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。     

走滑断层位移作用下山岭隧道非线性反应分析

为了研究穿越断层的山岭隧道结构在走滑断层位错作用下的反应,基于有限元和拟静力的基本原理,建立了隧道围岩的相互作用模型,提出了一种以围岩沿断层位错为输入荷载的跨断层隧道衬砌的反应分析方法。利用有限元分析软件ANSYS的位移荷载功能,使该反应分析方法得以实现。分析过程中以上盘为主动盘,通过给上盘施加强制位移来描述围岩的错动,采用荷载步为100步的逐步加载的方式来描述围岩错动的过程。对比研究了走滑断层工况下,加载断层位错由小到大的过程中,隧道衬砌各部分的应力反应状态。结果表明:当断层位错在20cm以下时,隧道衬砌各部分均处于安全状态;随着错动量的增大,衬砌不同部分的破坏顺序为:边墙先产生破坏,然后顶板产生破坏,最后破坏延伸至底板。     

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。     

跨越断层地下管线震害因素分析

地下管线抗震安全性问题是生命线地震工程的重要研究内容,大量震害表明地下管线,特别是跨越断层的地下管线具有极大的脆弱性。分析跨断层地下管线的震害影响因素,制定有效的工程措施对于提高实际地下管线的抗震性能具有重要意义。本文回顾了地下管线遭受震害的历史背景,主要从断层参数、地震及场地参数以及管道参数三个角度分析了影响跨越断层地下管线震害的因素。在这些震害因素分析以及前人工作总结的基础上,从宏观角度和具体措施两个方面,提出了一些跨断层地下管道抗震的措施。     

跨越断层埋地管线地震反应数值分析

跨越断层埋地管线在地震中的破坏是非常严重的,地震本身和管土相互作用体系中都存在很多不确定性因素,所以管线在断层运动过程中反应比较复杂。本文利用有限元理论和数值模拟手段,建立了管土作用模型,采用非线性接触问题研究方法详细地分析了管线由断层运动而产生的反应,对影响管线的各种因素进行了分析,包括位错量、跨越角度、断层运动形式、埋设深度、初始轴向力、断层裂缝宽度、填覆土质和管径。通过研究,得到一些初步结论。     

青海门源M6.9地震典型隧道破坏特征分析与启示

地震引起的断层强烈错断是造成隧道等地下结构严重破坏的重要原因。以2022年青海门源6.9级地震中左旋走滑逆断层错动造成的隧道震害为调查基础,对左旋走滑逆断层错动下的震害特征及震害成因进行研究分析,主要得到如下结论：(1)左旋走滑逆断层造成大梁隧道线位严重错动,水平最大偏移约1.78 m,竖向最大抬升约0.68 m;(2)震害主要集中在断层影响范围内,其中隧道受破坏严重段约350 m,占隧道全长的5.33%,受破坏较严重段分别位于严重段大里程侧402 m和小里程侧646 m范围内,占隧道全长的15.96%,其余段落震害总体轻微;(3)施工缝、仰拱填充层等部位对强震较为敏感,震害表现突出。此次研究通过对震害特征分析得到的有益启示可为同类工程抗震设计提供参考与指导。     

棋盘石隧道断裂破碎带地震动力响应分析

以棋盘石穿越断层破碎带段隧道为背景,采用理论计算与数值模拟相结合的方法,对棋盘石隧道在汶川波作用下的地震响应分析进行了系统研究。探讨了断层破碎带衬砌在地震荷载作用下的破坏方式,并且把数值模拟结果与汶川特大地震震害的公路隧道进行对比分析。结果表明:用松动圈折减系数法估算出衬砌最大弯矩和剪力的数值与数值模拟的结果基本一致,验证了MIDAS/GTS-NX模拟隧道地震时程分析的可行性;同时根据对有限元模型进行时程分析的结果,探讨了断层破碎带处衬砌的破坏方式,并提出合理可行的防治及加固措施。     

跨越断层地下管道地震反应研究

本文采用圆柱壳单元模拟地下管道,用有限元模拟手段建立了管道-土相互作用分析模型,采用非线性接触问题分析方法分析了管道因断层运动而产生的反应,通过大量数值计算,对影响管道地震反应的各种因素进行了研究,如断层位错量、管道跨越角、断层运动方式、管道埋设深度、管道初始轴向力、断层裂缝宽度、管道径厚比等,得到了一些规律性的结论。     

断层场地震害研究综述

本文介绍了国内外断层场地震害的研究现状和主要观点，指出了断层提高烈度的观点的片面性，阐述了我国地震考察中研究方法的创新和取得的主要研究结果，总结了断层场地的震害特征和非发震断层对震害无明显影响的主要结论。     

