考虑进洞高程效应的黄土隧道洞口段地震动力响应特征研究

通过大型振动台模型试验并采用Midas-GTS有限元软件进行模拟计算,研究黄土隧道洞口段在地震作用下的动力响应特征、破坏过程和地震波在模型中的传递规律,分析影响黄土隧道洞口段地震动力响应的主要因素。结果表明:边坡沿弧形开裂面的垮塌受坡脚剪切和坡顶拉裂的共同作用;边坡会对其卓越频率内的地震波产生明显放大效应,且在1/2坡高以上放大效应出现饱和现象;隧道临空面是影响隧道洞口段地震动力响应的主要因素。考虑进洞高程效应时隧道洞口段抗震设防长度可取距洞口5倍洞径范围。振动台模型试验与数值计算在位移、加速度、应力三个响应特征上吻合较好,证明二者结果合理可靠。研究成果可为隧道工程设计和地下结构抗震理论研究提供有益参考。     

考虑边坡进洞高程的黄土隧道洞口段动力响应数值模拟

利用Midas-GTS建立边坡-隧道结构模型,对宝兰客专黄土隧道洞口段在地震作用下的动力响应特征进行数值模拟研究,分析边坡进洞高程对洞口段动力响应的影响,在此基础上讨论隧道洞口段受力变形特征及其分布规律。研究表明:坡面最大位移随着仰坡坡度的增大而增大;仰坡坡度越大、进洞高程越高,隧道洞口段的衬砌变形就越大;坡面和衬砌加速度最大值随着仰坡坡度的增大而减小;当洞口段隧道长度Y≥60 m时,进洞高程越大,衬砌加速度越小。洞口段仰拱最大主应力整体大于拱顶最大主应力,但二者变化趋势基本一致;在洞口段0~20 m范围内,由于坡隧系统相互作用交互影响,衬砌结构受力情况较为复杂。     

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。     

黄土隧道边仰坡动力响应的大型振动台模型试验研究

设计并完成了1∶80比例尺的高陡黄土边坡大型振动台模型试验。通过输入不同类型、幅值、频率的地震波,探讨地震作用下模型洞口仰坡动力响应规律,以及地震动参数对动力响应的影响。试验结果表明,不同地震波加载的过程中,坡面的PGA随着测点高程的增大而增大,在隧道仰拱和拱顶所处的位置,PGA有突然减小的过程。其中仰拱周围边坡坡面的PGA减小更大,说明隧道的存在对坡面加速度的放大作用具有一定的抑制作用,其中仰拱位置比拱顶位置抑制作用更强。台面峰值加速度越大,仰拱对加速度的抑制作用更加明显,坡顶面的PGA最大,因此坡面越高,加速度的放大效应越明显,并没有出现加速度放大系数饱和的这种状态。试验结果有助于揭示黄土隧道仰坡在地震作用下的失稳机制,为工程的抗震设计提供有益的参考。     

仰坡坡度对隧道洞口段动力响应的影响分析

采用动力有限元数值模拟的方法,设置四种不同仰坡坡度的模型,沿隧道轴向方向输入地震波,探究隧道洞口段及仰坡在不同仰坡坡度影响下的动力响应,并通过对无隧道通过的纯边坡模型与相同条件下有隧道通过的边坡模型的动力响应进行对比分析,研究隧道的存在对坡面动力响应的影响。研究结果表明:(1)由于临空面的存在,隧道洞口段的位移与加速度具有明显的放大效应。不同坡度模型的位移峰值皆位于y=0m断面的拱顶处,在距洞口y=40m后的各控制点位移差值迅速减小。(2)随着仰坡坡度的增加,同一断面处隧道的位移值随之增加,洞口段的截面变形也随之增大。(3)当坡度α≥60°时,坡面位移随着坡面高程的增加而增大;当坡度α60°时,坡面位移随着坡面高程的增加先增大后减小,在0.4~0.6倍坡高处达到最大,即随着坡度的增加,坡面的位移峰值也就越靠近坡顶。(4)隧道的存在对于坡面的稳定性有重要影响,这种影响在洞口附近尤为明显。     

