摘要
连拱隧道因其平面线形顺畅，占地面积少，便于运营管理等优点，越来越多的被采用。地震是一种破坏力大且防御难度也大的自然灾害，隧道一旦遭受地震灾害破坏便难以修复，而连拱隧道因为其不同于普通隧道的结构形式而在地震灾害下会产生不同的地震动力响应。目前已有对浅埋偏压连拱隧道的减震研究还比较少，因此对其地震响应的研究以及减震措施的研究具有重要意义。 本文在湖南省自然科学基金项目“浅埋偏压隧道泡沫混凝土减震层地震响应特性与减震机理”的依托下，设计并开展了浅埋偏压连拱隧道在有无泡沫混凝土减震层之下的振动台试验，并采用数值模拟进一步研究了连拱隧道在不同方向地震波作用时不同弹性模量与厚度的泡沫混凝土减震层下的减震效果。 主要研究工作与结论如下。 1.基于相似理论，根据振动台性能参数与实际情况设计并制作了几何相似比为1∶20的浅埋偏压连拱隧道物理试验模型，选取Kobe波和EI波作为台面输入地震波开展了大型振动台试验。探明了浅埋偏压连拱隧道在有无减震层，不同地震波类型及不同地震强度下的加速度和动应变响应规律。研究表明，连拱隧道竖向加速度平均整体大于水平加速度，连拱隧道受到的竖向地震波作用强于水平向地震波。浅埋偏压连拱隧道在设置减震层后，对不同测点水平加速度，竖向加速度及应变有不同的减震效果，地震波在泡沫混凝土多孔结构的反射与折射的耦合下产生了不同程度的减弱与增强，且在地震强度越大的情况下，减震层减震吸能效果越好。 2.通过MIDAS-NX有限元软件建立浅埋偏压连拱隧道数值模型，数值模型中的衬砌与围岩采用实体单元，采用的本构关系中衬砌为弹性而围岩则采用的为莫尔库伦本构模型。边界条件采用自由场，选用5％作为模型的临界阻尼比，其围岩，衬砌，减震层参数的选择与振动台试验一致。建立了不同地震波方向作用下隧道无减震层，不同弹性模量减震层下共五种模型进行分析，研究表明:设置减震层虽然不能从本质上改变衬砌的动力响应，但是由于它本身材质的减震吸收缓冲的原理，能够对隧道衬砌起到优良的减震效果;在地震波作用下，随着减震层弹性模量增大，衬砌水平位移略微增大，竖向位移略微减小，剪力减小明显，弯矩与轴力变化不大且内力主要为中隔墙受到影响，第一主应力与第三主应力增大明显。所以在减震层的设置中，应密切关注中隔墙的受力状况。通过比较，可以得出减震层为30Mpa弹性模量时减震效果最优，适当的减小减震层弹性模量可以减小应力但会略微增加衬砌剪力。 3.建立了不同地震波方向作用下隧道无减震层，不同厚度减震层共五个数值模型进行分析，研究表明:在地震波作用下，随着减震层厚度增大，衬砌水平与竖向位移略微增大，剪力减小显著，弯矩与轴力中隔墙顶端增大，底端减小，第一主应力局部增大但应力分布更加均匀，对第三主应力影响较小。但厚减震层度越大，减震效果越不明显，所以适当增大减震层厚度，能够有效减小与改善衬砌内力与应力，隧道设置了减震层之后不光能有效减小衬砌的剪力，弯矩与轴力，还可以使衬砌内力分布的更加均衡合理，对应力的削弱效果也比较明显。通过比较，可以得出厚度为16cm减震效果最优，且局部增设减震层厚度也具有不错的减震效果，可根据工程实际具体运用。
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