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。     

浅埋偏压条件下特大断面隧道地震动态响应的试验研究

以福州市二环路金鸡山隧道为工程原型,设计制作了浅埋偏压条件下特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了20种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度、衬砌接触压力、衬砌表面应力的地震动态响应。隧道中轴面各测点PHA放大系数随高程呈近似对数型增大,改变了原场地高程效应的表现形式;隧道模型的第一卓越频率与EL波的卓越频率较为接近,其共振效应使得EL波激励引起的高程效应明显大于其他地震波。靠山侧衬砌结构所承担的地震动附加压力显著大于临空侧,且在大振幅激励下,其拱腰所承担的地震动附加压力反而大于拱脚。隧道衬砌结构的扁平率和几何曲率,对其动应力峰值的分布均有显著影响,尤其是在大振幅激励下,靠山侧拱脚处的动应力峰值显著大于其他部位。衬砌结构的裂缝发展形态特征,与接触压力峰值及动应力峰值沿衬砌环向分布的规律是相一致的。上述成果为浅埋偏压条件下特大断面隧道抗震设防提供了参考。     

隧道纵向抗震分析的反应加速度方法∗

为研究隧道纵向地震响应,首先将隧道结构的动力问题简化为地震变形场作用下的土?隧道拟静力相互作用问题,推导了土?隧道拟静力相互作用模型的反应加速度方法。针对规范提供的纵向位移模式,给出相应反应加速度方法的等效惯性力公式及模型边界条件,最终建立基于规范位移模式的隧道纵向反应加速度方法。在与整体式反应位移方法对比验证的基础上,开展不同场地条件及不同隧道埋深下的隧道纵向响应规律研究。数值模拟结果表明：(1)当场地条件和埋深相同时,隧道弯矩随场地水平位移的增加而增加,而剪力、扭矩具有相反的变化规律; (2)场地条件对隧道纵向响应的影响较大,场地越软,隧道剪力越小,而弯矩和扭矩越大;(3)在 50 m 覆盖土层厚度内,随隧道埋深的增加,隧道剪力、弯矩逐渐减小,而扭矩基本保持不变。     

高速公路连拱隧道开挖三维稳定性分析

通过对金丽温高速公路湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了湾隧道开挖及加固全过程的围岩应力场、变形场的状况及变化特征。结果表明,湾连拱隧道围岩应变率较高,围岩衬砌后的位移值比未衬砌时减小了50%,采用目前的衬砌类型后,衬砌变形将较大幅度地变小,衬砌应变值基本满足要求;虽然围岩拉应力值随着隧道的开挖逐渐变大,除局部位置外,衬砌整体基本满足抗拉的要求。     

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。     

山岭隧道衬砌‑减震层体系动力响应研究∗

为了探寻隧道设置减震层时影响减震层减震性能的关键因素,建立了设置减震层的隧道有限元数值模型,将数值模型与振动台试验进行对比,验证了数值模型的可靠性。改变减震层设计参数和围岩条件,通过对隧道结构的主应变、相对变形率以及围岩的塑性区进行分析,研究不同参数条件下减震层的减震效果。结果表明：设置减震层后隧道加速度响应的传递函数在15~30 Hz 频段范围内减小,说明减震层通过吸收地震波中的高频成分,减小地震波能量向隧道的传递,进而减小隧道的地震响应。参数分析结果表明：减震层弹性模量越小厚度越大,减震层的减震效果越加明显,但隧道结构的相对变形率也随之上升。相比于增加减震层厚度,降低减震层弹性模量对减震效果的提升更为显著。在坚硬围岩中的设置减震层相比于软弱围岩减震效果更显著。     

城市浅埋暗挖隧道施工诱发地面塌陷的预测模型

以城市浅埋暗挖隧道上覆地层为状态量,隧道埋深、开挖直径、地下水位、上覆地层厚度等为控制量,基于突变理论建立城市浅埋暗挖隧道塌方的突变模型,揭示浅埋暗挖隧道地面塌方与各个影响因素之间的关系(比如随着地下水位的升高,浅埋隧道发生塌方的几率会大大增加)。利用该模型可得到城市浅埋暗挖隧道发生坍塌时,上覆地层地面沉降的临界值。以此上覆地层地面沉降临界值为隧道是否发生塌方的判定依据,结合广东莞惠城际铁路城市浅埋暗挖隧道工程的现场情况以及FLAC3D数值模拟,得出该模型预测沉降临界值与现场实测数据以及数值模拟结果相吻合,验证了该模型的准确性和合理性。     

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。     

与地裂缝正交马蹄形地铁隧道动力响应模拟分析

在地铁隧道—地裂缝动力相互作用模型试验中,拟采用点荷载的加载方式。为了合理制定模型试验加载方案,建立了点荷载和移动荷载2种加载方式下,与地裂缝正交的马蹄形隧道—地裂缝—地层动力相互作用的数值模型。通过对2种加载方式下的拱底土层竖向最大位移、土层最大加速度分布、土层加速度时程以及衬砌加速度时程进行对比分析,可以得出在2种加载方式下,拱底竖向最大位移、土层加速度分布、土层加速度时程以及衬砌加速度时程在分布上有相近的规律,从而说明了在模型试验中,可以用点荷载加载方式来代替移动荷载,为模型试验提供了依据。     