层状工程边坡振动失稳的物理模型试验研究

依据量纲分析法和相似定律,制作了顺层和反倾向岩质隧道边坡的物理模型,采用单向振动试验台施加动力荷载,利用摄像机记录模型边坡的变形破坏过程、加速度传感器采集边坡各部位加速度分布情况。试验结果表明:层状岩质边坡的变形破坏是受到结构面控制的,顺层边坡的破坏以剪切滑动破坏为主,而反倾向边坡的破坏以松散体塌落为主;另外,隧道洞口的破坏情况与洞口所处的高程有关,高坡位的隧道洞口在振动力作用下的破坏较为严重,而低坡位隧道洞口则容易被滑塌体堵塞洞口;模型边坡存在明显的"高程效应"和"趋表效应",不同结构面组合形式的边坡其加速度放大效应具有相似规律。     

黄土边坡动力响应分析

运用有限差分软件FLAC3D,建立了某一黄土边坡三维模型,首先对其在地震作用下的动力响应规律进行了总结,然后探讨了地震动参数对黄土边坡动力响应的影响。结果表明：黄土边坡对地震波存在垂直放大和临空面放大作用;当输入地震波振幅或频率增加时,坡面监测点加速度放大系数随坡高增加呈＂增加→衰减→增加＂的三段形态;速度放大系数随坡高的增大而增大,并在坡顶达到最大值;位移放大系数随振幅和频率的增加而增加;地震持时对加速度、速度峰值的影响不大,但坡体位移随持时的增加而显著增加。强震作用下的最大剪应变增量区域的位置和形状表明,黄土边坡的破坏模式仍是沿着某一弧形潜在滑动面失稳破坏。研究结果有助于进一步揭示黄土边坡在地震作用下的失稳机制,为黄土地区边坡抗震设计与防灾减灾提供参考。     

地震作用下黄土边坡动力响应的时频特征分析

地震作用下黄土边坡的动力响应特征与变形失稳机制是具有重要理论与实践意义的课题,但从动力响应频谱特性方面开展的研究还相对较少.以大型振动台模型试验获得的黄土边坡地震动峰值加速度数据为基础,通过分析其变化规律,着重从频谱特性的角度分析,讨论黄土边坡的动力失稳机制.进一步通过对坡面不同高程测点、边坡内部垂直方向以及水平方向上测点的加速度时程进行绝对加速度反应谱分析,从频谱变化角度提出黄土边坡的动力失稳机制.研究表明,黄土边坡在地震动作用下的响应过程可以分为三个阶段:弹性阶段、塑性阶段与破坏阶段;黄土边坡进入破坏阶段时均会伴随反应谱峰值的增幅或者主周期的变化,在弹性阶段反应谱加速度峰值增幅与输入地震动幅值增幅一致,进入塑性阶段后反应谱峰值增幅比输入地震动幅值增幅小;研究提出将反应谱首峰的凸显情况作为坡体破坏程度的判断依据之一.     

山岭隧道洞口段设置减震层的振动台模型试验研究

为了解减震层在地震过程中对隧道衬砌及围岩仰坡动力响应的影响,针对山岭隧道洞口段开展振动台物理模型试验研究,模型试验按有无减震层分为两组工况。试验结果表明:减震层的存在可以有效减弱洞口段衬砌加速度与位移的放大效应,减弱围岩振动向衬砌的传递;衬砌的应变反应在设置减震层后明显减小,特别是应变反应较大的两侧拱肩和拱脚位置,减震层的设置使衬砌的动应变接近均匀,随着地震次数的增加,减震层并不会失效,减震效率反而会有所增强;而减震层的设置不能改变围岩的加速度反应,坡面随高程的放大效应依然明显,较易发生局部的滑塌破坏,特别是高位滑塌,但坡面均为浅层破坏,不会对衬砌产生附加荷载作用,但需要注意的是滑塌的围岩会掩埋洞口,将严重影响隧道的正常使用。     

