基于波動理論的高陡邊坡山嶺隧道洞口地震響應(yīng)分析.pdf

1、由于軟弱圍巖和局部地形對地震波均有放大作用，隧道洞口震害頻繁發(fā)生，是山嶺隧道抗震的薄弱部位。強震觀測表明，加速度沿高程呈現(xiàn)顯著的非線性放大特征，隨著坡高和坡度的增加，洞口位置的升高，隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)將更為強烈，強震誘發(fā)隧道結(jié)構(gòu)破壞的風險更高。本文以成蘭鐵路隧道洞口工程為依托，以波動數(shù)值模擬為主線，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，對高陡邊坡山嶺隧道洞口地震響應(yīng)開展了較為系統(tǒng)的研究，取得了如下研究成果:
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2、對隧道地震響應(yīng)數(shù)值分析中的波動理論和振動理論進行了總結(jié)，通過大量數(shù)值算例分析討論了兩種理論的差異性及適用性。結(jié)果表明:波動理論與振動理論的差異在于地震動輸入方式不同。振動理論中位移輸入精度最差，加速度輸入受邊界效應(yīng)影響，數(shù)值穩(wěn)定性較差。當?shù)乇砥教?、無局部地形影響時，加速度輸入可近似代替波動輸入;對于局部地形影響的山嶺隧道洞口，建議采用波動輸入。
　　(2)對成蘭鐵路64個隧道洞口工程進行調(diào)研，歸納出成蘭鐵路隧道洞口的主要特點。基于

3、統(tǒng)計結(jié)果，將山嶺隧道洞口邊坡簡化為單面均質(zhì)邊坡，采用數(shù)值方法對地震動放大效應(yīng)進行參數(shù)化研究，分析了襯砌與圍巖的相對剛度、圍巖動力參數(shù)（阻尼和動彈模）、洞口地形（坡度和坡高）、地震波幅值和頻率對地震動放大效應(yīng)的影響。結(jié)果表明:加速度放大系數(shù)受坡高、圍巖剪切波速和地震波頻率影響，沿高程呈現(xiàn)兩種分布規(guī)律:坡高小于臨界坡高時，加速度放大系數(shù)沿高程線性增加;坡高大于等于臨界坡高時，加速度放大系數(shù)沿高程先緩慢減小然后迅速增大。臨界坡高與圍巖剪切波速

4、和地震波卓越頻率相關(guān)。根據(jù)數(shù)值結(jié)果，提出隧道洞口加速度放大系數(shù)的建議取值方法，為采用地震系數(shù)法進行隧道襯砌抗震設(shè)計提供參考。
　　(3)基于粘彈性邊界，推導(dǎo)了P波和S波垂直入射時隧道洞口三維等效節(jié)點力計算公式，在ANSYS中采用APDL編制了輔助程序，實現(xiàn)了地震波的自動加載。以成蘭鐵路某隧道進口為研究對象，開展三維動力響應(yīng)數(shù)值分析，研究了襯砌的地震響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明:隧道洞口襯砌地震反應(yīng)呈現(xiàn)三維特征，洞口地形對縱向內(nèi)力影響較橫向內(nèi)

5、力更為顯著。P波和SV波輸入下，拱頂和仰拱為薄弱部位，SH波輸入下，拱肩和拱腳為薄弱部位。三種波中，垂直于隧道軸線偏振的剪切波（SH波）對襯砌地震響應(yīng)影響最大。隧道洞口位置對襯砌內(nèi)力幅值有一定影響，洞口位置由坡腳上升至坡腰時，襯砌內(nèi)力最大增加了約30％。
　　(4)基于時域波動數(shù)值理論，建立了山嶺隧道洞口段P波和S波斜入射的輸入方法。在ANSYS中采用APDL編制了輔助程序，實現(xiàn)了地震波傾斜入射，并通過數(shù)值算例驗證了方法和程序的有