跨断层隧道地震反应分析

地震发生时,跨断层隧道一般会产生较严重的震害。本文以跨断层隧道为研究对象,从震害现象、震害产生的原因和抗震研究现状的总结入手,进行了跨断层隧道地震反应分析研究。本文主要工作成果有以下几个方面:1.断层位错作用下隧道结构的非线性反应分析。针对断层错动而引起的隧道衬砌破坏,研究了几种不同工况下隧道的非线性反应特性,主要得到以下研究结果:(1)长大跨断层山岭隧道在不同断层类型位错作用的研究表明:在相同的加载过程中,     

走滑断层和逆断层位错作用下地铁隧道损伤特征对比分析

隧道作为重要的轨道交通工程,近年来在地震中受到了不同程度的破坏,特别是跨断层的隧道,其抗震性能越来越受到人们的关注。为了能够更好地评价隧道的整体损伤情况及把握其损伤特征,以北京地铁7号线为研究对象,利用有限元软件ABAQUS建立模型,采用拟静力法,以隧道直径变化率作为损伤指标分析了隧道在走滑断层以及逆断层位错作用下的损伤特征,对比了两种断层位错作用下损伤状态与地震强度之间的关系、损伤范围和位置以及损伤程度。结果表明:跨断层隧道在断层错动作用下损伤只发生在断层带附近;当震级处于6.0～8.0级时,隧道衬砌损伤程度随震级的增大而增大;在覆土厚度相同的条件下,同震级时逆断层位错作用下隧道损伤程度要比走滑断层作用下大得多;走滑断层位错作用下隧道结构损伤主要发生在拱腰处,逆断层位错作用下主要发生在拱肩－拱脚以及拱顶－拱底处。     

逆断层错动对隧道工程影响的数值模拟

由于断层错动导致的围岩永久变形会对隧道结构产生危害,为研究隧道在逆断层错动下的变形与受力特征,本文以成兰铁路穿越北川—映秀断裂的跃龙门隧道工程为研究对象,利用Abaqus软件建立穿越逆断层隧道结构的数值模型,选择参数和设定边界条件,模拟分析在逆断层错动作用下隧道衬砌结构的受力与变形情况。结果表明:逆断层错动引起隧道衬砌结构发生了“S”状弯曲变形,衬砌结构的纵向应力随断层位错量的增加而增加,整体表现为衬砌顶部与底部所受拉压应力分布相反;衬砌顶部拉压应力值均大于底部,且衬砌顶部和底部的压应力值均大于拉应力。      

天山胜利隧道穿越博-阿断裂段抗错断性能研究

目前针对超挖、铰接与减震层组合设计对走滑断层隧道抗错断损伤特征的研究尚不明确,为此以天山胜利隧道穿越博罗科努-阿其克库都克断裂为实际工程背景,采用可表征泡沫混凝土力学行为的塑性本构模型模拟减震层泡沫混凝土受压行为,建立精细化三维数值模型,评估隧道在超挖、铰接与减震层组合设计工况下的纵向位移、衬砌断面损伤和应力分布特征,得出采用超挖、铰接与减震层组合设计时的走滑断层隧道力学响应及破坏特征。研究结果表明,隧道受断层活动影响呈现S形变形,在断层滑动面附近隧道变形较大;走滑断层作用下衬砌损伤集中在拱腰及45°共轭方向,衬砌内力随着断层错动量的增加而增大;通过超挖、铰接与减震层的组合设计,能够较好地减轻隧道二次衬砌破坏。     

断层错动下盾构隧道抗震措施研究

采用混凝土塑性损伤本构模拟盾构管片,建立三维有限元壳-弹簧模型,开展了在45°断层错动下盾构隧道结构响应的静力弹塑性分析。研究表明,在正断层和逆断层错动下,衬砌受压损伤最大值均分布在拱顶处,衬砌受拉损伤最大值均分布在拱腰处;正断层错动下,环间螺栓易发生受拉破坏;逆断层错动下,混凝土管片易发生拉压损伤破坏。替换断层附近土体为软土的同时提高螺栓强度等级,可有效抵御较大的断层错动位移。研究对断层错动下盾构隧道的抗震措施具有一定参考价值。     

