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。     

地裂缝环境下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的研究

以穿越地裂缝带的西安地铁2号线为研究背景,通过数值模拟对地裂缝作用下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的机理进行了研究。研究结果表明：随着上、下盘位错量的增加,地裂缝处受影响的土体范围逐渐增大,土体的竖向位移也逐渐变大;上盘下降过程中,下盘隧道顶部沉降变形最大,上盘隧道顶部沉降变形最小;隧道的变形区域出现在预设地裂缝两侧,并且随着竖向位错的增大而增大,当错距d=100mm时,地裂缝处的隧道结构发生破坏。隧道的最大主应力位于结构出现裂缝和受剪切破坏的区域,随着位错量的增加,隧道的最大主应力变化剧烈。地裂缝处,隧道结构上部靠下盘区域受拉,靠上盘区域受压,隧道结构下部靠下盘区域受压,靠上盘区域受拉。在实际工程中,地铁隧道穿越地裂缝时,宜采用分段式隧道结构。     

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。     

地裂缝破裂扩展的大型物理模拟试验研究

通过大型物理模拟试验,研究了具有正断层性质的隐伏地裂缝破裂扩展时,下伏断层位错引起上覆土体中的应力场和位移场等的变化规律,以及隐伏地裂缝向上破裂扩展模式和平、剖面结构特征,并对裂缝的破裂过程进行了分析;将模拟试验结果与西安地裂缝的破裂扩展模式及建筑物的破坏模式进行对比分析发现,模拟试验结果与西安地裂缝剖面结构不一致,但与地裂缝带上建筑物的破裂形式相一致,这证明了西安地裂缝的形成年代较为久远,是一种早就存在的接近地表的构造破裂面,过量开采地下水则使其重新开启而形成地表裂缝.大型物理模拟试验取得的重要成果对于揭示西安地裂缝的成因机理具有重要的指导意义.     

地裂缝活动对城市连续梁桥作用的力学分析

由于城市交通的工程线型特点,其建设与运维无法避免会受到地裂缝活动的影响。基于MIDAS GTS NX建立一个三跨连续梁桥正交跨越地裂缝的有限元模型,分析在地裂缝不同沉降量下连续梁桥箱梁及墩台的位移场和应力场变化规律。结果表明,箱梁结构在不同沉降量条件下的主要差异沉降区范围基本相同,且与地裂缝影响带宽度基本等同,即上下盘各20 m长,共计40 m;箱梁的变形可分为三段：抬升区、不均匀沉降区和整体沉降区;地裂缝的上盘箱梁表面受压,而下盘箱梁表面受拉更为明显,处于桥墩位置处的箱梁应力显著增加,箱梁结构的破坏易因拉应力的陡增而发生在地裂缝的下盘桥墩处。地裂缝影响范围内的中跨两侧墩台产生显著的差异位移变化量,而地裂缝影响范围外墩台所受影响较小。研究成果可为已建和规划中的跨地裂缝连续梁桥的致灾机理研究及灾害防治提供重要参考。     

双向地震耦合作用下浅埋偏压黄土隧道共振特性研究

历次震害表明隧道等地下结构受地震影响较大,当地震动的卓越频率与结构的固有频率一致时,引发的共振会对结构产生更严重的破坏。针对共振这一地震中的特殊现象,通过ANSYS分析研究浅埋偏压黄土隧道在双向地震耦合作用下隧道衬砌各处的共振响应和围岩至衬砌段共振响应峰值的变化规律,同时考虑偏压角度和断面最大跨径对共振响应峰值的影响。研究结果表明：浅埋偏压黄土隧道具有多阶固有频率,衬砌的位移和应力均出现了共振现象且共振不表现出结构的自振频率特征;从围岩至衬砌段的共振响应具有放大效应;水平位移峰值随偏压角度的增大而减小;适当增大断面最大跨径对于抵抗共振是有利的;拱腰和拱脚处的主应力受共振影响较大,在隧道的抗震设计中应予以加强。     

隐伏正断层错动引发上覆土体破裂过程的三维数值模拟

通过建立三维数值模型,对隐伏正断层在均匀错动和倾斜错动方式下土体的破裂过程进行研究。利用应力罗德参数和等效塑性应变分别对断层错动过程中上覆土体的应力状态和破坏形式进行分析,并提出土体破裂的判别方法。通过对数值模拟结果的分析得到以下结论:① 在断层错动过程中,下盘一侧受断层错动影响的上覆土体的应力状态经压剪→纯剪→拉剪逐渐变化,而上盘一侧上覆土体的应力状态变化较为复杂,经压剪→纯剪→拉剪→纯剪→压剪重复变化;② 在断层均匀错动过程中,断层下盘一侧土体的破裂率先出现在地表拉剪区内,随错动量的增大,破裂带向两侧、向深部扩展;同时,下盘一侧土体的底部产生破坏,并斜向上扩展,逐渐与顶部破裂相连;③ 在断层倾斜错动过程中,地表破裂出现的位置和上覆土体的厚度有关。对于厚度较大的土体,正断层倾斜错动能够在地表形成与断层走向有一定夹角、且与断层长度相比长度很短的地表破裂或地裂缝,而数值模拟可对正断层错动导致的地表破裂的模式加以补充,为研究地裂缝的形成机理和分布形式提供依据。      

