸收邊界選取靈活、等效荷載求解方便、且能夠有效的結(jié)合無(wú)限元邊界構(gòu)建靜—?jiǎng)恿y(tǒng)一人工邊界等優(yōu)點(diǎn);
　　(2)基于域縮減波動(dòng)輸入法提出了一種適用于豎向傳播剪切波作用下隧道地震反應(yīng)分析

3、的簡(jiǎn)化剪切波波動(dòng)輸入法，一維土柱模型、自由場(chǎng)模型、含隧道的模型之間的對(duì)比分析表明這種方法所得到的結(jié)果符合理論預(yù)測(cè)，是一種簡(jiǎn)單可靠的豎向傳播剪切波波動(dòng)輸入法;
　　(3)在總結(jié)、評(píng)述現(xiàn)有的各類混凝土損傷與開(kāi)裂本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，將混凝土塑性損傷模型和鋼筋的建模方法引入鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析。此模型基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和彈塑性理論，不需要預(yù)先假定構(gòu)件的開(kāi)裂部位，對(duì)于復(fù)雜地震波動(dòng)場(chǎng)中襯砌結(jié)構(gòu)的損傷開(kāi)裂的預(yù)測(cè)具有良好的適用性。以燒

4、火坪隧道為原型，分析了隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)在剪切波作用下的破壞機(jī)理，所得到的襯砌裂縫分布與震害現(xiàn)象一致，驗(yàn)證了塑性損傷模型的適用性;
　　(4)為突破傳統(tǒng)應(yīng)力分析法中應(yīng)力指標(biāo)及相應(yīng)的內(nèi)力指標(biāo)的局限性，提出了兩種用于評(píng)價(jià)襯砌結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷與開(kāi)裂程度的指標(biāo)，即襯砌裂縫開(kāi)口寬度和動(dòng)力損傷指數(shù)。其中，裂縫開(kāi)口寬度能夠從理論上預(yù)測(cè)襯砌結(jié)構(gòu)裂縫開(kāi)口的寬度，這一指標(biāo)可以作為襯砌結(jié)構(gòu)第二水平“中震可修”與第三水平“大震不倒”階段分析與設(shè)計(jì)的

5、評(píng)價(jià)依據(jù);而動(dòng)力損傷指數(shù)能夠簡(jiǎn)單直觀的描述襯砌結(jié)構(gòu)整體的損傷程度隨時(shí)間的變化，明確的指出引發(fā)或加劇襯砌損傷的時(shí)間段;
　　(5)推導(dǎo)了Rayleigh波的自由場(chǎng)位移解，在域縮減波動(dòng)輸入法的基礎(chǔ)上，提出了適用于三維有限元模型的Rayleigh波時(shí)域波動(dòng)輸入方法。與現(xiàn)有的粘彈性邊界波動(dòng)輸入法的比較表明，二者具有一致的數(shù)值精度，但由于域縮減波動(dòng)輸入法與吸收邊界的解耦，且不需要求解自由場(chǎng)應(yīng)力解，因而避免了粘彈性邊界波動(dòng)輸入法中三維有限元模

6、型中側(cè)面吸收邊界設(shè)置和波動(dòng)輸入的難題;
　　(6)以龍溪隧道為原型，應(yīng)用Rayleigh波時(shí)域波動(dòng)輸入方法和混凝土塑性損傷模型，建立了隧道洞口段三維有限元模型，分析了Rayleigh波作用下隧道洞口段損傷演化過(guò)程。分析結(jié)果表明，Rayleigh波對(duì)隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)的影響局限于洞口附近一定范圍，且其影響隨著進(jìn)深增加而減小。襯砌的損傷是一個(gè)在地震波循環(huán)往復(fù)作用下隨時(shí)間的逐步累積過(guò)程，幅值相對(duì)較小的波峰也可能導(dǎo)致顯著的加劇損傷，單獨(dú)的

7、彈性分析并不能準(zhǔn)確的指出襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生最大破壞的時(shí)間和破壞的部位。素混凝土襯砌與鋼筋混凝土襯砌損傷反應(yīng)的對(duì)比表明，在強(qiáng)烈的地震作用下，鋼筋的引入并不能阻止襯砌的開(kāi)裂，但能有效的抑制裂縫的擴(kuò)展，對(duì)于維持襯砌這類厚板殼狀結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)穩(wěn)定性和防水性具有重要作用。分析結(jié)果很好的再現(xiàn)了龍溪隧道的震害現(xiàn)象，驗(yàn)證了有限元建模方法的合理性。
　　(7)為研究地震作用下山嶺隧道仰坡的動(dòng)力響應(yīng)特性及仰坡坡體和襯砌結(jié)構(gòu)的相互作用，以龍洞子隧道為原型，設(shè)

8、計(jì)并完成了隧道洞口段大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，地震作用下仰坡的加速度反應(yīng)存在顯著的非線性放大效應(yīng)和趨表效應(yīng);當(dāng)輸入地震波幅值超過(guò)0.6g時(shí)，土體的非線性反應(yīng)明顯增強(qiáng)，加速度放大系數(shù)顯著降低，表現(xiàn)出放大效應(yīng)飽和的特性，且沿坡體豎直向上，加速度分布逐漸表現(xiàn)出平均化的趨勢(shì);隧道洞口段仰坡水平向動(dòng)力反應(yīng)受隧道結(jié)構(gòu)存在的影響較小，可簡(jiǎn)化為自然邊坡進(jìn)行分析;仰坡的動(dòng)力失穩(wěn)是影響襯砌結(jié)構(gòu)安全性的重要因素，當(dāng)輸入地震波幅值較小時(shí)，豎直向地震作用