重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征及服役狀態(tài)評價體系研究.pdf

1、我國重載鐵路隧道基底病害問題十分突出，已嚴重影響線路行車安全。目前對于大軸重列車荷載作用下的重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和動力響應(yīng)缺乏足夠的認識，針對普通鐵路隧道服役狀態(tài)的評價方法也難以適用于基底病害高發(fā)的重載鐵路隧道。因此，明確列車荷載作用下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)的受力性以及動力響應(yīng)特征，建立重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)評價體系，合理評價重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)運營狀態(tài)，對我國重載鐵路隧道的建設(shè)、運營和維護具有重要意義。
　　論文首先

2、通過現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計分析了重載鐵路隧道基底病害類型和狀況;接著通過現(xiàn)場測試方法研究了列車荷載作用下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)動應(yīng)力橫向分布規(guī)律和豎向傳遞規(guī)律，分析了重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)動應(yīng)力和振動加速度與軸重、列車運行速度等因素的內(nèi)在聯(lián)系;基于熱力學(xué)基本原理，構(gòu)建了混凝土材料彈塑性損傷本構(gòu)模型，并在FLAC3D中實現(xiàn)和驗證了該模型;采用混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型進行了列車荷載作用下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和損傷分布的數(shù)值模擬，對不同基底結(jié)構(gòu)設(shè)計

3、參數(shù)下仰拱底部荷載傳遞率進行了回歸分析，對不同基底狀況下的隧道基底結(jié)構(gòu)損傷分布進行了研究;基于模糊數(shù)學(xué)方法，建立了重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)評價方法，結(jié)合工程實例說明了該方法的實現(xiàn)過程。主要研究成果如下:
　　(1)系統(tǒng)分析了某重載鐵路隧道病害檢測數(shù)據(jù)。檢測結(jié)果顯示:1）重車線側(cè)病害發(fā)生率高于線間和空車線側(cè);2）基底結(jié)構(gòu)混凝土破損病害最為常見，基底不密實病害次之，基底下沉病害也時有發(fā)生;3）圍巖級別越差，基底混凝土厚度不足和基底

4、不密實的情況越嚴重。
　　(2)掌握了重載隧道基底結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征和振動特性。其中包括:1）動應(yīng)力沿基底結(jié)構(gòu)的橫向分布規(guī)律。垂向動應(yīng)力和水平向動應(yīng)力沿基底結(jié)構(gòu)橫向均表現(xiàn)出“重車線下方最大、隧道中心下方次之、空車線下方最小”的分布規(guī)律。2）動應(yīng)力沿基底結(jié)構(gòu)的豎向分布規(guī)律。垂向動應(yīng)力沿基底結(jié)構(gòu)豎向衰減明顯，30t軸重下垂向動應(yīng)力傳至仰拱底部后衰減至20kPa以下，遠小于列車荷載作用前仰拱的初始應(yīng)力;水平向動應(yīng)力沿基底結(jié)構(gòu)由上至下出現(xiàn)由

5、壓到拉的轉(zhuǎn)變。3）動應(yīng)力與列車軸重大致成線性關(guān)系，列車行駛速度對動應(yīng)力影響較小。4）振動加速度與列車運行速度大致成線性關(guān)系，軌道結(jié)構(gòu)型式和列車軸重對振動加速度影響不大。
　　(3)構(gòu)建了基于熱力學(xué)基本原理的混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型。推導(dǎo)了本構(gòu)模型的三維計算格式，采用C++編寫程序在有限差分程序FLAC3D中實現(xiàn)了該本構(gòu)模型，模擬室內(nèi)試驗驗證了本構(gòu)模型的有效性和模型程序的正確性。
　　(4)采用混凝土彈塑性本構(gòu)模型對列車荷載作

6、用下重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)動應(yīng)力響應(yīng)進行了數(shù)值分析。其中包括:1）回歸分析了不同基底結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)下仰拱底部垂向動應(yīng)力傳遞率，得到了仰拱底部垂向動應(yīng)力傳遞率與圍巖級別、仰拱厚度以及仰拱矢跨比之間的經(jīng)驗關(guān)系式。2）當隧道實際施工狀態(tài)和隧道設(shè)計時的理想狀態(tài)一致時，基底結(jié)構(gòu)均能滿足運營要求，無損傷出現(xiàn);而當隧底基巖軟化、基底吊空或基底結(jié)構(gòu)破損達到一定程度后，基底結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)損傷，服役狀態(tài)惡化，損傷多出現(xiàn)在重車線正下方、重車線側(cè)仰拱與邊墻連接處以及水

7、溝附近。
　　(5)建立了重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)評價體系。遵循科學(xué)性、完備性等原則，把重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)評價系統(tǒng)劃分為包括目標層、準則層和指標層在內(nèi)的二級模糊綜合評價模型，依據(jù)相關(guān)規(guī)范、現(xiàn)場檢測和監(jiān)測資料及數(shù)值計算結(jié)果確定評價指標分級判定標準，采用可拓層次分析法確定指標層各因素的權(quán)重，采用改進的灰度關(guān)聯(lián)法確定準則層各因素的權(quán)重，采用模糊向量單值化法對重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進行評級，并通過工程案例分析對評價體系