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原文传递断层错动引起的山岭隧道衬砌结构破坏机制研究

论文题名：	断层错动引起的山岭隧道衬砌结构破坏机制研究
关键词：	山岭隧道;衬砌结构;断层错动;力学响应规律;损伤演化机制;衬砌破坏评价
摘要：	为加快我国由交通大国向交通强国迈进，大量隧道工程被投入到交通基础建设中来，受地形地貌与路线条件限制，山岭隧道工程将不可避免地穿越断层及破碎带。由于断层区域具有地震频发、构造运动强烈、地质条件复杂多变等特点，地震运动引起的断层错动使得隧道衬砌结构产生被动变形、扭曲错断等不可逆转的严重破坏。目前，针对断层错动引起的山岭隧道衬砌结构破坏机制的认识尚不完善，由断层错动诱发的衬砌结构破坏演化机制也尚不明确，穿越断层段隧道结构破坏问题日益突出，迫切需要对断层错动引起的山岭隧道衬砌结构破坏机制开展研究。鉴于此，本文针对隧道工程结构破坏关键科学问题，综合采用统计归纳、理论分析、数值计算、模型试验等研究方法，分别从断层错动引起山岭隧道衬砌力学响应规律、穿越断层段山岭隧道结构破坏演化机理、衬砌结构裂损演化机制及破坏评价等方面开展了系统研究，主要工作内容如下: 　　(1)通过资料调研、统计归纳等手段，阐述了断层错动对山岭隧道工程的危害，分析了断层错动与隧道震害的相关性，剖析了穿越活断层段隧道结构由于断层错动引起的破坏特征，提出了活动断层错动引起的隧道结构破坏机理和破坏模式，并对影响隧道结构破坏的主要因素进行了总结与归类。　　(2)依托典型穿越断层隧道工程案例，建立了三维精细化数值计算模型，基于资料调研归纳结果，研究了错距及倾角对二次衬砌受力变形的影响规律，详细分析了不同工况下隧道衬砌变形特性及其受力特征，揭示了断层错动引起的隧道衬砌结构力学响应规律。结合正交试验，对隧道破坏因素敏感性进行了分析，明确了断层倾角、地震烈度和隧道埋深对隧道破坏的影响程度，开展了隧道破坏衬砌竖向位移的预测研究。　　(3)考虑到扩展有限元具有能准确反映裂纹的产生与扩展的优点，引入扩展有限元法，开展了穿越断层时的隧道裂损演化机制研究。在裂纹尖端的位移模式函数中引入改进的附加不连续变量的位移场函数，对原有的扩展有限元形函数进行改进，借助ABAQUS软件二次开发提出一种改进的扩展有限元法，并根据输出结果将裂纹扩展长度于裂纹状态建立定量联系，实现了真实模拟隧道衬砌裂纹扩展规律及其裂损演化过程。　　(4)基于上述扩展有限元模拟方法，综合考虑断层倾斜角度和错动距离影响，在不同倾角、不同错距条件下，建立了穿越断层隧道衬砌破坏扩展的数值计算模型，分析了不同工况下隧道衬砌结构起裂部位，研究了隧道衬砌结构裂缝长度、倾角扩展规律，明确了隧道衬砌结构裂损发育规律及裂损机理，揭示了断层错动诱发衬砌结构破坏演化机制。　　(5)开展了断层错动下隧道衬砌结构损伤演化大型物理模型试验，对断层错动过程中的隧道衬砌结构形变及应力演化特征等进行了监测，分析了隧道衬砌结构形变发展规律、最不利受力位置及衬砌破坏形式，揭示了隧道穿越断层衬砌结构损伤演化规律和特征，建立了隧道衬砌损伤失效模式。通过模型试验结果与数值计算结果相互验证和补充，进一步阐明了穿越断层山岭隧道衬砌结构破坏演化机理。　　(6)开展了穿越断层段隧道衬砌破坏评价研究，确定了影响隧道衬砌破坏的关键因素，建立了隧道衬砌破坏评价指标体系。引入模糊综合评价法，开展了穿越断层段隧道衬砌破坏评价研究，实现了对穿越断层段隧道衬砌破坏程度定量化综合评判，并通过现场工程实例，验证了上述方法及模型的准确性及适用性。同时，提出了相应的设防措施，采用已构建的隧道裂纹扩展和裂损参数计算方法对穿越断层段隧道衬砌结构设防参数进行了分析与优化。
作者：	焦鹏飞
专业：	岩土工程
导师：	许振浩
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022