【摘要】：當前中國鐵路建設飛速發(fā)展,極大地改變了人們的出行方式、給人們的出行生活帶來了極大地便利性,高速鐵路的不斷發(fā)展,也正成為中國大國崛起的一面旗幟、一張名片。但是,在我國已經(jīng)投入運營的鐵路隧道中襯砌周圍圍巖存在不同程度的空洞,隧道襯砌背后圍巖空洞的存在,改變了襯砌與周圍土體的緊密接觸狀態(tài),導致了隧道襯砌結構受荷不均勻,會進一步導致隧道出現(xiàn)裂縫、掉塊以及滲漏水等病害。因此,本文以國家自然科學基金-中國鐵路總公司聯(lián)合基金項目(U1434211)為依托,結合當前實際投入使用的部分高速鐵路隧道襯砌背后存在圍巖空洞的實際狀況,運用理論分析、現(xiàn)場檢測和數(shù)值模擬的綜合研究方法,開展了在列車振動荷載作用下,圍巖空洞缺陷對高速鐵路隧道動力響應影響規(guī)律的研究工作。本文的主要研究內(nèi)容以及研究成果如下:(1)開展了隧道襯砌背后圍巖空洞現(xiàn)場檢測和針對某一工程實際隧道的動力響應現(xiàn)場測試。通過隧道襯砌圍巖空洞缺陷的現(xiàn)場檢測,對檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理與分析研究,了解到了空洞缺陷幾何特征、掌握了空洞缺陷分布規(guī)律,為后續(xù)圍巖空洞缺陷下高速鐵路隧道的動力響應影響分析提供了現(xiàn)實工程基礎和理論背景;同時結合某鐵道科研院所的工作要求,開展了針對現(xiàn)有某高速鐵路隧道結構的現(xiàn)場動力響應測試,測試的主要內(nèi)容為隧道襯砌觀測點的豎向加速度值和橫向加速度值,對采集到的加速度數(shù)據(jù)進行對比和分析研究,得到了在高速列車振動荷載作用下隧道襯砌結構的動力響應特性和振動規(guī)律的演化特點。(2)闡述了損傷力學理論,介紹了典型的損傷本構模型,在此基礎上,詳細介紹了混凝土塑性損傷模型的基本理論內(nèi)容和塑性損傷參數(shù)的計算方法,結合我國2010版《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2010)中的混凝土應力應變本構關系,推導了混凝土塑性損傷模型,在考慮損傷效應的基礎上,得到了混凝土拉、壓應力損傷表達式,按照推導得到的公式,討論了混凝土塑性損傷模型中相關參數(shù)的計算方法,并結合ABAQUS有限元軟件內(nèi)嵌CDP模型實現(xiàn)了數(shù)值化模擬計算,為進一步研究在列車激勵荷載的作用下,多工況圍巖空洞對高速鐵路隧道襯砌結構動力響應影響規(guī)律打下了良好基礎。(3)利用推導的本構關系模型,采用ABAQUS有限元軟件對無空洞條件下高鐵隧道襯砌在列車激勵荷載作用下的動力響應規(guī)律進行了模擬計算,并將數(shù)值模擬結果與實際高鐵隧道現(xiàn)場動態(tài)加速度測試數(shù)據(jù)進行對比分析,驗證了有限元模型的精確度。進而重點分析研究了在拱頂、拱腰存在單一空洞或者多空洞組合情況下,襯砌關鍵測點的位移、加速度、最大和最小主應力隨時間變化的時程曲線和襯砌關鍵測點的位移、加速度、最大和最小主應力峰值隨空洞角度以及深度的變化規(guī)律,為實際存在圍巖空洞的高鐵隧道的研究和綜合整治提供了參考和借鑒意義。結果表明:隧道襯砌背后拱頂或者拱腰存在圍巖空洞時,只對相對應位置處的襯砌截面處的加速度、位移、動應力等動力響應參數(shù)影響較大,對其余襯砌截面處的動力響應影響較小;對比圍巖空洞角度以及圍巖空洞深度對襯砌各關鍵測點的動力響應參數(shù)影響規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),襯砌背后圍巖空洞角度范圍的變化對襯砌結構的動力響應影響更大。(4)拱頂位置處圍巖存在空洞時,隨著空洞角度范圍增加,拱頂處豎向位移先減少,而后又反向增大;拱頂處加速度峰值隨著空洞角度的增加不斷增大,拱頂處混凝土的最大主應力隨著空洞角度增加而增大,當空洞角度為60°時,拱頂處最大主應力達到1.15MPa;拱腰位置處圍巖存在空洞時,隨著空洞角度范圍增加,拱腰處豎向位移先減少,而后又反向增大,與拱頂存在空洞情況下,拱頂位置處的位移變化規(guī)律基本相同。拱腰處混凝土的最大主應力隨著空洞角度的增加不斷增大,當空洞角度為60°時,拱腰處最大主應力達到1.51MPa,比15°空洞條件下的最大主應力值增加了1.21MPa,對于襯砌混凝土受力極為不利,可能引起混凝土的受拉破壞。(5)通過進行橫向對比,我們對比了在單一空洞及不同空洞組合情況下,拱頂及拱腰處的最大主應力變化情況:在空洞角度為30°、深度為0.3m的情況下,對于拱頂A測點的最大主應力來說,最大主應力表現(xiàn)為:拱頂單空洞(II-2)情況下A測點的最大主應力拱頂與左拱腰空洞組合(IV-3)拱頂與雙拱腰空洞組合(VI-3);對于拱腰B測點的最大主應力來說,最大應力表現(xiàn):拱腰單空洞(III-2)情況下B測點的最大主應力雙拱腰空洞組合(V-3)拱頂與拱腰空洞組合(IV-3、VI-3)。
【學位授予單位】：北京建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U451;U459.1
【圖文】：

