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原文传递盾构隧道在水平及竖向双向地震作用下的横向地震响应研究

论文题名：	盾构隧道在水平及竖向双向地震作用下的横向地震响应研究
关键词：	盾构隧道;地震响应;双向地震作用;离心机振动台;数值模拟
摘要：	近几十年来，盾构隧道作为重要的城市交通轨道在地震区的应用日益增多，考虑其对社会和经济的重要性，开展盾构隧道抗震机理及抗震性能研究是非常必要的。近年的国内外强震中，近场区域的很多地下结构物受到了较严重破坏，而近场地震动的竖向地震动加速度往往比较大，但水平及竖向双向地震作用下盾构隧道的地震响应特点及抗震性能尚存在很多亟待解决的科学问题。针对这些问题，本文应用离心机振动台试验和有限元数值模拟方法，对盾构隧道在水平及竖向双向地震作用下的响应机理进行了深入的研究，主要研究内容及成果如下：　　1、根据横截面抗弯刚度和抗拉刚度相似理论，并结合现有的加工工艺设备和技术水平，设计并制作了能够模拟由螺栓拼装连接成管的大比例缩尺盾构隧道模型，可实现考虑接缝对盾构隧道地震响应影响的大比例缩尺模型试验研究。根据电阻应变片的工作原理，结合大比例缩尺盾构隧道模型管片接头的特点，设计了一种微型位移测量仪器，并提出了管片接缝相对张开位移的测量方法，解决了离心机振动台试验中测量盾构隧道大比例缩尺模型接缝相对位移的问题。　　2、基于圆管隧道模型开展了水平单向地震动和水平及竖向双向地震动作用下的隧道系统地震动力试验，分析了竖向地震动对盾构隧道地震响应的影响特点及原因。开展了拼装管片隧道模型在水平及竖向双向地震动作用下的离心机振动台试验，获得了单、双向地震动作用下管片接缝相对位移和管片的内力分布，分析了盾构隧道管片接头对盾构隧道地震响应的影响及重要性。　　3、基于原型尺度建立了离心机振动台试验的有限元模型，合理地模拟了管片接头，通过对比离心机振动台试验结果与数值模拟结果，验证了所建立的盾构隧道有限元模型的有效性和合理性。同时，通过模拟实际工程盾构隧道接头的加载试验，进一步验证了实际原型盾构隧道管片间螺栓接头模拟方法的有效性。　　4、采用经验证有效的有限元数值模拟方法，建立了盾构隧道系统的地震动力有限元数值分析模型，研究了水平及竖向双向地震动作用下的盾构隧道的地震响应，获得了衬砌管片的内力分布、接缝的相对位移和螺栓的内力变化规律。分析了隧道埋深、隧道间距、封装块位置、土-结相对刚度、土体初始剪切模量及参考剪应变与围压的相关系数、输入地震动类型及最大加速度幅值等因素对盾构隧道管片的地震响应的影响，通过细致地对比分析，揭示了双向地震动作用下盾构隧道的地震响应机理，进而给出了双向地震作用下盾构隧道结构的一些抗震设计建议。　　本文的研究成果澄清了竖向地震动改变剪切波传播及增强土层竖向挤压的双重作用，解释了盾构隧道衬砌结构对隧道横向地震响应的重要影响机理，为考虑近场地震作用的盾构隧道工程抗震设计提供了有价值的参考。
作者：	王杰
专业：	岩土工程
导师：	刘华北
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2020