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。     

考虑地震波激振方向的浅埋偏压双联拱黄土隧道动力响应规律研究

以实际工程为背景,在模型试验结果和数值模拟结果验证合理的基础上,通过建立三维数值模型,研究兰州人工波在不同激振方向下坡-隧体系动力响应规律,通过小波包变换从能量和频域角度对衬砌结构动力响应规律进行分析。研究结果表明：水平、竖直面内垂直隧道轴向(X、Z)的地震波在隧道最大埋深处引起较大响应,水平面平行于隧道轴向的地震波(Y)对埋深较浅的洞口处的结构最为不利。频率在0～12.5 Hz范围内的低频波是引起隧道结构响应的主要波段,该频段中竖直向地震波(Z)能量相较于其他方向地震波能量占比最高。地震作用中衬砌结构的存在对坡体内的围岩变形有一定的抑制效应。X、Y向地震波容易引起坡脚附近的围岩发生剪切破坏,Y向地震波对隧道洞口段仰坡的稳定性影响最大;Z向地震波容易造成坡顶附近区域围岩的拉伸破坏,且对隧道拱顶附近产生最不利响应。研究成果对浅埋偏压双联拱隧道的抗震优化设计具有借鉴意义。     

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。     

Dynamic Response of Shallow-Buried Tunnels Traversing High Loess Slopes

Considering the existence of numerous shallow-buried tunnels traversing high slopes in the loess area in western China and the fact of high seismic intensity there, we investigate the dynamic response rules of a shallow-buried loess tunnel and its slope under the action of seismic waves with different intensities. Through large-scale shaking table model tests,we successfully analyze the characteristics and process of the destabilization of tunnels and slopes, and propose valuable suggestions regarding the reinforcement parts of a tunnel for reducing seismic damage. The results show that the main seismic damage on a slope include the failure of the sliding surface between the top and foot and the stripping of the soil around the tunnel entrance, while the damage on a tunnel is mainly manifested as the seismic-induced subsidence at the portal section and the cracking deformation at the joint areas. Finally,we propose that the "staggered peak distribution" phenomenon of the maximum acceleration values at the vault and inverted arch area can be considered as a criterion indicating that the tunnel enters into the threshold of dynamic failure.     

基于振动台试验的纯黄土边坡动力响应研究

黄土地区地震岩土灾害严重,本文以兰州新区一纯黄土边坡为原型,开展了大型振动台模型试验,研究纯黄土边坡在地震荷载作用下的动力响应规律与破坏机制。结果表明:与其他岩性或土性的边坡一样,纯黄土边坡表层加速度放大效应明显,在坡肩附近达到最大,呈现出高程效应即随高程的增加放大效应增强,同时放大效应也会随地震烈度的增加而增强,当烈度达到600 gal时,坡肩处放大系数最大为2.06;边坡表层土压力远小于与其同一高程的内部土压力,表层变化规律基本一致且随地震动的增加数值相差不大,在临空面上,坡脚附近土压力为最大,其值在0.7~0.75 kPa;随地震烈度的增加,边坡表面裂纹逐步由细小短裂缝演变为横向贯穿的深裂缝,在坡肩附近尤为显著,试验中,最大沉降约10 cm,坡肩最大水平位移为5~8 cm,模型边坡最终发生拉裂滑移式破坏。该研究结果可为纯黄土边坡在地震荷载作用下的稳定性研究提供一定参考。     

