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原文传递隧底围岩损伤条件下重载铁路隧道基底结构动力响应和寿命预测

论文题名：	隧底围岩损伤条件下重载铁路隧道基底结构动力响应和寿命预测
关键词：	重载铁路;基底结构;动力响应;振动模型试验;数值分析;疲劳寿命
摘要：	伴随着我国经济水平的迅速发展，重载铁路运输在国民经济中的地位日益提升。尤其东部与中西部间产业结构、人口规模与资源储量和需求量间的矛盾不断推促提升重载铁路运量。然而，由此带来的隧道基底病害问题与日俱增，已经严重威胁到列车安全运输。隧底围岩损伤与基底结构病害是相伴发生的，因此充分掌握隧底围岩损伤条件下隧道基底结构的动力响应与受力特征是解决基底病害的关键。鉴于此，本文分别采用了现场检测与振动测试、室内模型试验、理论分析和数值模拟等主要研究方法，对隧底围岩损伤和列车振动荷载作用下，重载铁路隧道基底结构的动力响应和疲劳寿命进行了研究，主要研究工作如下：　　1.重载铁路隧道基底病害特征及不同隧道断面结构振动响应研究　　详细检测了某重载铁路20座隧道基底结构与围岩状况，掌握了重载铁路隧道基底结构病害的主要类型和分布情况。选择典型隧底正常/病害断面开展了现场结构振动测试试验，阐明了不同隧底围岩质量条件下重载铁路钢轨、轨枕与基底结构的振动响应变化规律。　　研究结果表明：(1)重载铁路隧道基底围岩软化最为常见，其次是基底结构破损和基底脱空，基底下沉出现的较少但危害最大；(2)重载线基底病害出现的概率和严重程度比其他位置高；(3)围岩级别越差，基底病害出现的概率越高，病害发育越严重；(4)列车轴重变化对钢轨、轨枕及基底的振动响应影响不大；(5)列车移动荷载引起的振动响应在向下传递过程出现频移现象，各测点的振动主频逐渐减小；(6)病害断面条件下，结构各测点振动响应略有增加，其中基底振动响应增加幅度最大；(7)正常/病害断面条件下结构振动响应频率分布基本一致。　　2.重载铁路隧道振动响应模型试验研究　　开发了针对隧底围岩损伤条件下重载铁路隧道基底结构动力响应的三维模型试验台架，揭示了隧道基底围岩有/无脱空时，重载铁路隧道和围岩的动力响应特征的变化规律和振动传播的衰减规律；明确了基底脱空宽度，脱空长度，列车轴重，列车速度对隧道基底结构和围岩振动响应的影响规律；同时考虑了隧道环向施工缝对振动波传导的影响。　　研究结果表明：(1)隧道基底空洞会显著放大脱空区域仰拱的动力响应特征，其中重载线下方增长最多，重载线一侧拱墙连接处和仰拱中线位置次之，空车线及空车线一侧拱墙连接处所受影响较小；(2)隧道环向施工逢降低了振动波的传导效率；(3)激振力的作用下，仰拱表面应力值是不断变化的。基底脱空范围越大，仰拱表面动应力峰值和动应力幅值增长越明显。处于基底脱空范围内的隧道仰拱在列车荷载长期作用下将会出现疲劳破坏。(4)基底围岩空洞削弱了附近围岩振动的传导效率，使土层加速度响应降低。(5)基底脱空附近的土层会发生变形，密实度和承载力下降。(6)基底围岩脱空范围对结构动力响应与受力状态的影响十分明显，列车轴重次之，列车速度的影响则非常小。因此，当进行增加列车运输效率的可行性分析时，首先应评估隧道基底围岩质量，其次再考虑列车轴重或速度的改变对结构动应力变化的不良影响。　　3.重载铁路隧道围岩力学性能本构模型研究　　克服了传统计算中围岩多使用线弹性模型或摩尔库伦模型，因其耗能不足造成结构动力响应计算结果偏保守的缺点。本文基于表示土动应力-应变关系的修正的Davidenkov本构模型，二次开发了更适合动力计算的围岩本构模型子程序；采用土试件共振柱试验验证了程序的正确性；使用该程序与摩尔库伦模型做了对比计算，结果表明使用修正的Davidenkov本构模型计算隧道结构振动响应结果偏小。　　4.隧底围岩损伤条件下重载铁路隧道基底结构动力响应变化规律的研究　　建立了列车荷载-隧道-围岩的三维数值模型，引入修正的Davidenkov围岩本构模型子程序，和Dload子程序模拟列车移动荷载，实现了针对运行过程中重载列车对隧道基底结构的振动响应特性分析；阐明了列车通过不同隧底围岩条件时结构全域动力响应及任意时刻不同测点动力响应的变化规律；明确了隧底围岩软化和脱空条件下，隧道结构的动力响应演化规律；揭示了围岩不同软化参数(软化系数、软化层厚度)，不同脱空参数(脱空长度，脱空宽度)以及列车轴重、列车速度对结构动力响应以及受力状态的影响规律；获得了隧底围岩无脱空与脱空区域交界面结构的振动响应与受力性能的变化规律；证明了列车车厢连接处轮对荷载对结构振动响应的叠加作用。　　5.重载铁路隧道基底结构疲劳寿命预测研究　　建立了重载铁路隧道基底结构疲劳寿命预测体系。基于疲劳损伤理论与混凝土疲劳寿命预测方法，利用FE-safe疲劳寿命分析软件，根据混凝土疲劳损伤方程和混凝土弯拉损伤方程结合雨流计数法，研究了不同隧底围岩损伤和30t轴重列车作用下仰拱结构的疲劳寿命；明确了不同混凝土疲劳损伤理论的适用性；将仰拱服役状态按照疲劳预测寿命划分为安全，警戒，危险，非常危险四个等级。
作者：	高立平
专业：	隧道工程
导师：	陈铁林
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023