我国西部地区地形条件复杂且多以山地、高原为主,随着西部大开发战略的持续推进,隧道作为一种重要的交通构筑物形式,广泛运用于铁路和山区公路工程。因地形、地质和环境因素等限制,不可避免的出现偏压隧道。近年来西部地区地震频发,每次高烈度地震都对交通设施造成严重破坏。如2008年的汶川大地震造成许多公路隧道受损破坏,其中就包括不少偏压隧道,隧道受损破坏后难以修复,从而造成重大经济损失。因此,研究偏压隧道地震动力响应规律具有重要的现实意义,并能够对偏压隧道的抗震设计提供有价值的参考。论文依托于国家自然科学基金项目“含地下洞室(群)岩石边坡地震灾变行为与抗震性能评价”(编号：51204125),展开偏压隧道大型振动台模型试验,研究其地震作用下的动力响应规律。采用MIDAS/NX有限元软件进行数值模拟,并与模型试验结果进行对比分析。研究内容主要包括：(1)振动台模型试验设计方案基于相似理论设计并完成了相似比为1：10的偏压隧道大型振动台试验。介绍了模型试验相似关系设计原则,确定主要物理量的相似常数。确定模型相似材料以及测点布置方案。将大瑞波、汶川波和Kobe波三种地震波作为输入波,并制定了试验加载方案。(2)偏压隧道地震动力响应规律分析根据振动台模型试验数据,研究了偏压隧道衬砌加速度、动应变和围岩压力分别在不同地震波类型、激振强度和加载方式条件下地震动力响应的变化规律。定义了加速度放大系数,分析衬砌水平和竖向加速度动力响应规律。研究结果揭示了水平和竖向加速度地震动力响应规律的差异性。并表明偏压隧道动力响应与地震波类型、幅值以及测点位置有关。地震中偏压侧衬砌主要受拉,而非偏压侧则承受拉-压应力且数值上远大于偏压侧,两者受力的不均匀性是其容易产生损坏的主要原因。水平地震波激振时产生地围岩动压力大于竖向地震波,且双向激振时的围岩动压力并不是水平和竖向简单的叠加。(3)偏压隧道动力响应数值模拟偏压隧道模型按三维问题处理,以输入不同激振幅值的汶川波(XZ双向)为例,采用MIDAS/NX有限元软件模拟,将偏压隧道数值模拟结果与模型试验比较分析,结果表明两者在变化趋势和数值上拟合程度较高,说明数值模拟和试验结果是合理的。在此基础上,用数值模拟分析偏压隧道在地震作用下的内力分布情况。