地裂缝场地结构抗震设防避让距离研究

以西安地铁二号线沿线地质勘查资料为基础,借助ABAQUS有限元软件建立地裂缝场地与结构共同作用模型,将结构分别置于距地裂缝不同距离的位置,并施加El-Centro地震波,通过比较不同位置结构的层间位移角、框架柱剪力的变化情况,研究近地裂缝结构在地震作用下的工作特性,找出不同避让距离下的结构动力响应变化规律,并与地表峰值加速度的变化规律进行对比分析,为地裂缝场地结构的避让距离选取提供参考。结果表明:上盘结构层间位移角放大幅度为30%~41%,而下盘结构层间位移角放大幅度为18%~22%,上盘结构的破坏程度远大于下盘结构。随避让距离的增大,地表加速度峰值逐渐减小,结构破坏情况相应减弱,但地表峰值加速度表现出现较为平缓的线性下降,而其上部结构的峰值位移曲线则出现大幅度的下降,甚至在近地裂缝处产生突变,其最大层间位移角放大幅度由41%降为21%,地表加速度峰值的变化并不能完全反映出近地裂缝结构的动力响应规律。位于地裂缝场地的结构动力时程响应规律明显区别于普通场地上的结构,对位于地裂缝场地的结构进行抗震设计时应对水平地震影响系数最大值αmax进行调整。     

山岭隧道洞口段地震响应振动台模型试验研究

通过对已有震害的调查发现,洞口段为山岭隧道抗震的薄弱环节,容易发生边坡失稳及衬砌结构的损坏。对隧道洞口段进行了大型振动台模型试验研究。研究结果表明:由于洞口仰坡临空面的存在,在距离洞口一定范围内会出现加速度的"放大效应",这种"放大效应"会导致衬砌间的非一致振动;应变结果显示:衬砌结构主要以横向受力为主,地震附加应力主要集中在拱肩和拱脚,这些部位为衬砌结构抗震的薄弱环节,试验中距洞口一定距离处的衬砌结构最先破坏,故洞口加速度的"放大效应"并不代表衬砌结构地震反应内力的放大,洞口处衬砌结构惯性力不是结构地震反应附加内力的主导部分;洞口仰坡的坡面位移随着高程的增大呈抛物线形增长,衬砌结构整体变形为椭圆形,变形较大的位置为拱肩和拱脚;随着地震波的逐级加载,洞口仰坡发生推动式滑坡,从而引起衬砌结构的破坏,施工缝的存在消耗围岩变形对衬砌结构产生的附加内力,有助于衬砌结构抗震。试验研究结论可供软弱围岩下山岭隧道洞口段的抗震设计参考。     

进洞高程对黄土隧道洞口衬砌和仰坡动力响应的影响

针对黄土边坡与隧道洞口段衬砌的相互作用问题,运用数值模拟的方法分析了以不同进洞高程进洞时黄土隧道洞口段衬砌的动力响应特征和洞口仰坡的动力稳定性。结果表明:进洞高程越大,洞口段隧道衬砌的位移响应与内力响应越大;随着进洞高程的增大,坡面位移放大系数在减小,不同进洞高程进洞时坡面位移放大系数均呈先增大后减小再增大的变化趋势。在0.2~0.6H时变化最为剧烈,0.4H左右时位移放大系数达到了最大值;不同进洞高程进洞时坡面中心和水平方向距离隧道结构1.5D处的坡面位移放大系数变化趋势基本一致,其大小关系为:纯边坡位移放大系数 < 有隧道结构中面位移放大系数 < 距隧道1.5D位移放大系数;随着进洞高程的增大,剪应变增量和坡面位移均在减小,坡面的稳定性在增强。该研究可为黄土地区隧道进洞高程的选择提供一定的参考。     

Dynamic behaviors of underground structures in E-Defense shaking experiments

In mitigating disasters, underground structures are required to play an important role because they generally perform well even under large seismic loads and can be used as bases for reconstructing damaged cities. Underground structures compose a network, and therefore, disconnections caused by localized damage may induce critical malfunctions. To investigate this problem, a series of shake table tests using large-scale soil-underground structure models was performed at E-Defense, Japan in 2012. The intent of the tests was to capture detailed localized behaviors of underground structures around inground joints and boundaries between two different soil strata. In the experiments, significant failure developed at an inground joint due to displacement of the surrounding soil. In addition, noticeable localized behaviors, such as conversion of horizontal ground displacement to vertical bending of a tunnel appeared around the inground joints. Also, it was found that a flexible segment along underground structures is effective in mitigating damage to those underground structures, but only in its immediate vicinity.     

