穿越断层隧道振动台模型试验研究

以西藏某复杂隧道工程为背景,开展了穿越断层隧道振动台模型试验研究。从试验模型相似比、模型箱设计和边界处理、模型制作、测点布置及地震波加载等方面,详细地介绍了试验方案。试验重点观察在地震作用下穿越断层隧道动力响应规律及特征。试验结果分析表明,穿越断层隧道和均质围岩隧道地震动力响应规律有相似之处,随着地震波的向上传播,岩土体地震响应增大;断层处衬砌破坏严重;断层对地震波在岩土体内的传播有一定影响。     

穿越断层隧道地震响应规律动力对比试验研究

为研究断层隧道在地震作用下的影响规律,开展了穿越断层隧道的振动台对比试验,介绍了试验材料、相似比选取及动力加载情况。试验表明：地震作用下衬砌腰侧的受力明显大于顶部和底部,在进行结构设计时应进行加强;隧道衬砌具有一定的加速度放大效应,衬砌结构的加速度傅里叶谱值主要集中于中低频,在结构临近破坏时,加速度和应变响应值将发生突变;隧道衬砌裂缝发展与结构位置密切相关,地震作用下底部裂缝由内向外发展,腰部裂缝由外向内发展;断层走向与隧道纵向夹角越小,地震对隧道的作用越大,裂缝的发育越明显;隧道的最终破坏形式为管节本身的纵向拉裂缝和管节接缝处的错台组成。该研究成果为穿越断层隧道的相关设计提供参考。     

正断层黏滑错动对地铁隧道结构影响的模型试验研究

以乌鲁木齐市轨道交通1号线地铁区间隧道穿越九家湾断层为工程依托,开展地铁隧道分段式衬砌结构穿越倾角60°正断层的大型剪切错动模型试验,对断层错动模拟过程中的隧道结构变形、应变分布特征、围岩压力、开裂形态等关键力学特征进行监测分析,获得了正断层黏滑错动下的隧道结构响应规律。研究结果表明:(1)正断层黏滑错动影响下,断层面处的隧道拱脚处于压剪状态,断层面附近的上盘仰拱及下盘拱顶处于纵断面内的受拉状态,断层面两侧较大范围内的隧道仰拱内侧及墙脚外侧处于横断面内的大偏心受力状态;(2)断层错动后,隧道开裂破坏形态主要包括斜裂缝、纵向裂缝及环向裂缝;(3)正断层黏滑错动达到7.0cm(相当于实际错动量1.75m)后,上盘隧道结构的破坏范围为4.2D(D为隧道跨度),下盘破坏范围为2.4D,上盘破坏范围明显大于下盘。     

隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道仰坡的动力响应特性及仰坡坡体和衬砌结构的相互作用,设计并完成了隧道洞口段大型振动台模型试验。试验结果表明,地震作用下仰坡的加速度反应存在显著的非线性放大效应和趋表效应;当输入地震波幅值超过0.6g时,土体的非线性反应明显增强,加速度放大系数显著降低,表现出放大效应饱和的特性,且沿坡体竖直向上,加速度分布逐渐表现出平均化的趋势;隧道洞口段仰坡水平向动力反应受隧道结构存在的影响较小,可简化为自然边坡进行分析;仰坡的动力失稳是影响衬砌结构安全性的重要因素,当输入地震波幅值较小时,竖直向地震作用下衬砌主要受力部位受力要大于水平向地震作用,当幅值较大时,水平向地震动对衬砌结构的影响则明显大于竖向地震动;均质仰坡的破坏部位主要位于仰坡坡肩至坡面上部,破坏过程表现为地震力诱发-坡肩土体拉裂张开-坡肩土体倾倒崩塌-崩塌的土体沿坡面滑落碰撞-形成碎屑流堆积于坡脚。模型试验的结果能为山岭隧道洞口段的理论分析、计算和设计提供指导和依据。     

