【摘 要】
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城市轨道交通不仅节省了城市地面空间,还舒缓了地面交通压力,目前已成为解决城市交通拥堵、大气污染等问题的主要方式,但在人们享受轨道交通带来便利的同时,也碰到了诸多安全问题,隧洞地层变形和差异变形、地表路面变形、周边建筑物倾斜甚至倒塌、衬砌开裂及纵向开裂等。同时,我国中西部地区分布着大面积的黄土窑洞建筑,它具有因地制宜、融于自然、绿色环保、节约耕地等优点,在解决农村居民的住房问题、节约建筑资源、减少建
【基金项目】
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陕西省科技统筹创新工程计划项目（2016KTZDSF04-04）； 陕西省住房城乡建设科技科研开发计划项目（2019-K24）；
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城市轨道交通不仅节省了城市地面空间,还舒缓了地面交通压力,目前已成为解决城市交通拥堵、大气污染等问题的主要方式,但在人们享受轨道交通带来便利的同时,也碰到了诸多安全问题,隧洞地层变形和差异变形、地表路面变形、周边建筑物倾斜甚至倒塌、衬砌开裂及纵向开裂等。同时,我国中西部地区分布着大面积的黄土窑洞建筑,它具有因地制宜、融于自然、绿色环保、节约耕地等优点,在解决农村居民的住房问题、节约建筑资源、减少建筑污染等方面具有重大的现实意义。在近百年的传承中,黄土窑洞长期受自然环境风化侵蚀与窑顶渗水受潮及干燥的反复作用,再加上人为的破坏及保护不够重视,使得黄土窑洞处于土体松动、局部坍塌、节理遍布、渗水漏雨、接口开裂、承载力不足等多种病害缠身的复杂状态,甚至有的窑洞处于即将坍塌的危险状态。土拱作为黄土隧洞的承载结构决定其安全稳定性,研究土拱静态力学行为及荷载转移机制可为黄土隧洞准确设计施工、科学评估其安全性能、制定科学合理的加固方案提供理论依据和技术支撑。同时,有效利用土体的“拱效应”有利于降低黄土隧洞的建设成本。基于黄土隧洞材料离散性和构造特殊性,黄土隧洞的力学行为和变形规律等方面研究较少,对结构受力破坏尚未开展相关研究。本文设计了4个土拱结构模型进行基于位移控制的竖向静力加载试验,研究土拱静态力学行为及荷载转移机制,找出土拱结构受力状态下的薄弱部位及“拱效应”区域,为黄土隧洞的设计施工、安全评估及加固保护提供理论支撑。本文研究工作如下:（1）设计了4个覆土厚度不同的土拱结构模型,模型覆土厚度分别为0.6m、0.8m、1.0m和1.2m。通过对其进行基于位移控制的竖向静力加载试验,分析其试验现象得出结论:随荷载逐级增大,土拱结构以加载区边缘出现的剪切斜裂缝为主并向下延伸,拱脚和侧墙底部破坏最严重,拱脚为土拱结构的薄弱部位。（2）通过整理试验数据,研究了土拱结构的承载力和变形、竖向土压力分布及变化规律、覆土厚度对竖向土压力的影响规律、土拱效应变化规律及覆土厚度对土拱效应的影响。结果表明:随覆土厚度增大,土拱结构承载力增大,拱顶挠度减小,拱券对称变形;拱脚和埋深为0.3m以内的跨中处应力集中最明显;加载中,覆土厚度增大使各测点竖向土压力减小;从拱顶到加载面土拱效应逐渐减小,埋深较浅处不产生土拱效应,距拱顶0.6m高度范围内存在土拱效应;距拱顶0.3m～0.5m高度范围的土拱效应随覆土厚度增加逐渐增强。（3）采用有限元软件Abaqus对模型结构进行了单调荷载作用下的静力弹塑性分析,对比土拱结构的承载力-位移曲线、各测点竖向土压力和券内位移的计算结果与试验结果,二者吻合较好。根据计算结果,对土拱结构静力特性进行了分析,明确了土拱结构模型在竖向静力荷载作用下的应力应变分布及破坏模式。（4）通过改变土拱结构的几何参数进行有限元建模计算,分析并研究了拱券矢跨比、侧墙和跨数对土拱结构的承载力和破坏形态的影响规律。结果表明:随矢跨比增大,破坏时拱脚处土体剥落的面积更大;侧墙存在时会降低土拱结构模型的承载力,但对破坏形态不产生影响;多跨会削弱中侧墙导致模型较单跨承载力降低,破坏时中侧墙优先破坏。（5）依据数值计算结果对土拱效应区域进行了分析,明确了土拱结构维持自身稳定所需的最小覆土厚度为拱券跨度的二分之一,推导出土拱效应作用区域边界线函数,得到了拱券恒载取值方法。
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