黄土围岩隧道结构的多场耦合地震响应及动力稳定分析

With the rapid development of engineering construction and the great western development, loess tunnel has become an important part of the soil tunnel. There has been a certain foundation about the anti-seismic and shock absorption of loess tunnel in the existing literature, but the study about the dynamic response and dynamic stability of loess tunnel has not been reported under coupling action of earthquake, seepage, stress and displacement, so through theoretical analysis, numerical simulation, field test and shaking table model test, aiming at Q2 and Q3 loess tunnel and considering two cases that are shallow buried tunnel and deep buried tunnel, section configuration optimization, seismic response and dynamic stability, dynamic testing and so on under multifield coupling are proceeded. The acquired dynamic finite element strength reduction method and dynamic finite element static strength method is revised, the optimal section type in the case of multi field coupling is determined, the constitutive relation and the analysis model of dynamic response and dynamic stability about loess tunnel structure under the coupling action of earthquake, seepage, stress and displacement is put forward, the response rule and stable rule under the action of earthquake-stress, earthquake-seepage, earthquake-displacement, earthquake-stress-seepage, earthquake-stress-displacement, and earthquake-stress-seepage-displacement are revealed, thus the reference about the design and calculation of loess tunnel is provided in the future.

随着工程建设的迅速发展和西部大开发的不断深入，黄土围岩隧道已成为土体围岩隧道的重要组成部分。现有文献虽对黄土围岩隧道的抗、减震研究有一定的基础，但对地震、渗流、应力和变形耦合作用下黄土围岩隧道的动力响应和动力稳定研究尚未见相关报导，故本项目通过理论分析、数值仿真、现场实验和振动台模型试验相结合的方法，拟针对Q2和Q3黄土隧道，考虑浅埋和深埋两种情况，进行断面型式的优化、多场耦合地震响应和动力稳定分析、多场耦合动力试验等方面的研究，修正已获得的动力有限元强度折减法和动力有限元静力强度折减法，确定多场耦合情况下的最优断面型式，提出地震、渗流、应力和变形耦合作用下黄土围岩隧道结构动力响应和动力稳定分析的本构关系和分析模型，揭示地震-应力、地震-渗流、地震-变形、地震-应力-渗流、地震-应力-变形、地震-应力-渗流-变形作用下的耦合响应规律和稳定规律，从而为以后黄土隧道结构的设计计算提供参考。

针对服役期内黄土隧道可能遭受渗流、地震和列车荷载等作用，研究了它的断面型式、多场耦合地震响应和稳定，最后进行了振动台模型试验。主要研究内容和结论如下：.（1）动力强度折减法的修正. 通过总结前人黄土动力强度试验成果，得到不同含水率、不同振次和不同覆土厚土对黄土动参数的影响规律，获得了隧道结构的动力安全系数，修正了动力有限元强度折减法。通过稳定性分析，得到了围岩结构的地震动破裂面，准确地评价了隧道围岩结构的地震动稳定性。.（2）黄土围岩隧道的断面型式优化. 开展了不同断面黄土隧道的动力响应研究，根据动力响应变化规律得到了黄土隧道结构的合理断面。.（3）黄土围岩隧道结构的多场耦合地震响应. 开展了黄土隧道在地震-渗流、地震-列车荷载、地震-渗流-列车荷载等作用下的动力响应研究，得到了相应的动力响应规律。.（4）黄土围岩隧道结构的动力耦合稳定分析. 针对曲墙式断面黄土隧道在自重、地震、车辆、雨水入渗等因素，分别建立了车辆动力模型、结构场模型、渗流场模型，考虑近场有脉冲、近场无脉冲、远场地震作用下与车辆、雨水入渗共同作用，得到了超深埋、深埋和浅埋下的结构安全系数和临界塑形应变云图，探讨了列车荷载下黄土隧道结构的地震动稳定性。.（5）超大断面黄土隧道结构的稳定性分析. 得到了不同埋深不同断面形式的的临界破坏参数，超大断面黄土隧道在超浅埋、浅埋和深埋情况下的最优断面形式（曲墙式断面），得到了曲墙式超大断面黄土隧道在近场有脉冲作用下破坏最大，超大断面黄土隧道衬砌厚度与安全系数成正比；雨水渗流和地震耦合作用下，在相同的条件下，近场有脉冲的地震破坏程度大于远场地震破坏程度，大于近场无脉冲的破坏程度。.（6）黄土围岩隧道结构的多场耦合地震响应振动台实验. 通过振动台模型实验，分析了地震-渗流-自重作用下的黄土隧道动力响应，得到了不同降雨量下黄土隧道的地震动响应变化规律，通过设置减震层，分析了黄土隧道的减震效果及稳定性变化规律。