输水隧道的减震措施研究

隔震技术是近几十年发展起来的新技术,对地面结构减震效果显著。本文运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,分析了在输水隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这2种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。计算结果表明：减震层或加固层的设置均使隧道衬砌应力减小,起到保护隧道衬砌的作用;在较大的范围内注浆加固围岩的办法,对软土中的输水隧道的减震更加有效,它能充分发挥围岩的承载能力;而在围岩与衬砌间设置减震层的办法,对稳定性极好的坚硬围岩中的输水隧道的减震效果更加有效。计算结果可为地震区的输水隧道抗震设计提供依据。     

基于粘性-滑移界面接触模型半空间隧道衬砌对平面P波的散射

基于粘性-滑移模型模拟隧道衬砌和围岩之间的接触状态,采用间接边界积分方程法求解弹性半空间中隧道衬砌对平面P波的散射,着重考察了地表位移放大和衬砌动应力集中效应。结果表明:接触滑移边界的刚度系数和粘度系数对隧道衬砌的动应力分布影响较大,滑移刚度较小时,共振频率段动应力集中效果更加显著;随着粘度系数的增大,衬砌内部环向应力幅值逐渐减小。另外,界面刚度系数和粘度系数对隧道衬砌动力反应的影响程度也受控于入射频率和角度。     

地下圆形衬砌洞室在平面P波入射下的动应力集中:三维级数解

利用波函数展开法,研究了地下圆形衬砌洞室在入射平面P波作用下的动应力集中问题并给出了三维级数解。研究表明:(1)衬砌刚度对环向与轴向动应力集中系数都具有重要影响,刚性衬砌、无衬砌和柔性衬砌三种情况下的动应力集中系数在空间上的分布基本相同,但刚性衬砌情况的动应力集中系数最大,无衬砌情况次之,柔性衬砌情况最小,波阵面夹角入射时1δ=45°,环向与轴向动应力集中系数最大可分别达到16.62与8.53;(2)随着入射频率的增大,环向动应力集中系数在多数情况下逐渐减小;(3)波入射角度对动应力集中系数也有很大影响,随着入射波与y轴夹角2δ的增加,环向动应力集中系数总体上逐渐减小,而轴向动应力集中系数多数情况下逐渐增大。     

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。     

富水区隧道合理防排水型式及注浆加固参数研究

以在建的某近接水库公路隧道为工程依托,建立其渗流场和应力场的双场流固耦合计算模型;选取3种不同的防排水型式为研究对象,对注浆圈厚度、注浆圈渗透系数、控制排水量等因素对隧道内排水量和衬砌外水压力的影响规律进行探究,提出了合理的注浆圈加固参数、控制性排水量以及最优的防排水方式等。研究结果表明：增大注浆圈厚度或降低注浆圈渗透系数均能实现减小衬砌外水压力的目的,但并不意味着注浆圈厚度越厚、渗透系数越低,对隧道涌水量的控制效果就越好,而是存在一个相对经济合理的注浆圈加固参数值;隧道控制排水量以及排水型式对于控制衬砌结构外水压力的大小起到决定性的作用;采用环向排水管及盲管＋墙脚设泄水孔的排水型式,这对衬砌结构受力最为有利。     

饱和土中圆柱形衬砌对瞬态弹性波的散射

基于Biot波动理论,运用Laplace变换和波函数展开法,得到瞬态弹性波入射条件下饱和土体及圆柱形衬砌的位移应力表达式.利用饱和土体与衬砌结构的连续条件和衬砌结构内边界上的应力自由条件确定表达式中的未知系数.利用Laplace逆变换的数值方法给出了问题的数值解.研究了衬砌结构的动应力集中系数的波型特性及材料剪切模量和衬砌厚度对动应力集中系数的影响.结论表明随着阶数n的增大波型明显衰减;土体较衬砌结构软时动应力集中系数越大;衬砌结构厚度越大动应力系数越小.     

山岭隧道洞口段围岩注浆厚度对抗震效果的影响分析

以山岭隧道洞口段为研究对象,通过有限元数值模拟验证在不同注浆加固厚度下的加固效果,结果表明:注浆加固措施对拱顶沉降和最大加速度有一定的影响,随着注浆加固厚度的增大,隧道各个部位的拱顶沉降和最大加速度逐渐减小,最大位移降幅发生在拱顶,最小发生在仰拱;隧道左侧最大主应力整体大于右侧,最大值部位为左拱脚处,这与整个隧道洞口左侧处于浅埋偏压有关;注浆加固围岩能够减小隧道的应力,入射10％超越概率地震波时,除个别监测点外其余部位都有不同程度的降低,左隧道拱顶处降低幅度最大,右隧道为右拱腰处.入射2％超越概率地震波时,双侧隧道各部位都有一定程度的降低,左隧道降低幅度平均值约为15.5％,右隧道约为11.3％;虽然注浆加固措施对山岭隧道洞口段有一定的作用,但降低幅度有限,对于强震区应采用联合加固措施,以保证隧道的稳定性.     

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。     

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蛘湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了蝉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,蝉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。     

分离式双圆形隧道衬砌对平面SH波的散射

采用波函数展开法,将入射、散射和折射SH波的位移势函数展开成Fourier-Bessel函数的级数形式,根据Graf加法定理,得到了任一局部圆柱坐标系下的波场势函数的表达式.根据隧道衬砌与周围岩体都在界面处应力和位移连续及衬砌内边界完全自由的边界条件,得到了分离式双隧道衬砌对入射平面,SH波的多重散射问题的理论解.通过数值计算分析得出:入射频率、衬砌间距、衬砌与围岩的模量比及衬砌的厚度等是影响衬砌内侧的无量纲位移和动应力集中因子分布的重要因素,为双衬砌或多衬砌的地震评价提供了理论依据.     

