富水黃土隧道隧底動力特性研究.pdf

1、為了解決高速列車振動荷載作用下隧底富水黃土可能出現(xiàn)的泥化、軟化問題，本文以鄭西鐵路客運(yùn)專線張茅富水黃土隧道為依托，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，對富水黃土隧道施工階段的防排水措施進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和理論分析方法，對隧底可能出現(xiàn)的泥化和軟化問題進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的開創(chuàng)性研究。具體工作包括：
　　 ⑴結(jié)合論文的研究課題背景，對國內(nèi)外高速鐵路、高速鐵路隧道、大斷面黃土隧道和激振試驗(yàn)的研究進(jìn)展，進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。

2、>　　 ⑵針對張茅富水黃土隧道的施工方法，提出施工階段“封閉、集中、保護(hù)、早強(qiáng)”的防排水措施，取得了良好效果，并在現(xiàn)場試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。
　　 ⑶借助自行研發(fā)的DTS-1型高速列車激振試驗(yàn)系統(tǒng)，首次在黃土隧道內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場激振試驗(yàn)，掌握了富水黃土隧道及圍巖在高速列車動荷載作用下的動力特性和變形規(guī)律?？偨Y(jié)如下：①加載面的動位移在激振頻率為21Hz之前，隨激振頻率的加大增長速率較快，為非線性增長；在21Hz之后增長速率變緩，近似為線性

3、變化。230萬次激振后，加載面累積沉降不大于0.32mm。②垂直振動速度沿仰拱深度方向的傳遞和衰減規(guī)律為：仰拱內(nèi)不明顯的衰減、拱底混凝土與黃土交界區(qū)域一定范圍內(nèi)的突變和拱底黃土中的非線性快速衰減；結(jié)合波動理論，解釋了突變發(fā)生的必然性和影響突變的因素。此外，還得到了垂直振動速度沿隧道截面橫向和縱向的衰減規(guī)律。③當(dāng)激振頻率≤21Hz時(shí)，加載面振動速度隨激振頻率的提高變化不大且近似為線性增加，當(dāng)激振頻率>21Hz時(shí)，仰拱填充面振動速度隨激振頻

4、率的增高呈快速非線性增長。加載面的最大振動速度為1.61mm/s。④通過現(xiàn)場激振試驗(yàn)，得出不同激振頻率下動應(yīng)力與激振時(shí)間的關(guān)系、同一激振頻率下動應(yīng)力與累計(jì)激振次數(shù)的關(guān)系、不同激振頻率下動應(yīng)力與深度變化的關(guān)系和同一激振頻率下動應(yīng)力與激振次數(shù)的關(guān)系，揭示了現(xiàn)場試驗(yàn)條件下，動應(yīng)力具有對激振時(shí)間、激振頻率均不敏感的特性。⑤通過現(xiàn)場激振試驗(yàn)，得出不同頻率動荷載作用下，仰拱回填混凝土內(nèi)應(yīng)變與激振時(shí)間的關(guān)系，揭示了在現(xiàn)場試驗(yàn)條件下，動應(yīng)變具有對激振頻

5、率不敏感的特性。⑥通過現(xiàn)場激振試驗(yàn)，得出不同激振頻率下仰拱底部附近的黃土圍巖中超靜水壓與激振時(shí)間的關(guān)系：發(fā)現(xiàn)超靜水壓基本不變，表明超靜水壓對激振頻率不敏感：超靜水壓絕對最大值為0.1kPa，不能對拱底黃土產(chǎn)生軟化作用。⑦隧底黃土在激振試驗(yàn)前后的性質(zhì)基本沒有改變，表明富水黃土沒有泥化和軟化，滿足高速鐵路隧道對地基的要求。
　　 ⑷利用計(jì)算機(jī)軟件Plaxis2D動力模塊，對激振試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，分析了4種頻率下隧道-地基體系的動力響應(yīng)

6、；在此基礎(chǔ)上，開展了三維動力有限元分析，得出激振沿隧道縱向的影響范圍為加載面兩側(cè)各約18m。此外，結(jié)合實(shí)測值和理論關(guān)系，對數(shù)值分析結(jié)果的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 ⑸在現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，得出了動應(yīng)力和振動速度沿深度的發(fā)展規(guī)律，提出了動應(yīng)力的衰減表達(dá)式，從理論上對振動速度在仰拱和拱底黃土交界面附近的突變進(jìn)行了解釋。
　　 ⑹基于現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，得出激振的影響深度為加載面以下約6m，即仰拱底部約3m處。

7、>　　 ⑺現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，仰拱內(nèi)回填混凝土的應(yīng)變最大值不超過3μ，表明回填混凝土的應(yīng)力水平很低，因此仰拱回填材料可以優(yōu)化；仰拱底面處的動應(yīng)力和振動強(qiáng)度很小，仰拱厚度也可以考慮優(yōu)化。
　　 ⑻以彈性動力學(xué)為基礎(chǔ)，借助兩相介質(zhì)Biot動力學(xué)方程，研究了動荷載作用下隧道-地基體系的動力響應(yīng)，得出了特殊情況下的解析解，提出了進(jìn)一步研究的重要性和必要性。研究結(jié)果表明，在激振動荷載作用下，拱底富水黃土不會泥化和軟化，隧道基礎(chǔ)是穩(wěn)定