基于大型振动台试验的偏压隧道地震响应特性研究

基于动力模型相似理论,设计了一个尺寸为1∶10的偏压隧道模型进行大型振动台试验,研究模型分别在大瑞人工波、Kobe波和汶川波水平竖向双向激振条件下偏压隧道的加速度、动应变和围岩压力的动力响应特性。试验结果表明:偏压隧道竖向加速度响应与地震波、振幅和测点位置有关,且对激振加速度有放大效应,但随输入加速度峰值的增大而减小,受临空坡面放大效应的影响,同一高程靠近坡面的偏压侧放大系数大于非偏压侧(除拱脚外);水平向加速度响应主要与测点位置关系较大,受波形和振幅影响较小。衬砌在地震作用下主要承受拉应力,主应力随输入加速度峰值的增大而增大,非偏压拱脚主应变值最大是抗震设防的关键部位。     

浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究

基于相似理论,设计并制作了几何相似比为1:20的浅埋偏压连拱隧道物理模型,完成了振动台试验并测得衬砌的应变响应与加速度响应。在试验基础上,通过MIDAS GTS NX有限元软件建立数值模型,验证了数值模型的合理性与可靠性,研究了浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律。结果表明:(1)上覆土层厚度、偏压、衬砌与临空面的距离对浅埋偏压连拱隧道加速度响应的影响较大。(2)浅埋偏压连拱隧道中墙上的应变由于截面几何形式突变与集中力的原因,相对其余测点较大。(3)大小主应变与加速度放大系数趋势线的整体形状不随激振强度的增加而改变。(4)偏压与覆土厚度对连拱隧道位移的影响较小。(5)浅埋偏压连拱隧道中隔墙的应变、轴力、剪力和弯矩相对其他部位均较大,在进行浅埋偏压连拱隧道的抗震设计时,应给与重视。     

近断层强地震动下双层竖向重叠地铁隧道的地震反应

由于近断层地震动的特性显著地不同于距断层较远的地震动,基于江苏省的地震环境和南京地铁的建设背景,以深软场地中的双层竖向重叠隧道结构为研究对象,将地基土-地铁隧道体系视为平面应变问题,以软件ABAQUS为计算平台,考虑土体和隧道混凝土的非线性特性,研究了近断层强地震动作用下地铁双层隧道的水平向非线性地震反应特性,并与单层隧道的地震反应进行了比较。结果表明:在近断层地震动作用下,存在地铁隧道外侧的动应力大于隧道内侧的情况,且隧道的动应力比南京人工波(模拟距离断层较远的中远距离地震动)中震、大震作用下的动应力大1.4～3.4倍;双层隧道上、下两层隧道的动应力幅值均比其对应位置处的单层隧道小;双层隧道的相对水平位移均比其对应位置处的单层隧道大,双层隧道上层顶部的相对水平位移是浅埋单层隧道的1.29～1.69倍;双层隧道底部的加速度反应时程曲线与浅埋或深埋单层隧道的区别不大,其峰值加速度的差异在10%以内。     

输水隧道在行波激励下的三维地震反应分析

随着大规模调水工程的建设,穿越软土地区的浅埋输水隧道的抗震性能的重要性愈加突出,这就涉及到地震动的输入问题。而对于空间尺度很大的大型输水隧道,地震动输入的空间变化特性即多点输入对输水隧道的地震响应产生重要的影响。所以在考虑了衬砌-水体-围岩的相互作用的同时,还考虑了地震波有限波速传播所引起的行波效应及不同地震动激励方向对三维输水隧道的地震动的影响。结果表明:与地震动一致输入相比,行波效应将对输水隧道的地震响应产生不利的影响。     

