黄土高原山岭隧道聚丙烯纤维增强混凝土衬砌振动模型试验与抗震性能评估

《Scientific Reports》：Vibration model test and seismic performance evaluation of polypropylene fiber reinforced concrete lining of mountainside tunnels in Loess Plateau

　　

摘要

目前，隧道是穿越黄土高原和保障铁路连通性的关键基础设施项目。然而，地震损害调查显示，由于结构阻尼低和抗震性能评估不足，黄土地区沿山体修建的隧道在地震中遭受严重破坏。因此，本文旨在开发一种新方法，用于评估黄土地区地震与边坡变形耦合效应下山体邻近隧道的抗震性能。该方法提出了黄土高原沿山体修建的聚丙烯纤维增强混凝土（PFRC）隧道结构配合比设计。通过振动台模型试验评估此类结构的抗震性能，研究了其抗震性能及内在机理。试验表明，随着纤维掺量的增加，混凝土强度先升高后降低；当纤维掺量为0.9%时达到最佳混凝土强度，比普通混凝土提高15%。边坡的地面峰值加速度（PGA）放大系数随高程非线性增加，在坡顶观察到二次放大现象。与普通混凝土相比，PFRC隧道衬砌拱顶、仰拱、左右边墙处的弯矩地震响应分别降低了8.9%、8.5%、15.2%和12.4%。这表明在隧道衬砌中加入纤维可以形成高阻尼复合结构，由于纤维摩擦、裂缝开闭等持续耗能作用，具有良好的抗震性能。同时，与传统衬砌结构相比，纤维增强混凝土衬砌具有施工技术简单、环境适应性强、维护成本低等优势，可以解决黄土地区山体邻近隧道的抗震问题。