隐伏地裂缝扩展引起分缝式隧道衬砌结构力学性状研究

隐伏地裂缝活动引起的地面与地下建筑物破坏问题较为突出。基于隐伏地裂缝地层中黄土结构损伤问题,将黄土结构损伤研究与数值分析方法结合,分析隐伏地裂缝活动引起的上覆地层渐进性破坏发展规律,研究隐伏地裂缝扩展引起的分缝式隧道衬砌结构力学性状。结果表明:隐伏地裂缝扩展过程中,地裂缝区域隧道衬砌结构错位位移远小于地裂缝自由场地地层错位位移。隐伏地裂缝从隧道仰拱底部扩展至地表过程,下盘第一节衬砌结构受拉破坏尤为突出。隐伏地裂缝引起分缝式衬砌结构受拉破坏是地裂缝区域隧道衬砌设计的关键问题之一,地裂缝处上盘与下盘第一节衬砌结构增加端部厚度与配筋率,需满足衬砌结构抗拉强度。     

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。     

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。      

地裂缝活动作用下城市立交桥地震易损性分析

城市立交桥等线型结构无法彻底避免地裂缝活动的影响.基于地裂缝场地上盘对地震动的放大效应,考虑地裂缝与桥梁结构的交角,得到结构非线性动力时程分析时的非一致地震动输入的上盘放大系数.地裂缝两侧的沉降差使得连续桥内力显著变化,导致桥墩的轴力增大且在地震作用下桥墩顶部的水平力增大.针对西安地裂缝场地与地裂缝活动特征,以三跨城市...     

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。     

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。     

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。      

循环荷载作用下不均质地层中盾构隧道纵向响应研究

修建在纵向不均质地层中的地铁隧道,由于列车循环荷载的作用,会导致隧道下部的土体产生不均匀沉降,对既有隧道产生不利的影响。针对这一问题,提出考虑隧道剪切效应的地基不均匀沉降对既有隧道竖向变形影响的解析解。既有隧道简化为搁置在Winkler地基上的Timoshenko梁,通过两阶段分析法,分析下卧地层不均匀沉降引起的隧道响应。首先确定列车荷载引起的动偏应力,并运用土层的力学指标计算出静偏应力和破坏偏应力。然后运用累积应变的经验公式计算出隧道下部土体的累计沉降,将土体的沉降转化为力施加在隧道上。基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的隧道竖向变形微分方程,求解得到隧道变形的解析解,进一步可以得到隧道的弯矩、剪力、转角、错台。     

地铁车站与隧道连接处地震响应分析

结构截面刚度突变处是地下结构抗震的薄弱部位,为研究地铁车站与隧道连接处的地震响应,本文建立有限差分数值模型,分析地震作用下车站与隧道连接处的薄弱部位、连接处附近的侧墙变形分布特征以及地表沉降分布特征,重点探究埋深、地震动特征以及周围土体刚度对连接处隧道应力的影响。结果表明:连接处端墙底部跨中、端墙洞口的顶部和底部是抗震的薄弱部位;连接处端墙存在对侧墙变形分布、地表沉降分布有一定影响;结构埋深,地震动频谱、幅值对连接处隧道应力响应有较大影响,结构周围土体的刚度在一定范围内对连接处隧道应力有较大影响。     

黏滑断层隧道减错措施参数对减错效果的影响分析

为提高黏滑断层隧道的结构安全性和稳定性,对黏滑断层隧道设置不同缝宽减错缝、不同刚度减错层的减错效果进行研究。研究结果表明:断层黏滑错动对上盘隧道的影响远大于下盘;减错缝对上盘部分隧道结构的减错效果优于下盘,其中上盘减错效果最大为24.50%,下盘减错效果最大为9.26%;减错层对下盘部分隧道结构的减错效果略优于上盘,其中下盘减错效果最大为105.32%,上盘减错效果最大为78.07%;随着减错缝宽度的增加,隧道上盘减错效果变好,下盘缝宽10—15cm减错效果最好;随着减错层弹性模量的增加,隧道上下盘减错效果降低,当减错层弹性模量增加到一定程度（约100MPa）,减错效果趋于稳定。研究成果可为黏滑断层隧道的减错结构设计及施工提供参考。     