浅埋软岩隧道结构简化模型及分析方法∗

现有钻孔隧道力学分析模型主要集中在中、深度隧道(覆盖层直径比 C/D ≥ 2),但这类隧道模型因忽略了浮力且没有考虑到隧道衬砌的实际荷载,并不适用于浅埋钻孔隧道的力学分析。此文结合浅埋隧道的有限元分析,提出了一种浅层隧道计算模型,并研究了隧道截面最优厚度直径比 d/D 与覆盖层直径比 C/D 之间的关系。 该模型中的隧道衬砌荷载包括浅层隧道顶部和底部的荷载差,利用提出的浅层隧道模型计算隧道截面上特定点处的土压力,以及结合有限元法进行结构分析得出一系列关键结论。结果表明,在有浮力的浅埋隧道分析中,隧道衬砌归一化内力和变形较无浮力的浅埋隧道显著大,当改变隧道覆盖深度时,隧道衬砌的最大变形值达到最小。结合结构分析和隆起分析的结果给出了掘进过程中隧道某断面 C/D 值的最优断面直径比值和最优覆盖层直径 C/D 比值。     

地下洞室断面形状对动应力峰值大小影响的统计分析北大核心CSCD

采用波函数展开法及边界离散的方法给出了任意断面形状地下洞室在平面SH波入射下动应力的一个半解析解,并对该方法的精度进行了详细的验证。利用蒙特卡罗方法随机模拟产生了30组半径变异系数为0.05的洞室断面样本,通过对该30组断面地下洞室在平面SH波入射下洞室动应力峰值的统计分析,研究了洞室断面形状对动应力峰值大小的影响。结果表明,洞室断面形状对动应力的峰值大小有显著影响,样本峰值的最大值均显著大于相应圆形洞室的解析解的峰值,样本峰值的最大值比圆形洞室解析解峰值增大60%,样本峰值的最大值的平均增大程度也可达24%;样本动应力峰值的变异系数可达洞室半径变异系数的3.5倍。     

地下洞室断面形状对动应力峰值大小影响的统计分析

采用波函数展开法及边界离散的方法给出了任意断面形状地下洞室在平面SH波入射下动应力的一个半解析解,并对该方法的精度进行了详细的验证。利用蒙特卡罗方法随机模拟产生了30组半径变异系数为0.05的洞室断面样本,通过对该30组断面地下洞室在平面SH波入射下洞室动应力峰值的统计分析,研究了洞室断面形状对动应力峰值大小的影响。结果表明,洞室断面形状对动应力的峰值大小有显著影响,样本峰值的最大值均显著大于相应圆形洞室的解析解的峰值,样本峰值的最大值比圆形洞室解析解峰值增大60%,样本峰值的最大值的平均增大程度也可达24%;样本动应力峰值的变异系数可达洞室半径变异系数的3.5倍。     

岩溶隧道衬砌结构变形特征研究

以渝东南岩溶区马鞍山隧道为依托工程,运用有限元软件MADIS-GTS建立渗流-应力耦合模型进行数值模拟分析,通过监测隧道衬砌结构的拱顶、拱腰、拱脚和拱底四个部位的变形情况,控制单一变量,分析不同水头高度、不同注浆圈厚度、不同注浆圈渗透系数和不同衬砌厚度四种条件下的隧道衬砌变形特征,并对隧道设计参数进行优化。     

含小净距隧道岩石边坡地震动力响应特性研究

采用有限元分析软件建立一个通过大型振动台模型试验验证的边坡动力数值分析模型,研究了地震作用下含小净距隧道岩石边坡的动力响应规律,探讨了隧道结构对边坡动力响应规律的影响。结果表明:1)边坡加速度峰值放大系数沿坡面向上呈现出先减小后增大的非线性变化特征,存在临空面放大作用,边坡会改变输入地震波的频谱成分,对高频段地震波存在滤波作用,对低频段地震波存在放大作用;2)因小净距隧道的存在,含小净距隧道边坡的坡面加速度分布较无隧道边坡表现出明显的非线性高程特性,其坡体最大水平和竖向位移总体上小于无隧道边坡;3)强震作用下坡顶和结构面附近水平位移最大,两隧道中夹岩处及偏压侧隧道左侧拱脚处易发生拉裂破坏和剪切破坏。试验研究结果对含小净距隧道边坡抗震设计及其地震动力反应特性的研究有一定的指导意义。     

