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原文传递海底隧道断层破碎带地震反应研究

论文题名：	海底隧道断层破碎带地震反应研究
关键词：	海底隧道;断层破碎带;地震反应;流固耦合;动力分析;数值模拟
摘要：	海底隧道断层破碎带段围岩地质构造复杂、岩体软弱破碎，且含水丰富、海水渗流作用强，一旦发生地震破坏，极易造成隧道结构的整体溃败。由于目前国内外已建海底隧道的数量还不多，有关海底隧道抗震问题的研究相对较少，能够考虑断层破碎带与海水渗流影响的动力分析理论体系还没有建立起来。　　为了充实海底隧道断层破碎带地震反应的研究成果，参照汶川地震中跨断层山岭隧道的真实破坏情况和日本青函海底隧道在修建进程中出现的4次涌水事故，理论分析断层破碎带位置海底隧道的震害形式及产生机理；应用连续介质力学理论、变质量渗流理论、有效应力原理、地震传播效应理论等，构建考虑围岩损伤与海水渗流耦合作用对海底隧道影响的非线性动力分析理论模型；参考青岛海底隧道的工程及地质参数，建立可模拟断层破碎带影响的海底隧道数值模型，借助FLAC3D的渗流模式和动力模式，应用所建立的非线性动力模型依次进行隧道的开挖流固耦合、地震动力时程、涌水流固耦合计算；提取隧道围岩应力场、速度场、位移场、渗流场、塑性分布等地震动力响应结果，揭示地震作用下海底隧道断层破碎带处的损伤机制和破坏机理。主要研究结论如下：　　（1）地震作用下，断层破碎带的存在增大了海底隧道围岩的塑性区分布范围，加剧了围岩应力场、位移场、渗流场等动力反应，使得断层穿过位置在地震中过早的出现较大形变，并承担过大的拉剪作用，造成海底隧道肩部与角部衬砌共轭45°方向的破坏。　　（2）地震引起围岩开裂、力学参数劣化、渗水通道贯通，使得海底水体能量得以瞬间释放，断层破碎带部位的孔压大幅下降、隧道周边的渗流场扰动严重，海水涌入导致隧道塑性区范围相比地震后扩大20%以上，且有从震后受拉破坏向拉剪破坏发展的趋势，表明断层破碎带涌水、海底水源的无穷补给给海底隧道造成了严重的二次损伤。　　（3）对比不同断层破碎带相对位置下海底隧道的地震反应，隧道处在断层上盘的塑性区范围远大于无断层破碎带、隧道与断层相交、隧道位于断层下盘三种情况，且其位移反应、应力数据曲线、渗流场扰动均比其他三种相对位置情况更为激烈，说明隧道位于断层破碎带上盘时，因地震波由模型底部传入隧道时经过了断层破碎带的散射作用，导致隧道结构的动力反应要比其他相对位置更加剧烈。　　（4）对比不同断层破碎带几何参数下海底隧道的地震反应，当其他参数不变、仅改变断层倾角、隧道与断层间距、断层宽度等单一因素时，其动力反应特性：①断层破碎带倾角改变时，无论隧道与断层相交与否，倾角30°的海底隧道动力扰动程度最强烈，倾角60°的动力响应程度略小于30°的情况，倾角0°或90°时海底隧道的动力扰动最小；②隧道与断层破碎带间距改变时，其破坏程度基本上随距离因素的增加先增大、后减小并趋于稳定，距离5m的地震响应最为剧烈，距离0m的扰动略小于5m的情况，两者距离超过10 m后海底隧道的地震扰动基本趋平；③断层破碎带宽度改变时，海底隧道地震放大效应随宽度增加先逐渐变大、后趋于稳定，宽度小于2m的动力扰动较小，宽度从2m增加至4m的地震反应发生显著变化，宽度超过6 m后扰动程度变化不再明显。
作者：	吕连勋
专业：	岩土工程
导师：	李廷春
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东科技大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文