山西繁峙县金山铺乡中虎峪村地裂缝考察报告

通过对2006年4月21日在山西繁峙县金山铺乡中虎峪村发现的地裂缝进行现场勘察,分析排除了4月代县震群和降雨的影响,认为此次地裂缝是由于2005年7月~8月洪水曾漫过该区域,由于地表水的下渗在地下深部形成空洞,湿陷性黄土在重力作用下,产生局部不均匀沉降而形成。该结果对地震活动的研究和安定民心有积极的意义。     

圆形隧洞对地下地震动的影响:SH波入射

地下结构对地震波的散射改变了场地的动力特性,无论是地上建筑还是地下结构的安全评价和抗震设计中,目前均没有很好的考虑由于地下结构的存在对原场地地震动尤其是地下地震动的影响。基于弹性波动理论,运用波函数展开法和镜像原理,分析了弹性半空间中圆形隧洞对柱面SH波的散射问题,得到了含圆形隧洞的弹性半空间位移解析解。通过数值算例分析了圆形隧洞对原场地地震动的影响,重点考察了隧洞埋深、隧洞半径和围岩衬砌模量比等参数的影响规律。结果表明,地下结构对沿线场地的动力特性有着显著的影响,对其自身以及沿线工程结构的抗震设计提供一定参考价值。     

大同铁路分局地裂缝带的三维构造特征及其成因分析

通过实地考察、槽探和浅层地震探测等手段以及对地质构造和地下水超采环境的分析，详细地研究了大同铁路分局地裂缝带的三维构造特征，指出现今处于发展中的地裂缝带是由东向西扩展的，扩展速率为２６０～５２０ｍ／ａ，地裂缝带两侧的差异升降运动速率达２２．１～２４．４ｍｍ／ａ，主地裂缝带的水平拉张速率约１．１１～１１．６ｍｍ／ａ，垂直错动速率０．２～８．５７ｍｍ／ａ，左旋错动速率１．８７～３．５７ｍｍ／ａ。地裂缝带的活动方式为无震蠕滑型，扩展中的地裂缝是一种无震的地质灾害     

饱和砂土中箱型隧道的地震反应分析

饱和砂土地基在地震作用下存在液化的潜在危险,液化引起的地基失效可能会导致地下结构的严重震害。以Opensees作为计算平台,对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行输入不同幅值地震动时的动力数值计算,研究场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的震后位移以及隧道的内力分布。计算结果表明,饱和砂土中箱型隧道的地震附加内力仍受周围土体的相对位移控制,此外在震后隧道可能会产生侧移和上浮的永久位移,并且可能存在残余内力。     

西安地裂与地裂学——地球科学的一门新分支

在对西安地裂进行了全面综合研究的基础上,本文对各种不同的地裂灾害进行了归纳分类,並对其各自的成因进行了初步分析。给出了各类地裂在中国的宏观分布及地裂灾害最严重的地区——汾渭盆地的地裂分布。提出了在地裂的研究中,理论上要认识在多因迭加下浅部地层的非均匀、软弱、多相介质中断裂的失稳、扩展及终止的规律;应用上要解决各类建筑的防裂减灾技术问题,並能服务于环境、资源保护和城市规划,同时,还可以为地震预报、开发地热等工作提供某些基础资料。地裂学就是旨在完成上述任务的一门新兴的边缘学科,它将作为地球科学的一门分支学科在“国际减灾十年”中应运而生。     

Performance of the Yangbi MS 6.4 earthquake disaster in different geomorphic units in Yunnan

An M_S 6.4 earthquake occurred in Yangbi, Yunnan province, on May 21, 2021. According to related investigations, the macro-epicenter of the earthquake is 6 km northwest of Yangbi County, and the seismogenic structure is the NW-trending Weixi-Qiaohou fault. The earthquake area is located in the hinterland of the Hengduan Mountains in the northwest of Yunnan province, a region dominated by high and medium-high mountains, with deep canyons and tectonic basins in between. Various geomorphic features are derived from drastic topographic changes and huge geological differences in the earthquake area. There are a variety of buildings in the earthquake-affected zone, including civil and brick-wood structures ones with weak seismic performance, as well as brick-concrete and frame ones with better seismic performance. This paper summarizes and analyzes different characteristics of the earthquake in different geomorphic units through field investigations of different buildings and geological disasters in the affected area. The results show that under the same earthquake intensity, the damage to most buildings (located in slope areas or rooted in weak strata) is amplified by the earthquake. The earthquake has exerted an obvious propagation effect along the direction of the seismogenic structure. Moreover, local ground fissures will aggravate the damage to the buildings even without surface dislocation. Thus, we suggest that attention should be paid to the ground fissures caused by the slope effect. The fissure areas may also be the disaster spot of collapses and landslides in case of a high-magnitude earthquake.