深基坑支护开挖对临近地铁隧道结构的影响分析研究

通过数值计算,采用考虑基坑开挖过程中土体剪切模量随应变增大而衰减特性的HSS模型,研究了基坑开挖卸荷作用下,邻近地铁隧道的埋深、隧道和基坑地连墙距离及刚度比等关键因素对地铁结构附加弯矩和附加位移的影响。结果表明:对于坑底隧道,在地下墙埋置深度范围内,与地连墙水平距离越大,隧道的侧移越小,在地下墙埋深以下,隧道侧移随与地连墙水平距离的增大而增大;通过比较坑侧与坑底隧道的附加弯矩与位移,得出地连墙底附近区域因基坑开挖卸荷引起的隧道附加弯矩较大,出现应力集中和明显的隧道-土-挡墙相互作用效应,坑侧隧道水平附加位移普遍大于竖向附加位移;此外,隧道与地连墙刚度比增大,对挡墙侧移和隧道附加位移都有明显的抑制作用。该研究揭示了基坑开挖作用下隧道-土-挡墙之间的相互作用规律,对深基坑开挖优化设计以及临近地铁结构的保护和安全运行具有一定的指导意义。     

火灾高温下隧道衬砌结构的变形性能研究

为考察隧道衬砌在火灾高温下的变形性能,利用ABAQUS有限元软件建立了HC基准升温曲线下衬砌环的三维分析模型。分析了隧道衬砌结构在火灾高温下的温度场分布规律,以及钢筋混凝土衬砌结构变形情况。研究了地面超载、土体侧压力系数、火灾持续时间、峰值温度及升温速率对变形的影响。结果表明:地面超载较小时,衬砌拱顶随温度升高而接近围岩,反之则远离围岩;拱腰位移随地面超载的增大而不断增大;土体侧压力系数越大,拱顶越向外移动,而拱腰则越向内移动;火灾持续时间越长、峰值温度越高,拱顶越远离围岩,拱腰越靠近围岩;升温速率对衬砌升温初期的变形影响较大,后期影响不显著。     

浅埋富水软岩隧道大变形机理与控制研究∗

针对洞口段富水浅埋软弱围岩隧道易发生挤压性大变形的特点,依托某隧道,通过监控量测、室内试验、数值模拟等手段分析隧道的变形特征、影响因素及其致灾机制与力学破坏模式。结果表明,隧洞开挖后变形具有流变特性,且持续时间长、变形量大;此外,上、中台阶开挖造成的拱顶沉降、围岩收敛分别占总变形的 61.16%、63.34%, 是大变形产生的主要阶段;洞内大变形是在多种影响因素的耦合作用下产生的,地下水是造成该软岩隧道大变形的主要控制因素,地下水的软化、渗流是大变形的主要变形机理,破坏力学模式主要有软岩塑流和累进性松脱扩展两种,软岩塑流造成侧墙鼓出、顶压以及钢拱架扭曲等现象,累进性松脱扩展造成垮塌、地表裂缝等现象。数值模拟验证了大变形力学机理的正确性并反演了大变形发展趋势。最终针对该隧道大变形产生的主要原因,提出并实践形成了“内外结合”的主动控制技术：洞外掌子面动态跟进超前降水,洞内“中管棚+小导管”超前支护、上台阶 “核心土+扩大拱脚”、中台阶“临时仰拱+大锁脚”、下台阶“短进短衬,快速支护”,成功穿越 300 m 浅埋富水极软岩段,研究成果可为类似工程提供借鉴。     