地震动和断层错动联合作用下隧道纵向响应解析解

隧道穿越地震活动断层带时可能遭受严重破坏,以内马铁路一期三标段工程为依托,对地震动和断层错动联合作用下隧道结构纵向响应进行研究。针对穿越断层破碎带的隧道结构,基于地下结构抗震拟静力法,将其简化为弹性地基梁,并将地震动和断层错动位移简化为作用在隧道上的静荷载,建立地震动和断层错动联合作用下隧道纵向响应理论模型并进行求解,利用有限元数值模拟方法验证解析解的正确性。通过解析解进行参数敏感性分析,揭示断层错动位移、两侧围岩地基系数与断层破碎带地基系数比及围岩与隧道结构刚度比对隧道结构纵向响应的影响规律。研究结果表明,断层错动位移增加使隧道结构截面弯矩、剪力峰值接近线性增加,隧道内力沿隧道纵向分布的影响范围不变,且断层破碎带界面出现了截面剪力突变;两侧围岩地基系数与断层破碎带地基系数比对隧道结构截面剪力的影响较大,在地震动和断层错动联合作用下隧道结构剪力在断层破碎带界面急剧减小;随着围岩与隧道结构刚度比的减小,地震动引起的隧道挠度减小,断层错动作用引起的隧道挠度变化范围增大,同时隧道结构内力响应明显增大。     

穿越活断层铰链式衬砌隧道减震措施动力响应研究

鉴于穿越地震活动带逆断层的铁路山岭隧道易受逆断层滑动的影响,且目前铁路隧道穿越多条活动性断层可供借鉴经验较少的现状。文章采用数值分析方法,对活动逆断层错动下的铰链式衬砌隧道在地震荷载作用下围岩加固方式、超挖设计结构的动力响应进行对比分析。结果表明逆断层错动时,对浅部地层变形的影响范围大于深部,但最大附加变形出现在深部断层面附近,且错距越大其最大附加变形值越大,断层活动对隧道结构安全影响较为显著。注浆加固并不改变衬砌在地震中的震动频谱特性,宜采用施作单层衬砌预留修复空间的设计方案。对于是否超挖设计的两种工况下,衬砌位移变化规律一致,衬砌的震动频谱特性一致。经过监控量测发现支护压应力在埋设2个月左右后趋于稳定。所得结论可为今后类似工程结构设计与施工提供参考。     

隧道在地裂缝处的沥青混凝土复合衬砌的力学响应分析

针对隧道分缝衬砌结构为适应地裂缝错动造成位移变形而采用的流变性沥青混凝土复合衬砌置于初次衬砌和永久衬砌之间,改善隧道受力条件,以及沥青混凝土密封变形缝防止隧道渗漏的新型技术,应用有限差分数值方法,模拟隧道围岩土层结构及土材料的弹塑性、开挖支护施工过程、复合衬砌沥青混凝土的弹粘塑性、地裂缝两侧上、下盘土层相对错动位移变化,进行了地裂缝隧道永久衬砌结构分缝支护、初次衬砌和永久衬砌中间复合无缝沥青混凝土衬砌的力学响应特性分析。结果表明沥青混凝土复合衬砌能够抑制地裂缝错动位移条件下永久分缝衬砌段的水平位移和旋转位移,其流变变形调整和改善了永久分缝内衬的受力状态,减小了地裂缝附近衬砌结构的集中受拉受压作用。     

通过活断层区地铁隧道埋置深度研究

采用ABAQUS有限元分析软件,以北京地铁7号线区间隧道作为工程背景,考虑到衬砌与土体之间的相互作用,建立了地基土-隧道体系的整体有限元模型,针对不同断层类型工况下,隧道结构在不同埋深下的反应进行了系统分析。研究结果表明:隧道结构处于弹性阶段时,在规范规定的取值范围内适当地减小隧道埋深可以减轻结构的反应;在较大断层位错作用下,隧道结构产生的损伤区域长度,以及出现损伤最严重的位置不受埋深的影响;在逆断层下,隧道埋深为10m时,结构震害程度最为严重;在正断层下,隧道埋深为8m时,结构震害程度最为严重;在走滑断层下,隧道埋置越深结构受到的震害程度越严重。     