断层类型对高烈度区分布的影响研究

本文收集整理了1966年以来震级大于等于6.5的破坏性地震的震害资料,通过分析历史震例数据将6.5—7.9级地震的Ⅷ度及以上烈度区和8级及以上地震的Ⅸ度及以上烈度区定义为高烈度区。研究了不同类型地震高烈度区的分布特点,并给出了不同类型地震震级与高烈度区长短轴之间的拟合关系。分析结果表明:(1)走滑型地震高烈度区分布基本为比较对称的椭圆,这可能与走滑断层作用的应力是来自两旁的剪切力,其两盘顺断层面走向相对移动,而无上下垂直移动有关;(2)倾滑型地震高烈度区分布不一定对称,具体分布受断层两侧以及断层本身介质的物理性质影响;(3)褶皱类型地震的高烈度区分布特点要根据地震的断层位错和地震时褶皱隆起两方面的信息具体分析。     

2022年青海门源MS6.9地震后冷龙岭断裂未来强震的水平位错量评估

2022年1月8日青海门源发生Ｍ_S6.9地震,该地震造成冷龙岭断裂西端错断了兰新铁路大梁隧道,导致铁路长期停运,经济损失巨大。制定隧道修复方案时,需对冷龙岭断裂未来强震的水平位错量进行评估。结合近年来冷龙岭断裂的最新研究进展,同时采用确定性方法和概率断层位错危险性分析方法评估冷龙岭断裂未来强震的水平位错量。考虑不确定因素影响,同时采用3名研究者提供的震级与最大位错量经验关系式进行估算。结果表明,不同经验关系式会对评估结果产生显著影响,其中根据确定性方法得到的冷龙岭断裂未来强震的水平位错量为2.32～4.36 m,均值为3.57 m。概率断层位错危险性分析结果随着超越概率的降低而增大,50年超越概率2%、100年超越概率2%和100年超越概率1%的结果均值分别为1.82 m、3.17 m、4.61 m。相较于确定性方法,概率断层位错危险性分析可提供不同超越概率水平下的位错参数,以供不同抗震设防要求的建筑采用。此外,对于地震活动性强的断裂,可采用低超越概率下的概率断层位错危险性分析结果,该结果可能会大于确定性方法评估结果。     

跨断层工程输入地震动模拟及其应用研究进展

跨越活动断层的桥梁和隧道等工程结构面临巨大的地震风险,断层破裂产生的脉冲效应和永久位移是造成跨断层结构破坏的主要原因。研究跨断层工程的地震响应并采取相应的抗震设防措施显得十分重要,而合理的地震动输入是揭示跨断层结构地震破坏机理的基础。但目前缺乏跨越断层两侧的实际地震动记录,各类规范也没有提供合理的面向跨断层工程的输入地震动的模拟方法。为了分析跨断层工程输入地震动的研究现状,文中总结了相关研究提出的断层区域地震动的几种模拟方法,重点对基于脉冲函数和基于断层物理机制的方法进行详细介绍,分析其特点和存在的问题;综述了在上述方法模拟的断层地震动激励下跨断层梁式桥、缆索承重桥梁的地震响应特征。结果表明：断层地震动非常复杂,模拟方法不仅需要考虑脉冲效应、上下盘效应以及永久位移特征,而且应合理地考虑断层两侧地震动的空间相关性和相干性,才能为跨断层工程提供合理的输入地震动。     

山岭隧道断层错动及地震响应模型试验研究

东非大裂谷处于持续扩张运动中,断层错动和地震作用活跃.对此依托内马铁路2号隧道工程,设计断层错动和地震作用下山岭隧道振动台试验.综合确定长度相似比0.05、密度相似比0.8、弹性模量相似比0.03,设计了一种新型的断层错动装置和隧道震动裂缝声发射监测方法.试验结果表明:断层错动装置较好的模拟了岩层错动,声发射监测技术较好的监测了断层和地震作用下隧道衬砌微裂隙产生.断层错动和地震共同作用下,Y方向的地震波引起隧道衬砌侧壁产生较大响应,Z方向地震波引起隧道衬砌拱顶产生较大响应,隧道衬砌加速度响应值受断层错动量影响较小.断层错动和地震共同作用下,Y方向输入的地震波引起的隧道断层段衬砌侧壁受拉应变较大,且随断层滑移量增加而增加,其他位置拉应变较小.断层错动和地震共同作用下,Z方向的地震波引起的隧道断层段衬砌拱顶和拱底外壁受拉应变较大,且随断层滑移量增加而增加,其他位置拉应变较小.该试验结果对类似隧道工程研究具有参考价值.     