含隧道岩石边坡在地震作用下动力响应特性研究

根据动力有限元原理,利用软件Midas/GTS对某一山岭高速公路隧道边坡,模拟有无锚杆加固两种工况,进行了地震荷载作用下的动力响应分析,获得了位移、加速度、锚杆轴力及隧道的动力响应规律。结果表明:边坡岩体对地震加速度存在放大作用,锚杆在一定范围内能有效抑制这种放大作用;锚杆加固岩质边坡主要体现在对地震作用下坡顶岩体产生拉剪破坏的嵌固作用,来约束周围岩体的位移,锚杆支护设计的关键在于充分发挥锚杆的延性;在地震作用下隧道动力响应由洞口向衬砌内部,拱脚向拱顶呈放大趋势,衬砌内出现明显的应力集中现象。     

纵向多点激励下埋地油气管道地震响应试验研究∗

为研究多点地震激励下埋地油气管道的地震响应,设计并制作缩尺埋地油气管道及周围土体模型,利用双台阵地震模拟振动台对其进行纵向一致及多点地震激励下的地震响应研究,分析纵向多点地震激励时不同地震动各加载工况下埋地油气管道土体加速度、位移及管道加速度、应变等地震响应的变化规律。结果表明：土箱内不同深度测点位移增量不同,致使土体间产生剪切效应,多点激励时土体变形及破坏程度相较于一致激励明显;土体加速度峰值随加载等级的提高呈增长状态,多点激励时箱内土体加速度峰值变化曲线一致性较差,土体加速度响应产生较大差异;随着加载等级的提高,管道与土体间加速度峰值差值逐渐增大,多点激励会造成管道加速度峰值产生滞后现象;管道顶部轴向应变随管轴表现为两侧小,中间大,多点激励时管道应变增长速率更快,产生的应变更大。     

本构模型特性对深厚场地非线性地震反应的影响

采用基于Davidenkov和Matasovic骨架曲线构造的不规则加卸荷应力—应变滞回圈,数值模拟了2个剖面的苏州第四纪深厚场地二维非线性地震反应。结果表明:(1)采用Matasovic模型计算的地表峰值加速度稍大于采用Davidenkov模型计算的地表峰值加速度,但前者计算的地表地震动持续时间稍小于后者计算的。随着基岩输入地震动强度的增大,两者给出的地表峰值加速度差异呈现逐渐增大的趋势,并与土体的横向不均匀特性有关;(2)两者给出的地表谱加速度谱形基本相似,其差异随基岩输入地震动强度的增大而增大;远场地震动作用下地表谱加速度的卓越周期也随输入地震动强度的增大而增大;(3)两者给出的峰值加速度随土层深度和横向的空间变化特征基本一致,远场地震动作用下的地表峰值加速度明显大于近场地震动作用下的地表峰值加速度。     

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化趋势模拟分析

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化将影响隧道穿越的江滩区域的工程地质条件。基于有限差分法建立了南京长江隧道的数值模型,分别将实测地表温度和管片内侧温度作为地层外部交变热源与内部交变热源,对隧道浅埋段典型断面地温场的演化过程进行了模拟分析。结果表明:隧道与土体间的热交换作用使隧道周围的初始恒温地层转变为年变温地层。在高温期,隧道向周围土体传热;在低温期传热方向相反。隧道周围及两孔间存在显著变温区,其最大温升值达7.14℃,年波动最大峰谷值接近10℃。该显著变温区位于距隧道外壁5m以及两孔之间的区域。其地温场在隧道运营20a后可达到初步稳定。建立了该显著变温区内地温场的年际波动模型,据此可估算出隧道周围土体不同距离处的年际温度值,该模型可为火灾等极端传热条件下估算隧道浅埋段地温场提供初始值。     

