山嶺隧道洞口段地震損傷反應(yīng)特性與損傷評價方法研究.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)因地震波作用而開裂受損和洞口仰坡因動力失穩(wěn)而崩塌、滑坡掩埋洞口兩大類，這兩類震害均會嚴重危害隧道工程的運營安全。本文從實際的震害現(xiàn)象出發(fā)，采用理論推導、數(shù)值分析和振動臺模型試驗相結(jié)合的方法，對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力穩(wěn)定性這兩個關(guān)鍵性問題進行了深入研究，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輸

2、入方法，指出現(xiàn)有的各類表現(xiàn)形式各異的波動輸入方法均為具有內(nèi)在統(tǒng)一性的耦合波動輸入法?；谟蚩s減法提出了一種名為“域縮減波動輸入法”的解耦時域波動輸入方法，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)，將外源波動問題轉(zhuǎn)化為內(nèi)源波動問題，具有計算精度高、吸收邊界選取靈活、等效荷載求解方便、且能夠有效的結(jié)合無限元邊界構(gòu)建靜—動力統(tǒng)一人工邊界等優(yōu)點;
　　(2)基于域縮減波動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、的簡化剪切波波動輸入法，一維土柱模型、自由場模型、含隧道的模型之間的對比分析表明這種方法所得到的結(jié)果符合理論預(yù)測，是一種簡單可靠的豎向傳播剪切波波動輸入法;
　　(3)在總結(jié)、評述現(xiàn)有的各類混凝土損傷與開裂本構(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)損傷力學和彈塑性理論，不需要預(yù)先假定構(gòu)件的開裂部位，對于復雜地震波動場中襯砌結(jié)構(gòu)的損傷開裂的預(yù)測具有良好的適用性。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理，所得到的襯砌裂縫分布與震害現(xiàn)象一致，驗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)力指標及相應(yīng)的內(nèi)力指標的局限性，提出了兩種用于評價襯砌結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷與開裂程度的指標，即襯砌裂縫開口寬度和動力損傷指數(shù)。其中，裂縫開口寬度能夠從理論上預(yù)測襯砌結(jié)構(gòu)裂縫開口的寬度，這一指標可以作為襯砌結(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)計的

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

6、型中側(cè)面吸收邊界設(shè)置和波動輸入的難題;
　　(6)以龍溪隧道為原型，應(yīng)用Rayleigh波時域波動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程。分析結(jié)果表明，Rayleigh波對隧道洞口段襯砌結(jié)構(gòu)的影響局限于洞口附近一定范圍，且其影響隨著進深增加而減小。襯砌的損傷是一個在地震波循環(huán)往復作用下隨時間的逐步累積過程，幅值相對較小的波峰也可能導致顯著的加劇損傷，單獨的

7、彈性分析并不能準確的指出襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生最大破壞的時間和破壞的部位。素混凝土襯砌與鋼筋混凝土襯砌損傷反應(yīng)的對比表明，在強烈的地震作用下，鋼筋的引入并不能阻止襯砌的開裂，但能有效的抑制裂縫的擴展，對于維持襯砌這類厚板殼狀結(jié)構(gòu)的整體力學穩(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、計并完成了隧道洞口段大型振動臺模型試驗。試驗結(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);當輸入地震波幅值超過0.6g時，土體的非線性反應(yīng)明顯增強，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;隧道洞口段仰坡水平向動力反應(yīng)受隧道結(jié)構(gòu)存在的影響較小，可簡化為自然邊坡進行分析;仰坡的動力失穩(wěn)是影響襯砌結(jié)構(gòu)安全性的重要因素，當輸入地震波幅值較小時，豎直向地震作用