出快速發(fā)展的強勁勢頭：根據(jù)《鐵路發(fā)展規(guī)劃》（如圖 1-1 所示），“十三五”規(guī)劃，我國將建設新增鐵路線 3 萬公里，到 2020 年，全國鐵路的里程將達到 15 萬公里中包括 3 萬公里的高速鐵路。在全面貫通“四縱四橫”的基礎上，推進“八縱八橫通道建設，與此同時，中西部鐵路網(wǎng)進一步擴大，規(guī)模達到 9 萬公里左右。由于我域廣闊，山區(qū)面積占國土面積高達 2/3 以上，同時由于高速鐵路建造要求標準高，鐵路線路要求曲線半徑大等特點，加之隧道有改善鐵路線路線性， 躲避不良地質點，所以，在高速鐵路線路規(guī)劃選址時，必然會涉及到隧道工程方案[1][2]。因此，鐵路、尤其是高速鐵路的迅猛發(fā)展，鐵路隧道的建造規(guī)模和數(shù)量也必將不斷攀升。文獻資料顯示[2][3],截至 2015 年底，包括在建鐵路隧道、規(guī)劃隧道和運營隧道，全道總計有 21579 座，總里程為 31075 公里。其中，正在建設的高速鐵路隧道總共有 13，總長度約為 2868km。我國已經(jīng)建成通車的高速鐵路隧道數(shù)量超過了 2200 座，總大約為 3200 公里。很顯然，中國已經(jīng)成為名副其實的隧道大國、隧道強國，并且今后相當長的一段時間之內(nèi)，中國隧道的建設和發(fā)展必將更加繁榮昌盛，更好地服經(jīng)濟建設和社會發(fā)展。

第 1 章 緒論但是，在我國地域廣闊,復雜的工程地質條件,早期隧道設計標準偏低,施工技術相對落后及組織管理能力較弱等諸多不利因素的影響下,我國已運營鐵路隧道存在不同程度的缺陷，如襯砌裂紋、襯砌背后圍巖空洞及不密實、隧底結構層狀剝離等[4]（如圖 1-2所示）。缺陷是高速鐵路隧道的常見現(xiàn)象，缺陷在一定條件下可以轉化為病害，缺陷對于隧道病害的產(chǎn)生起了決定性作用。缺陷的存在劣化了隧道襯砌結構的受力性能，加劇了隧道結構的病害，引起隧道結構產(chǎn)生多種隧道病害問題[4]：襯砌混凝土裂縫掉塊、滲漏水、翻漿冒泥、隧底上拱等（如圖 1-3 所示）。

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本文編號：2724710