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原文传递高铁隧道闭孔泡沫铝衬砌结构减震试验研究

论文题名：	高铁隧道闭孔泡沫铝衬砌结构减震试验研究
关键词：	高铁隧道;衬砌结构;减震层;闭孔泡沫铝;减震效果
摘要：	“一带一路”战略是中国地缘经济、地缘政治和地缘安全的世纪大战略。其中规划了四条高铁线路:欧亚高铁、中亚高铁、泛亚高铁、中俄加美高铁，初步估计里程超过4万公里。其一:由于高铁线路的平顺性要求较高，必然产生大量的隧道工程。其二:线路的跨度之大导致其无法避免穿过地震断裂带，欧亚高铁和中亚高铁穿越了欧亚地震断裂带，泛亚高铁和中俄加美高铁贯穿环太平洋地震断裂带。因此，解决高铁隧道的抗减震难题具有非常重要的意义。本文采用一种新型吸能减震材料-闭孔泡沫铝作为减震层，代替传统减震材料，并开展了大型地震模拟振动台试验，以验证其实际减震效果，主要研究成果如下: 　　(1)通过静态与动态压缩试验研究了闭孔泡沫铝材料的基本力学性能，对不同密度闭孔泡沫铝材料的静态压缩试验结果比较发现，随着密度的增加，材料的压缩平台应力σpl逐渐增大，密实化应变εD逐渐减小。动态压缩试验的应力-应变曲线震荡剧烈，没有明显的平台区域;随着应变的增加，应力增加先急后缓，但一直处于增加的趋势，且在震荡区出现反复的应力上下波动;动态压缩的应力峰值比静态压缩大，且随着密度的逐渐增加，应力峰值逐渐提高，不同密度闭孔泡沫铝材料的压实应变差异较大。　　(2)对闭孔泡沫铝材料的吸能效率E和理想吸能效率I进行了定量分析，结果表明:不同密度闭孔泡沫铝其理想吸能效率的最大值所对应的应力水平不同，密度较小的材料达到理想吸能效率最大值的应力水平较低，即在低应力水平下能发挥较大的吸能效率。建立了隧道衬砌结构减震层的设计公式，根据本文振动台试验中闭孔泡沫铝减震层的使用约束条件，最终采用密度为0.13g/cm3，厚度为20mm闭孔泡沫铝材料制作隧道衬砌结构的减震层。　　(3)设计了围岩模型材料配合比。根据相似比要求，以河砂、机油、粉煤灰为原料，通过正交试验设计，进行各组配合比材料的初选，然后依据摩尔-库伦抗剪强度理论进行二次筛选，最终确定围岩模型材料的最优配合比（质量比）为:河砂(23％)、机油(12％)、粉煤灰(65％)。选取石膏作为隧道衬砌结构的模型材料，试验设计出六组膏水比试样养护干燥之后进行单轴压缩试验，得到膏水比与弹性模量之间关系式，以目标弹性模量作为力学指标进行反算，得出隧道衬砌结构模型材料膏水比为1.41∶1.0。　　(4)对区间隧道段模型有无减震层段的动力响应结果进行分析，结果表明:绝大多数加载工况的加速度极值衰减系数Ka值均小于1，即证实了闭孔泡沫铝减震层的减震效果，但对于不同的地震波其减震幅度不同，Kobe地震波加载中加速度极值衰减系数为0.67～0.94之间，Northridge地震波加速度极值衰减系数在0.75～0.95之间，人工波加速度极值衰减系数在0.79～0.97之间。　　(5)对设减震层的洞口段模型的动力响应结果进行了分析，试验设置了浅埋段、变坡点处、深埋段三个监测断面，深埋段的加速度响应较小，说明隧道深埋对抗减震设计有利;变坡点处由于断面两侧围岩埋深不同，衬砌结构受到不平衡地震惯性力的作用，地震动力响应较大;浅埋段与变坡点处都是抗减震设计的重点设防部位，多数情况下变坡点处最为不利，浅埋段次之，深埋段地震动力响应最小。　　(6)基于地震波反射和折射能量衰减理论，引入能量耗散比w作为减震层中耗散能量的衡量指标，分析了能量耗散比随着入射角度的变化规律，揭示了减震层基于反射和折射理论的减震机理，结合本文试验中不同监测点的入射角度分析了该机理是不同监测点减震效果不同的重要原因之一。　　(7)采用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型，研究了不同加载工况下围岩的位移场、应力场分布情况，为隧道结构的动力响应分析提供科学的理论支撑。采用数值分析方法对试验加载工况进行计算，并将计算值与试验值进行对比分析，分析结果表明计算结果分析规律与试验规律基本接近，说明该模型试验较好的模拟了隧道与围岩体系在地震动力作用下的响应情况。　　采用闭孔泡沫铝材料作为隧道衬砌结构减震层是一个全新的尝试，总体上取得了较好的减震效果，为后续隧道结构抗减震的研究提供了有效的试验支撑。
作者：	苏丽娟
专业：	岩土工程
导师：	刘海卿
授予学位：	博士
授予学位单位：	辽宁工程技术大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文