地震断层形态研究综述

随着我国工程建设事业的不断发展,一大批土木工程基础设施正不断向地下深部、深海和中西部地区延伸转移,如地铁工程、跨海跨湾工程铁路和铁路工程(如川藏铁路)等都具有里程长、规模大的显著特点,在我国特殊的地震地质构造背景下,会不可避免地遇到地表或地下深部地震断层的作用。断层的作用方式与断层破裂的形态关系密切,研究不同场地的地表断层形态对工程结构抗断层错断设计有重要意义。本文归纳了不同场地条件下地震地表断层的形态和断层的空间展布特征,总结了地震断层形态的研究现状,分析了影响地震断层形态的因素,探讨了当前研究工作的不足与今后的研究方向,以期能为相关研究工作提供参考。     

由近断层强震记录得到的断层位错过程对管道的影响分析

在近些年的几次大地震中,例如,汶川地震和集集地震等,获得了不少近断层乃至断层上的加速度强震记录.这些近断层加速度强震记录对研究近断层的地震动特征(如速度脉冲、方向性效应)、震源机制等具有重要的意义.通过对断层附近的加速度记录进行2次积分,并经过适当基线校正后得到断层位错时程,发现其位移峰值往往大于断层的永久位移量.而目前埋地管道在断层位错下的反应分析方法一般直接输入的是断层的永久位移量.     

穿越逆冲断层的埋地管道非线性反应分析

穿越逆冲断层的埋地管道在地震作用下,容易发生局部屈曲或整体失稳等形式的破坏,研究逆冲断层作用下的埋地管道地震反应规律,对管道抗震设计及施工等具有重要的意义。本文将埋地管线及周围土体从半无限地球介质中取出,分别以空间薄壳单元和实体单元进行离散,采用非线性接触力学方法模拟管、土之间的滑移、分离及闭合现象;采用线性位移加载模拟断层的错动,考虑了系统初始应力状态的影响,对土体未开裂前的管土相互作用系统进行了拟静力数值分析;分析了位错量、土体刚度、埋设深度、径厚比及跨越角度对埋地管道反应的影响,得出了一些有益的结论。     

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。      

集集地震近断层速度脉冲分析

初步分析了近断层速度脉冲的成因和特点,主要包括方向性效应、滑冲效应和上盘效应,并通过集集地震中27个近断层强震台的脉冲记录分析了断层破裂方向和滑移大小对地面运动峰值速度的影响。采用最小二乘法对速度脉冲的分布范围进行了回归分析,大于50 cm/s的速度脉冲主要聚集在断层距为10 km的近断层区域。对不同区域的三分量平均速度反应谱进行统计分析,表明近断层脉冲型地震动具有较大的特征周期和谱值,其中在垂直于断层走向的水平分量上尤为显著,这与断层剪切位错辐射效应的特征基本相符。针对脉冲型地震造成近断层地质灾害频发的现象,由共振效应分析了速度脉冲对边坡岩体的影响。近断层速度脉冲的研究可能对防震减灾、地震预警、震害评估有一定的参考意义。     

GNSS在断层形变研究中的应用

大地震多发生在主要活动断裂带及其附近, 因此断层形变的监测与研究非常重要。 多年来采用跨断层短水准、 短基线、 跨断裂带综合观测剖面等手段监测断层活动, 进而研究断层活动与变形规律。 GNSS多用于大面积地壳水平运动场和主要地块活动与变形的研究, 随着GNSS数据的积累和应用研究的深入, 已有学者用GNSS从不同角度开展断层形变的监测与研究。 本文介绍和论述了GNSS在断层形变研究中已有的部分应用和新的探索, 主要介绍以下几个方面: ① GNSS用于断层走滑活动的监测与研究; ② GNSS用于断层垂直活动的监测与研究; ③ 通过研究断层两边地块变形规律并建立应变模型, 可分别依据各自模型推测断层的活动与形变, 将推测结果与跨断层观测到的实际情况进行研究与比较。 研究分析认为, 由块体推测的变形与实测变形差异越大, 说明块体相互作用越强烈。 这可能对强地震地点预测、 地震危险性判定及地震趋势预测均有重要意义。     

南天山低角度逆断层古地震破裂变形模式

近年来逆冲型破坏性地震频发,这对于逆冲型破裂的古地震研究方法提出了新的要求。由于逆断层角度的变化,在地震中可能表现出截然不同的破裂样式。通过对南天山大量古地震探槽开挖和古地震事件分析研究中发现,低角度逆断层的古地震具有一些常见的破裂类型。本文中挑选了位于南天山三个重要山前逆断裂褶皱带:西段柯坪推覆系、中段库车坳陷的秋里塔格褶皱带和东段焉耆盆地北缘和静逆断裂褶皱带的7个典型探槽剖面,对这类低角度逆断层的古地震进行变形模式、事件识别和位移量计算的总结归纳。低角度逆断层古地震破裂具有以下几种样式并具有各自识别古地震事件和计算位移量的方法:1一条断面对应一次事件的破裂形式,利用断面上断点位置识别古地震事件并判断事件的先后顺序。每个断面各自的位移量正好代表一次事件的位移量。2单条断面多次破裂的样式可以通过上下不同地层的位错量差异判断古地震事件,各个相邻地层之间的位错量差值代表古地震事件的位移量。3多条断面同时破裂的情况表现为多条断面被相同一套地层覆盖,事件位移量为多条断面的位错量之和。4挠曲变形和"推土机"作用是低角度逆断层古地震破裂常见的变形方式,这部分变形量不能忽略,可以通过线平衡和面平衡方法获得断层水平缩短量。