西安地裂缝场地动力响应规律及影响因素分析

在地裂缝密集分布的西安地区,建筑"傍缝而建"的现象非常普遍,地裂缝的存在严重制约了城市建设用地的有效利用和规划。为研究地裂缝对场地动力响应的影响,分析地震动作用下地裂缝场地动力响应规律及其影响范围,以西安地裂缝为研究对象,基于室内振动台试验及FLAC~(3D)数值模拟,分析地裂缝场地动力响应中的加速度幅值动力响应特征。在此基础上,进一步分析不同地震波类型、地裂缝破裂面倾角、地震动强度、地裂缝两侧土层错距对地裂缝场地动力响应的影响。研究表明:地裂缝对场地动力响应影响明显,表现为地裂缝一定范围内峰值加速度呈"带状"分布,即地裂缝处峰值加速度最大,随着距地裂缝越来越远,峰值加速度逐渐减小后趋于稳定,带状分布范围上盘约30 m,下盘约20 m;地裂缝场地动力响应表现出明显的"上盘效应",即上盘峰值加速度略大于下盘;地震动强度对地裂缝场地动力响应影响明显,地裂缝倾角、地裂缝两侧土层错距、地震波对地裂缝场地动力响应均无明显影响     

地裂缝-隧道-围岩动力相互作用模型试验研究

为了研究在地铁列车振动荷载情况下盾构隧道-地裂缝-围岩相互耦合作用下的场地灾害效应,从西安地裂缝地质环境和西安地铁2号线的实际工程背景出发,采用相似理论设计了相似比例尺为1∶5的物理模型试验,对盾构隧道、围岩材料、地裂缝等进行了合理设计。基于偏心块的振动原理,课题组自主研发了列车激振器来模拟地铁列车荷载,激振方式采用移动荷载激振方式,分析在不同列车车速和激振频率下地裂缝两侧土体的加速度变化情况,以此来研究地铁隧道-地裂缝-围岩系统在地铁振动荷载作用下的动力响应规律。结果表明,列车振动向下传播时振动衰减的幅度要小于向上传播衰减的幅度,由此为实际工程中减少地铁振动灾害效应技术的发展提供了理论支撑。     

Effects of hanging wall and forward directivity in the 1999 Chi-Chi earthquake on inelastic displacement response of structures

The characteristics of the inelastic response of structures affected by hanging wall and forward directivity in the 1999 Chi-Chi earthquake are investigated. Inelastic displacement ratios (IDRs) for ground motions impacted by these near- field effects are evaluated and comprehensively compared to far-field ground motions. In addition, the inelastic displacement responses to hanging wall and footwall ground motions are compared. It is concluded that the inelastic displacement response is significantly affected in the short period range by hanging wall and in the long period range by footwall. Although high peak ground acceleration was observed at hanging wall stations, the IDRs for structures on hanging wall sites are only larger than footwall sites in the very long period range. Forward directivity effects result in larger IDRs for periods longer than about 0.5s. Adopting statistical relationships for IDRs established using far-field ground motions may lead to either overestimation or underestimation in the seismic evaluation of existing structures located in near-field regions, depending on their fundamental vibration periods.     

利用强震数据获取汶川地震近断层地面永久位移

利用汶川地震中得到的靠近映秀—北川主断裂的64个强震台站的三分量记录数据, 对加速度记录进行基线校正的基础上获取近断层地面运动的永久形变位移, 并将由强震记录获取到的地面位移结果与GPS观测到的同震位移进行对比分析, 研究汶川M_S8.0地震的近断层地面运动的位移特征. 结果表明: ① 在靠近映秀—北川主断层的上盘和下盘, 东西相向的地面运动非常剧烈. 下盘的51SFB, 51MZQ和51JYH台东西向位移均为负(即地面运动向西), 其中51SFB台位移量最大, 达到1.49 m; 上盘的51WCW台位移向东, 位移量为1.26 m. ② 地面运动的位移分布主要表现为以龙门山断裂带的映秀—北川断裂为核心的相向运动, 东西方向上的永久位移要大于南北方向. 从断层机制上来讲, 断层的错动以逆冲运动为主(即逆冲位移要大于走滑分量的位移), 这与震源机制反演及地质考察的结果一致. ③ 大的地面永久位移集中分布在以龙门山断裂带为中心的狭长范围内, 离开发震断裂地面位移的衰减很快. 相比而言, 在发震断层的下盘一侧(即四川盆地)的地面位移的衰减比上盘一侧明显要快.      