地震诱发低角度黄土-泥岩滑坡动力响应及变形分析

基于室内试验获取黄土滑坡的静力和动力力学强度参数,建立低角度黄土滑坡破坏大型物理模拟试验模型,结合FLAC^3D有限差分软件,分析黄土滑坡的动力响应规律和宏观破坏特性,阐明在地震作用下黄土滑坡的失稳演化规律,揭示黄土滑坡滑体运动迁移路径。结果表明：低角度黄土-泥岩滑坡在地震荷载作用下地震波水平方向和垂直方向均出现明显的放大效应;在黄土层内部,随着斜坡高度增加,坡肩和斜坡后缘加速度放大效应较为明显,对比坡脚、坡腰和坡肩处剖面上加速度放大系数,下伏泥岩对地震波产生一定的放大效应。松弛拉张裂隙,土体强度降低,接触面和坡肩、斜坡后缘处的拉张裂缝形成弧形滑移面,上覆黄土层由内向外依次连带下滑,坡肩处土体的下滑力和地震力促使坡腰土体大面积长距离滑动,最大滑动涉及范围长达200 m左右,土体下滑至坡脚发生堆积并产生隆起。数值模拟结果和振动台试验结果在动力响应和宏观变形破坏特征均呈现较高的吻合度。     

水平地震作用下黄土多级高填方边坡动力响应规律及稳定性分析

为研究水平地震作用下黄土多级高填方边坡动力响应规律及稳定性，本文以某高填方边坡工程为背景，利用GeoStudio2012有限元分析软件建立模型进行分析，并对比分析多级高填方边坡与单级填方边坡动力响应结果。计算结果表明，边坡坡面和挖填交界面上动力响应规律表现为:位移幅值基本随着高程的增加而增加；速度幅值随着高程的增加先增大后减小再增大；加速度幅值随着高程的增加有减小趋势；多级高填方边坡动力响应规律与单级填方边坡动力响应规律不同，单级填方边坡位移幅值、速度幅值、加速度幅值均随着高程的增加递增；地震波在坡体内传播时，随着高程的增加具有滞后性。边坡稳定性随着地震加速度峰值的增大有所下降，相比静力作用，水平地震作用下边坡稳定性下降明显。本文相关研究可为西北地区黄土高填方边坡工程抗震提供一定理论依据。     

不同类型黄土场地地震诱发灾害分析

基于FLAC3D数值模拟方法,建立不同类型的黄土场地计算模型,研究地震动强度和频率对不同类型黄土场地的动力响应特征和变形规律,分析不同类型黄土场地地震动响应的差异性,揭示不同类型黄土场地诱发的地震灾害,结合理论分析验证数值模拟结果的可靠性。研究表明:黄土-泥岩接触型二元结构斜坡极易发生滑动破坏引起斜坡失稳,并且在坡肩位置引起较为明显的动力响应,加速度放大系数是坡顶的2倍左右,是一元结构黄土斜坡相同部位加速度放大系数的1.5倍左右; 黄土斜坡临空面的存在会引起土体沿坡面发生一定范围的滑动和堆积,黄土塬内较塬边更为稳定,不易发生损伤破坏; 低频地震波对平坦场地的地震响应影响明显,随着高程的增加,频带宽度增加,傅里叶谱幅值增加,坡肩处的幅值是坡脚的2倍左右; 黄土斜坡场地易诱发大面积的滑坡灾害,黄土塬场地在剪切力和压张破坏条件下易诱发局部震陷灾害。     

双洞八车道大断面隧道地震动力响应数值分析

为研究双洞八车道超大断面隧道在地震力作用下的动力响应特征,以平潭综合实验区牛寨山隧道为工程背景,建立双洞八车道隧道的三维有限元数值计算模型。采用时程分析方法,在模型底部输入水平向地震动荷载,计算隧道结构在地震动荷载作用下的响应,包括位移、加速度及应力的变化。结果表明:最大水平和竖向位移出现在拱顶处,南线浅埋隧道整体呈剪切响应;隧道最大水平加速度出现在南线隧道拱顶偏左处,最大垂直加速度出现在南线隧道拱顶偏右处,南线隧道洞口由于浅埋,关键部位响应差较北线要大;南线的右拱肩埋深最浅,该部位拉应力最大,而北线拱顶的拉应力区最大,拱脚也出现明显的拉或压应力。建议在隧道洞口段的拱顶、拱脚及埋深最浅的部位应加强抗震设防。