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原文传递地质突变隧道地震响应分析及隔震技术研究

论文题名：	地质突变隧道地震响应分析及隔震技术研究
关键词：	隧道结构;断层破碎带;地质突变;隔震设计;地震损伤
摘要：	历史震害调查研究表明，在强震作用下地下结构仍会遭遇严重破坏。在地震作用下，隧道穿越地质突变、断层破碎带段时由于地层不连续性遭受严重剪切变形破坏，衬砌出现开裂、接头破坏引起突涌水等灾害威胁结构安全。本文以波动数值模拟为主线，采用理论分析与数值模拟相结合的研究手段，对地质突变隧道地震响应分析及隔震技术开展了系统的研究，取得如下研究成果：　　（1）基于波函数展开法，推导平面SH波入射下圆形隧道“围岩-衬砌”和“围岩-隔震层-衬砌”结构模型的衬砌动力响应级数解析解，在不同围岩等级中，定性分析在隧道外设置隔震层的有效性，讨论隔震层弹性模量和厚度对隔震效果的影响。结果表明：在隧道外设置隔震层有效降低衬砌动应力集中系数，在Ⅴ级围岩场地下效果较差；隔震层弹性模量和厚度影响隔震效果，在Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩，隔震层弹性模量为10MPa时，隔震效果越显著，隔震系数最小可达0.2；隔震层厚度为0.3m时，隔震效果良好，在Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩中隔震系数可达0.1。通过有限元数值模拟验证理论分析，数值模拟结果与理论分析结果趋势一致。　　（2）应用有限元数值分析软件Abaqus开展三维数值模拟分析，分别在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩下验证隧道外设置隔震层的有效性，探讨隔震层弹性模量和厚度对隔震效果的影响。结果表明：在Ⅲ、Ⅳ围岩下隧道设置隔震层效果比在Ⅴ级围岩更显著，该措施能显著降低隧道衬砌的应力应变和加速度。隔震效果随隔震层弹性模量的降低及隔震层厚度的增加而提高，与理论分析结果趋势一致。　　（3）基于地质突变情况，采用有限元计算模拟方法开展三维动力响应数值分析，研究罕遇地震作用下隧道地震响应规律及隔震层工作原理。结果表明：隧道在穿越突变地质段时，隧道环向接头附近混凝土衬砌应力集中现象严重，地质突变处的隧道接头出现严重破坏。在隧道外设置隔震层后能有效降低隧道震害：衬砌应力应变峰值下降，应力集中现象得到缓解，隧道环向接头均处于弹性阶段。　　（4）采用有限元计算模拟方法开展三维动力响应分析，研究罕遇地震作用下隧道穿越断层破碎带地震响应规律及隧道隔震技术。结果表明：在断层破碎带段内的隧道衬砌出现应力集中现象，断层处的隧道环向接头处于极限破坏状态。在隧道外设置隔震层和在初衬与衬砌管片之间设置隔震层的两种隔震措施均能有效降低隧道震害，后者效果更显著。两种隔震措施均能降低衬砌应力应变，隧道环向接头均处于弹性阶段。　　本文对于隧道穿越不良地质地震响应问题及隧道隔震设计提供潜在指导。从隧道隔震的角度，降低不良地质段隧道的地震损伤，为我国大批须跨越不良地质段的隧道基建工程提供有效减震对策。
作者：	鲁家辉
专业：	建筑与土木工程
导师：	黄襄云
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广州大学
学位年度：	2022