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。     

引洮供水总干渠增湿黄土隧洞的动力特性分析

为了得到增湿后黄土围岩隧洞在地震作用下的动力特性, 基于初始弹性模量和抗剪强度指标与含水量的关系, 采用时程分析法, 对增湿情况下的黄土围岩-隧洞结构进行地震动力分析. 数值计算结果表明: 随着含水量的增加, 隧洞衬砌各部位主应力绝对值减小, 自振圆频率减小, 自振周期相应增大; 与输入的地震加速度峰值相比, 当黄土隧洞围岩含水量小于临界含水量时, 隧洞顶部加速度峰值大于输入地震加速度峰值, 大于临界含水量时则出现相反的结果; 同一含水量下, 隧洞衬砌对称部位最大、 最小主应力交替出现, 使隧洞衬砌材料发生疲劳损伤, 是隧洞衬砌破坏的主要原因. 本文研究结果可以为在不同含水量情况下黄土围岩-隧洞结构的抗震分析提供参考.      

不同含水率下滑坡滑带土动力特性试验研究

甘肃舟曲泄流坡滑坡地处活跃断层破裂带内,断层活动控制着该滑坡的发育和运动。为了研究该滑坡滑带土的动力特性,采用重塑滑带土样,在固结不排水条件下,利用分级循环加载法开展动三轴试验,重点探讨含水率的变化对滑带土动力特性的影响规律。试验结果表明:含水率一定时,泄流坡滑坡滑带土的动弹性模量随动应变的增大呈指数形式减小;动应变一定时,动弹性模量随含水率的增大而不断减小,且衰减速率随含水率的增大而增大;含水率并不影响动弹性模量-动应变关系曲线的形态,不同含水率下该关系曲线可以进行归一化。滑带土阻尼比随含水率的增大而增大,阻尼比-动应变关系曲线也具有归一化特征。不同含水率下泄流坡滑带土动应力-应变本构关系可以用双曲线模型进行描述。     

饱和土中深埋圆柱形衬砌洞室对瞬态平面波的散射

基于Biot饱和多孔介质动力学理论,运用Laplace变换和波函数展开法,根据饱和土体与衬砌结构交界面的连续条件和衬砌结构内边界上的应力自由条件,得到饱和土中深埋圆柱形衬砌洞室对瞬态平面P波和SV波散射问题的解答,该解答可以退化成为饱和土中深埋圆柱形空穴或弹性夹塞物的情形,并很容易转换成为对稳态波散射的解.通过与已有的相关问题的解析解答进行对比,验证了该解答的正确性.同时利用Laplace逆变换的数值方法,给出了饱和土和衬砌中应力和位移场在时域内的数值解,通过算例,分析了衬砌厚度、刚度对衬砌内边界处应力集中因子的影响.     

高烈度艰险山区跨断层隧道减震层减震技术研究

为进一步提高高烈度艰险山区跨断层隧道的减震性能,依托丽香铁路蒙古哨隧道工程,利用有限差分数值软件FLAC~(3D)对跨断层隧道施设减震层不同模式的减震效果进行研究。研究结果表明:减震层施设于初支与围岩间,其横向位移减小4.17%、竖向位移减小14.32%、最大主应力减小47.89%、最小主应力减小25.93%、最大剪切应力减小27.74%、最小安全系数提高34.62%～59.40%;减震层施设于初支与二衬间,其横向位移减小3.72%、竖向位移减小7.73%、最大主应力减小16.11%、最小主应力减小20.21%、最大剪切应力减小20.73%、最小安全系数提高0.04%～28.38%;减震层施设于初支与围岩间的减震效果优于施设于初支与二衬间。研究成果对于跨断层隧道的减震设计及减震技术有着重要的意义。     

Dynamic response of an eccentrically lined circular tunnel in poroelastic soil under seismic excitation

An exact analysis for two-dimensional dynamic interaction of monochromatic progressive plane compressional and shear seismic waves with a permeable circular tunnel lining of circumferentially varying wall thickness buried in a boundless porous elastic fluid-saturated formation is presented. The novel features of Biot dynamic theory of poroelasticity in conjunction with the translational addition theorems for cylindrical wave functions, along with the appropriate wave field expansions and the pertinent boundary conditions are employed to develop a closed-form solution in form of infinite series. The analytical results are illustrated with numerical examples in which an air-filled and water-saturated permeable tunnel lining of variable wall thickness, embedded within water-saturated surrounding formations of distinct frame properties (soft, stiff, and stiff viscoelastic soil), is insonified by fast compressional or shear waves at selected angles of incidence. The effects of liner eccentricity, interface permeability, formation material type, incident wave frequency, and angle of incidence on the hoop stress amplitude are evaluated and discussed for representative values of the parameters characterizing the system. Limiting cases are considered and good agreements with the solutions available in the literature are obtained.     

大型引水隧道在平面地震波入射下动力响应的解析解

本文以波函数展开法为基础,给出了SV波与P波入射时大型引水隧道平面地震响应的解析解.并根据解析解,利用数值方法对建立的场地模型进行了计算分析,研究了隧道结构-水体体系的地震响应.重点讨论了入射波频率、入射角、衬砌力学性能对衬砌结构动力响应的影响.分析表明,大型引水隧道动力响应受入射波频率和入射角的影响较为明显,而衬砌力...