汶川地震形成位移场的空间分布

采用Yoshimitsu Okada及Steketee的断裂位错模型和汶川地震现有成果,通过坐标转换和合成矢量的方法将断裂位错模型用于映秀—北川断裂、灌县—安县断裂和北川—青川断裂组成的断裂系统的错动研究中,理论上计算龙门山近断裂地区的水平位移场(包括沿走向和垂直走向方向)和垂直位移场从震源到地表的分布.模型参数源于现有的研究成果和野外实地考察,计算得到的地表位移场与先前研究成果,包括GPS实测数据,具有的近似性表明了模型的正确性.但GPS只能测定地表水平和垂直变形,对于地下变形情况及其分布却无法描述;目前对于地下变形的研究主要基于对大量仪器记录的地震资料进行反演或通过野外观测进行推测;但是反演多集中于空间较大范围,这样虽可阐述断裂运动引起的大范围位移趋势,而对于震源附近空间介质位移的描述却略显粗糙;同时,野外观测误差较大.本文通过理论模型计算汶川地震中近断裂区域(距断裂50km)内的位移及分布.由计算发现在近断裂区域内垂直位移场和垂直走向方向位移场变化趋势一样,幅值都是从震源到地表逐渐减小;沿断裂走向方向的水平位移场从震源到地表逐渐变大,同时计算还表明位移场的变化在断裂上盘比下盘剧烈,余震分布主要集中于断裂上盘,这说明余震分布和位移剧烈程度存在某种相关性.     

台湾集集地震近场地震动的上盘效应

1999年9月21日（当地时间）台湾集集7.6级地震是一个逆断层型地震．用回归分析法对台湾集集地震的加速度峰值数据进行分析，得出了这次地震的水平与垂直向的加速度峰值衰减关系．从残差分布上看，位于断层上盘和下盘上的加速度峰值与从衰减关系所得到的结果相比存在不同的系统偏差，断层上盘地表的加速度峰值较高，而下盘地表的加速度峰值较低．从这次地震的加速度峰值分布等值线图上也可以看出，加速度峰值的分布相对于断层呈现明显的不对称性，上盘衰减较慢而下盘衰减较快．在近断层强地面运动研究、地震危险性分析、设定地震研究与震害预测等工作中，应考虑可能地震的震源机制特点，以便使所用的衰减模型更能反映不同地震环境地区的地震动分布特征．      

断裂两盘岩性差异对汶川地震的影响

岩性差异导致层间变形差异是常见的构造变形现象.龙门山断裂带中段北川—映秀断裂虹口至清平段,断裂上盘为坚硬的前震旦系褶皱基底,下盘则为软弱的前陆盆地沉积物,两者之间具有较大的岩性差异.本文利用基于R-minimum的有限元算法对在一个地震复发间隔内的断层活动进行非线性摩擦接触模拟.计算结果显示,上下盘泊松比的差异则对断层破裂时间及快体变形影响不大,但不同的泊松比条件下断层的破裂过程略有不同,而上下盘杨氏模量的差异能够延迟断层的破裂时间,延长破裂过程,扩大地震复发间隔,且扩大了下盘深度10 km以上和10 km以下地层变形的差异.双断坡构造能够通过深部的应力分解来削弱断层下盘深度10 km以上的变形,但是在上下盘岩性一致的情况下,双断坡构造推迟了主断层的滑动时间,延长了破裂过程,而在强硬上盘和软弱下盘共存的条件下,发育于软弱下盘的次级破裂并不能对主断层的破裂时间和破裂过程造成较大影响.北川—映秀断裂上盘强硬的彭灌杂岩和下盘软弱的含碳沉积地层对汶川地震双断坡式破裂的生成具有重要的促进作用.     

Effects of hanging wall and footwall on demand of structural input energy during the 2008 Wenchuan earthquake

Systematic differences in the duration and frequency content of ground motions from the hanging wall and footwall during the 2008 Wenchuan earthquake are investigated,focusing on the influence of these differences on structural input energy based on the elastic and inelastic energy responses of structures.A comparison of the input energy spectra between the hanging wall and the footwall reveal that the structural input energy on the hanging wall is not amplified due to the short duration and low peak ground velocity to acceleration ratio(V/A).However,the larger demand of structural input energy on the footwall in the range of medium and long periods is observed and the demand increases up to 50% relative to the average level of structural input energy for rupture distances larger than 30 km.The importance of considering the footwall effect on structural input energy when comparing ground motions in the range of medium and long periods is recognized.