走滑断层作用下跨断层隧洞错断模型试验研究∗

隧洞抗错断研究中,正、逆断层研究较多,走滑断层研究较少。针对走滑断层引起的隧洞变形破坏、应变分布规律以及上覆围岩的破裂形态等关键问题,以滇中引水输水隧洞为依托工程,制作了隧洞模型开展走滑断层作用下断层隧洞的抗错断模型试验研究,得到隧洞在走滑断层断层错动作用下的结构响应规律。结果表明：①隧道衬砌结构在走滑断层作用下的破坏形式是弯曲张拉破坏以及直接剪切组合破坏,其中剪切破坏是主要破坏形式;② 隧道衬砌结构沿纵向以受拉为主,主要集中在活动盘距离错断面?0.5D~2.0D(D 为隧洞直径)范围内的隧洞衬砌顶部以及两侧拱腰沿纵向位置处,而受压区主要在活动盘距离错动面?0.5D~0.5D 内与活动盘移动方向一致的一侧拱腰;环向应变的影响主要集中在断层错动面附近;③活动盘受断层错动影响范围和剧烈程度均小于固定盘,故断层错动作用下的固定盘是隧洞抗错断控制重点。     

长周期地震动作用下大型立式储罐晃动波高问题研究

大型立式储罐储液受地震作用晃动波高问题是储罐抗震设计的重要指标,该指标的设计是否合理直接关系到储罐在地震作用下的安全性能,特别大型储罐在长周期地震动激励下会产生大幅晃动,对储罐本身和周围环境构成重大威胁。因此,针对长周期地震动作用下立式储罐的晃动效应,本文进行了各国规范之间的对比、振动台试验、数值仿真的研究。结果表明:中、美、欧、日储罐抗震规范在适用范围、场地分类、设防基准和反应谱等方面存在差异,但规范波高计算值相差不大,满足了对中短周期地震动激励波高的设防要求,对长周期地震动激励波高设防明显不足;储罐在含有丰富长周期波形的地震波作用下,产生的试验波高较大,且随地震动峰值加速度的增加呈一定的线性增加;利用傅里叶谱卓越周期作为频谱特性参数来拟合波高具有可行性,并与激励波高由一定趋势的函数关系;选用傅里叶谱低频幅值占比率λ进行长周期地震波界定,并运用多阶振型叠加SRSS方法进行规范波高公式修正,计算结果对长周期地震动激励波高有较高的设防。     

岩溶位置及组合效应对隧道的地震响应分析∗

为研究岩溶地区隐伏溶洞对隧道结构的地震动响应特性,基于粘弹性人工边界理论,编写了等效荷载时程施加程序,计算并分析了隧道结构环向五种岩溶位置(0°~180°)及其八种位置组合效应对隧道结构地震响应特性的影响。结果表明：结构的节点加速度响应随其距围岩顶部距离的增大而增大。两个单独溶洞(90°、180°)作用与其组合效应相比,180°位置的溶洞对拱底的加速度响应具有一定的减弱作用。位置组合效应条件下,结构应力变化较大的范围为结构环向的 1/4;由于溶洞的相互作用,结构的应力包络图略小于两个单个溶洞作用下包络图的最外缘。无论单个溶洞还是位置组合效应下,结构应力受影响较大的范围均在拱肩及拱脚附近。研究结果对隧道结构设计、建设及监测具有指导意义。     

复杂土层结构黄土场地地震动反应特性

基于复杂土层结构黄土场地的振动台缩尺模型试验,揭示了强震作用下场地的地震动响应规律;结合数值仿真模拟,分析了模型场地位移变化规律、地震波传播特征等。结果表明:(1)输入同一地震荷载情况下,峰值加速度(PGA)沿高程方向呈现递增趋势;同一监测点,PGA变化与地震动强度呈现正相关。(2)水平分量PGA大于垂直分量PGA;试验结果和计算所得PGA放大系数变化略有差异。(3)地表位移放大系数在2. 5～3. 5范围内变化;位移峰值的变化趋势与加速度峰值变化相似。(4)地震波传播速度变化与高程之间呈现负相关关系;在上覆土层厚度小于42. 5 m的情况下,地震波传播速度受上覆土层厚度影响较小;地震波在该黄土场地传播的过程中,其水平分量速度较垂直分量速度递减明显。试验与计算结果对黄土场地建筑选址和抗震设防具有一定的参考意义。