断层错动对隧道的影响分析

隧道通过潜在地震地区时.存在活动断层的错动形成的重大工程地质问题的威胁.基于断裂儿何学和震源的运动学特征,以广州地区活动断裂为研究背景,通过在断层左右盘施加一定的速度荷载,模拟了断层错动达到0.28 m时对隧道的影响.得出隧道结构在断层错动影响下的位移和应力的变化规律.分别建立隧道结构距离断层50 m、100 m、150 m三个模型,比较了三种情况下的位移和应力状况.归纳出隧道与断层之间的安全距离.     

含有单-粗糙面的走滑断层的滑动弱化不稳定性h

本文研究了有限长度含有单一粗糙面的垂直走滑断层的滑动弱化不稳定性.我们假定断层强度在其深度方向是均匀的,而在走滑方向是不均匀的,即存在一个高强度段.并假定断层上的粗糙段及断层上的其它部分具有相同类型的本构律,只是峰值应力不同.断层周围的地壳材料用上、下表面应力自由的弹性平板来模拟.我们用有限元方法研究了理论位移场、应力场和应变场随远场位移的演变情况.此时,断层位移和摩擦应力并不是预先给定的,而是在求解过程中同时确定的.根据计算结果,我们比较了理论位移场及断层上摩擦应力分布在稳定和不稳定滑动情况时的差别.并与内部含有低强度段的走滑断层的场合做了比较.      

Slip-weakening instability on a strike-slip fault with asperity

In this paper, we studied the slip-weakening instability on a finite and vertical strike-slip fault with asperity. We assumed that the fault strength is uniform in depth, but it is non-uniform in the strike direction, i.e., there is an asperity on the fault. The segments of the fault with and without asperity follow the same type of constitutive law, but the peak stresses are different. The material surrounding the fault is represented by elastic plates whose upper-surface and bottom are stress-free. We use finite element method to study the evolution of theoretical displacement, stress and strain fields that vary with a remote displacement. Here the displacement and frictional stress are not given in advance, but are determined in the solving process. According to the results, we compared the theoretical displacemeut and the distribution of frictional stress on the fault between the stable and unstable slips. In addition, we compared the results in this paper with known results for the strike-slip fault with a segment of lower strength.     

The Influence of Thrust Fault Structure on Cross-fault Short-leveling Survey

Aiming at different variation patterns of cross-fault short-leveling before earthquakes, the paper establishes the 2-D finite-element models with different crustal stratification and fault occurrence perpendicular to Longmenshan fault zone. By contact analysis and viscoelastic finite element method, the influence of fault structure on cross-fault short-leveling is obtained under the same constraint conditions, the results show that:with the increase of the horizontal projection distance of fault, the cumulative displacements of surface increase gradually in the models with fixed dip angles of the fault plane (model 1). However, when the horizontal projection distance exceeds 20km, the influence of fault''s dip angle on the cumulative displacements of surface short-leveling will decrease significantly, and the cumulative displacements are maintained at about 1.5m. However, in the listric fault models (model 2),when the projection distance is less than 20km, the listric fault structure impedes the sliding of fault. The short-leveling variation rate is only half of model 1; as a result, the ability to reflect the regional stress enhancement by cross-fault short-leveling is further weakened. But when the horizontal projection distance exceeds 25km, the cumulative displacements significantly increase, with the maximum displacement reaching 1.75m. The results of equivalent stress show that the listric fault structure causes a sudden increasement in equivalent stress when the horizontal projection distance is 10km, higher equivalent stress values are accumulated between the projection distance of 5-20km, and then high-low stress difference zones are formed at the bottom of the fault plane and near the transition zone of low-high dip angle.     