能源隧道热响应试验数值分析与适用性评价

以能源桩和能源隧道为代表的能源地下结构是一类节能环保的地下结构形式,能源隧道的理论研究与实际应用还处于起步阶段,相关测试与设计方法还不够成熟。以新八达岭长城站能源隧道试验段为研究背景,利用COMSOL软件对能源隧道热响应试验进行了数值分析与适用性评价,对TPT测试工况进行了数值模拟,经验证与现场实测结果吻合较好;对线热源传热模型用于能源隧道TRT试验的适用条件与方法做了初步探索,利用相对热效率的概念对模拟结果进行了分析。结果表明,线热源传热模型不能直接用于分析能源隧道TRT试验结果,但是T_fln(t)曲线的斜率与模型输入的围岩导热系数线性相关,可定义相对热效率来反映围岩导热系数对隧道埋管换热器换热能力的影响。     

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。     

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。     

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。     

圆形和直墙拱形地下隧道地震反应数值模拟对比分析

考虑土与结构动力相互作用的影响,将地基土—地铁区间隧道结构体系视为平面应变问题,建立了土—地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,对圆形和直墙拱形隧道的地震反应进行了数值模拟;分析了在相同的埋深和场地条件的情况下不同隧道结构形式在不同地震动作用下的应力、加速度和相对水平位移反应特性。结果表明:圆形隧道结构的应力和相对水平位移反应明显小于直墙拱形隧道。从抗震设计角度考虑,选择隧道形状时应优先采用圆形隧道。     

隧道衬砌空洞积水的探地雷达识别研究

衬砌空洞是运营隧道中的常见病害,由于其内部介质复杂,尤其当积水存在时,探地雷达(GPR)识别存在较大难度和误差。针对空洞积水的情况,利用MATLAB编程,建立空洞和不同电导率的空洞积水数值模型,用时域有限差分法(FDTD)进行探地雷达二维正演模拟,通过分析正演图谱和单道波形,得出空洞及积水的响应规律。制作隧道衬砌混凝土模型,应用探地雷达扫描测试,并与正演模拟结果进行对比分析。结果表明,雷达正演与模型试验结果相似;未积水的空洞反射波相位与入射波相反;空洞积水的雷达信号反射更明显,其反射波相位与入射波相同;电磁波在水介质中迅速衰减,空洞积水时,其大小难以定量识别。     

下蜀土边坡地震稳定性的大型振动台试验研究(Ⅰ)——模型试验设计

为研究下蜀土边坡的地震稳定性,选用天然下蜀土,按照Meymand的相似法则,对一坡高为0.5m、宽度为1.05m、坡角为45°的模型边坡进行了几何相似常数为20的1g大型振动台模型试验详细设计。首先,运用数值模拟的方法确定了模型边坡尺寸适当的边界范围,模型边坡地基厚度、坡脚前缘和坡肩后缘长度均取为0.5m;其次,按照确定的模型几何尺寸设计了符合试验要求的模型箱,其内壁净尺寸(长×宽×高)为1500mm×1050mm×1100mm,属刚性模型箱,且不会与模型边坡发生共振;最后,制定了包括加速度和位移在内的数据量测策略,运用拟静力法求得下蜀土边坡平均屈服加速度为0.561g,综合确定了地震动峰值(PGA)按0.1g、0.3g、0.6g和0.9g的顺序逐级加载的原则,并制定了详细的试验步骤,从而可保障试验得到可靠的结果。     

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。     

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。     

盾构隧道横断面地震响应分析

随着盾构法在隧道施工中越来越广泛的应用,盾构隧道横断面抗震性能的研究日益受到业界关注。以武汉长江隧道为例,对土体采用D-P本构模型,盾构隧道结构采用梁-弹簧模型,建立盾构隧道横断面二维模型进行动力有限元计算,该模型顶部采用自由边界,侧面采用自由场边界,底部采用静态边界。选用0.1g的天津波和场地人工波作为激励,研究了盾构隧道结构的加速度、变形和内力响应。结果表明:盾构隧道的拱顶与拱底的加速度响应大于隧道左侧、右侧;隧道拱底的绝对位移响应最大;地震作用对隧道衬砌结构的内力增量较为明显。目前的隧道结构设计可以满足结构抗震性能要求。     

地裂缝环境下不同隧道型式的地铁振动响应数值分析

以西安穿地裂缝带的地铁隧道工程为背景,利用ABAQUS软件建立了不同衬砌型式下的隧道–地裂缝–地层相互作用模型,对各有限元模型施加地铁移动荷载模拟体系的振动响应,分析了地裂缝邻近土体振动的基本特征,以及隧道断面尺寸和形状对振动响应的影响。计算表明:近振源处的土体以高频振动为主,远振源处的地表以低频振动为主;对于穿地裂缝带的分段式马蹄形隧道,隧道正上方地表地裂缝附近土体加速度响应强于远离地裂缝的土体,增大隧道断面尺寸,可以有效地减弱地表的振动;在本次模拟条件下,隧道断面形状对距隧道中心线12m范围内地表的振动有一定影响,对此范围之外的影响不显著;圆形断面下的位移响应与马蹄形和矩形的差异较大,马蹄形和矩形断面的位移响应差异不显著;地铁移动荷载下,地裂缝处上下盘土体间有一定的竖向位错量,其大小与距衬砌的距离有关。