山岭隧道衬砌地震损伤行为的缺陷影响机理与评价

The defects of the tunnel directly affect its dynamic performance. It has been recognized as a significant factor would exacerbate seismic damage and destruction of tunnel lining. According to the actual conditions of a large number of mountain tunnels containing defects in quake-prone regions, this project is chiefly concerned with nonlinear dynamic response and influencing mechanism of defects, taking the tunnel lining as the research object. Based on the damage theory and bounding surface concept, a constitutive model will be developed; it can be used to describe the characteristics of dynamic damage evolution for concrete considering defects under cyclic loading. The numerical simulation of tunnel seismic damage will be carried out by contact interface model which can consider the effect of imperfect interface. Combing with the seismic survey, shaking table test, and numerical calculation, the influence of different defects on seismic response of tunnel will be analyzed. On this basis, the dynamic damage behavior and failure mechanism of tunnel lining with defects will be revealed. The seismic damage assessment model will be proposed to quantify damage degree of lining structure under typical characteristics of defects; it helps to realize seismic damage evaluation of tunnel in life-cycle. Based on this study, the theoretical guide and technical support will be provided for the new tunnel seismic design based on performance and catastrophe process, for the existing tunnel seismic performance evaluation and reinforcement design.

隧道缺陷直接影响隧道动力性能，是加剧衬砌地震损伤程度、造成衬砌破坏的重要因素之一。本项目针对我国山岭隧道缺陷较为突出的工程现实和强震频发的区域性特征，以缺陷隧道结构为研究对象，以结构非线性动力响应及缺陷影响机理为重点研究内容，利用损伤理论和边界面理论，构建缺陷和反复荷载耦合作用下描述衬砌混凝土动态损伤演化过程的本构关系，引入接触缺陷界面模型，实现缺陷隧道地震损伤的精细化数值模拟。基于缺陷隧道震害调查、振动台模拟试验和数值模拟，分析典型缺陷隧道地震响应规律，揭示缺陷影响下衬砌结构损伤行为和破坏机理。探讨各类型缺陷对衬砌结构变形和损伤的影响机理，从结构层面提出地震损伤评价模型，量化典型缺陷特征下的衬砌损伤状态，实现全寿命周期视角下衬砌地震损伤评价，从而为面向性能和灾变过程的隧道抗震设计、既有隧道衬砌抗震安全性评价及加固设计提供科学支撑。

隧道衬砌质量缺陷问题较为突出，不仅影响隧道的静力学行为，还会影响隧道的动力响应，加剧隧道地震破坏。基于隧道质量检测数据分析和文献调研，确定了运营公路隧道衬砌典型缺陷病害统计特征及缺陷病害段的震害特征。通过反复动载下缺陷混凝土的力学性能试验、缺陷衬砌承载性能的试验研究和理论分析，构建了考虑缺陷影响的衬砌承载力损失率模型以及考虑全寿命周期材料性能劣化的混凝土及衬砌劣化模型。结合现有商业程序的二次开发功能，通过Python编程开发了隧道地震响应辅助计算程序，建立了缺陷隧道地震损伤模拟的动力响应数值模型。考虑地震动的随机性及结构参数的不确定性，建立了缺陷劣化影响下的隧道地震易损性分析方法。.结合振动台试验和隧道动力响应分析，得到了各种缺陷影响下隧道地震响应特征、结构损伤状态及破坏模式，揭示了衬砌地震损伤的缺陷影响机制，明确了各种缺陷对衬砌地震损伤的影响规律。结果表明：衬砌背后空洞及厚度不足（局部减薄）显著降低了隧道结构的抗震性能，改变了隧道地震破坏模式，空洞处和局部减薄处成为抗震薄弱部位，而衬砌既有单一裂缝对隧道地震响应的影响稍小。衬砌地震易损性随空洞尺寸呈非线性增加，空洞对易损性的影响程度随空洞位置不同而异。衬砌减薄主要影响减薄区域的地震响应。衬砌地震易损性随服役时间的增加呈两阶段非线性增大。服役时间越长，衬砌劣化对隧道地震易损性的影响越大。围岩条件和地震动方向对缺陷隧道衬砌地震损伤亦有重要影响。从结构层面提出了采用损伤指数作为隧道衬砌地震损伤评价指标，并确定了地震损伤状态的分级标准。从概率角度建立了缺陷隧道衬砌地震损伤的定量评价方法，实现了各类缺陷影响和全寿命周期下的既有隧道地震损伤评价。.研究成果为我国运营公路隧道衬砌结构的健康诊断及安全性评价，全寿命周期视角下的衬砌地震损伤评价以及面向性能和灾变过程的隧道抗震设计等提供了理论依据，而且有助于提高隧道地震响应计算理论和分析方法。