既有地下结构用于地铁工程的可行性研究(II)

为了评价7381工程现在用于地铁运营的安全性,基于现场隧道衬砌的检测结果,对主洞衬砌和车站三联拱的承载能力进行了计算。通过多种力学模型讨论衬砌所承受的围岩压力,并依据比较结果,推荐泰沙基模型．计算结果表明衬砌结构承载能力满足现行有关规范要求。对衬砌存在的损伤和劣化进行了机理分析,并提出了有针对性的治理方法。结合地质勘查结果和衬砌结构使用寿命评估结果得出：哈尔滨7381工程经整治后可以用于地铁运营,其剩余使用寿命估算为80年。     

地震断层对管道压溃压力的影响

利用有限元软件ABAQUS,结合用户自定义Python程序,开展地震断层作用下深海管道局部变形和压溃过程的数值模拟。分析均质土体和随机分布土体模型的地震断层位移大小对管道局部变形的影响,并分析断层诱发的局部挤压变形对管道压溃压力的影响。研究表明:相比于断层走向与管道轴线方向垂直的走滑断层,断层走向与管道轴线方向夹角为45°的走滑断层作用下管道的压溃压力较小,且当断层走向为管道轴线方向逆时针旋转45°时,左旋走滑断层作用下管道的压溃压力低于右旋走滑断层作用下的管道压溃压力。断层位移相同时,管道径厚比越大,压溃压力越小。考虑土壤随机性时,由于APIX65钢制管道刚性较大,且管道两侧土体内聚力和摩擦角分散于均质土壤土体参数均值两侧,因此断层作用过程中管道受到的土压力在均质土壤模型中的土压力数值处上下波动。     

有限单元法在首都圈地区跨断层水准测量监测能力初步评价中的应用

以首都圈地区布设在不同断层上的24处跨断层水准观测为研究对象, 建立了地壳分层结构、 含不同倾角断层的三维有限元模型, 模拟计算了断层倾角和走向对跨断层水准观测结果的影响, 并结合跨断层水准测量资料、 震例研究及R值预测评分, 对首都圈地区跨断层水准测量监测能力进行了初步评价。 结果表明: ① 跨断层水准观测能力一定程度上受倾角和走向因素的共同影响; ② 跨断层水准布设于倾角30°~70°且走向与地面水平最大位移方向近垂直时具有较好的映震效能; ③ 首都圈跨断层水准监测体系总体而言具备较强的监测能力。     

Influence factors on the ground surface rupture zone induced by buried normal fault dislocation*

The seismic disaster presents a zonal distribution along the fault strike. In this paper, rupture zone of ground surface soil caused by the uniform dislocation, inclined dislocation and warped dislocation of buried normal fault are studied by constituting a three-dimensional finite element model in Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis (ADINA). According to the critical value of surface rupture, the variational features and influencing factors of width and starting position of the “avoiding zone” in engineering construction are analyzed by using 96 model calculations. The main results are as follows: (1) Since the rupture zone of the ground surface soil from the point of mechanics is different from the “avoidance zone” from the point of engineering safety, the equivalent plastic strain and the total displacement ratio should be considered to evaluate the effect of the seismic ground movement on buildings. (2) During fault dislocation, plastic failure firstly occurred on the ground surface soil of the footwall side, and then the larger deformation gradually moved to the side of the hanging wall of the fault with the increase of fault displacement. (3) When the vertical displacement of buried fault reaches 3 m, the width of “avoiding zone” in engineering construction varies within the range of 10–90 m, which is most affected by the thickness of overlying soil and the dip angle of the fault.     

地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟研究

隧道围岩受地震荷载作用影响产生开裂变形,给交通、安全与经济带来极大影响,为提升隧道安全稳定性能,以某市隧道为对象,研究地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟。综合考虑地震动作用与地震波扩散特性,利用FLAC软件构建三维动力模型;通过边界设置解决地震波反射问题,基于物理力学参数与地震荷载条件,通过相对变形法研究地震条件下深埋隧道围岩变形特性、能量聚集特性与安全性能。研究结果显示:深埋隧道围岩受地震荷载作用影响,形成挤让、椭圆化的变形走向;变形达到最高值时,应变能量密度高于2350 J/m^3的区域集中在隧道Ⅰ洞左侧围岩边墙和中夹岩柱上;各监测点安全系数呈非对称性,隧道右侧下角区域安全系数低于国家相关标准,计算结果与实际测量结果一致。