跨断层隧道可变形抗减震措施振动台试验研究

跨断层的隧道结构在汶川地震中破坏严重,这说明传统的抗减震技术已不能保证高烈度地震区隧道结构的安全。为此,研发了可变形抗减震措施。通过振动台模型试验,考察了采用该类型措施的隧道结构地震响应特征与震后破坏形态。结果表明：跨断层隧道结构设置减震缝,可以有效减小结构的内力值和应变值;套管式可变形结构可以有效保护主套管上部结构和被套管,但主套管下部结构破坏严重;套管式可变结构提高了隧道的防水性且震后易于修复,整体性能优于减震缝;采用可变形抗减震结构的同时,必须提高衬砌混凝土的强度;不论采用何种抗减震措施,隧道结构的拱脚和仰拱是抗震加固的重点部位。研究成果可以为高烈度地震区隧道结构的抗震设防提供参考。     

强震区桩−土−断层耦合作用下桩基动力响应

为研究桩-土-断层耦合作用下桩基动力响应特性,利用振动台试验选取0.35g地震动峰值加速度时4种类型地震波,研究断层上下盘桩基加速度响应、桩顶相对位移、弯矩及桩基损伤情况。试验表明：断层上盘桩基各项参数明显大于断层下盘,呈现出上盘效应;桩顶峰值加速度大于桩底峰值加速度,上部土层对输入地震波具有滤波作用;桩顶加速度响应相较于桩底具有滞后性;桩顶峰值加速度与桩顶加速度放大系数α在输入El-Centro波时最大;上、下盘α 差值在输入Kobe波时最大;弯矩和桩顶相对位移峰值在输入Kobe波时最大;弯矩在土层分界面处较大,输入不同地震波时弯矩峰值均未超过桩身抗弯能力;提出了强震区近断层桩基可根据验算内容选取合理地震波进行验算的抗震设计建议。     

基于振动台模型试验的特大断面隧道地震动态响应研究

以福州市二环路金鸡山隧道扩建工程为背景,设计制作了特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了21种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度与接触压力的地震响应。将响应加速度峰值与输入地震波加速度峰值的比值,定义为PGA放大系数。各测点的PGA放大系数随着高程增加呈负指数型增大,其场地高程效应的表现形式与一般场地明显不同;随着地震动幅值的增大,各测点PGA放大系数逐渐减小,且不同频率特征地震波激励对高程效应形态的影响已不明显。将响应接触压力峰值与静止接触压力的比值,定义为PEP震荡系数。随着地震动幅值的增大,拱顶与拱底处的PEP震荡系数则始终保持在较小范围内,而拱脚与拱肩处的PEP震荡系数均呈近似线性增大趋势,这为隧道抗震设计中,衬砌-地层接触压力的参数取值提供了定量参考。     

跨越走滑断层黏土地层动力响应离心机试验研究

地震中基岩走滑断层活动引起跨断层地下结构物破坏,上覆土层的非一致响应机制尚不明确,隐伏裂缝影响规律认识不足。基于可模拟走滑断层活动的层状剪切箱,针对黏土地层展开两个离心机振动台试验,对比上覆土体中隐伏裂缝的影响。试验结果表明,当地层中不存在隐伏裂缝时,基岩走滑断层错动对两盘地层的非一致振动的影响不显著。当地层中存在隐伏裂缝,错动盘一侧土体的振动加速度幅值随振动循环次数的增加逐渐减小,固定盘和错动盘两侧土体出现非一致振动响应,固定盘一侧土体产生的超静孔压大于错动盘一侧。隐伏裂缝对土体非一致振动响应的影响范围受限于其在地层中的分布范围,探明隐伏裂缝上断点的埋深具有重要工程意义。     

强震区隧道洞口段边坡动力响应特征离心振动台试验

强震后隧道震害调查表明,隧道洞口段的震害破坏尤其严重,需进一步加强隧道洞口段边坡动力响应方面的研究。以汶川地震灾区典型隧道洞口边坡为例,通过大型离心振动台试验,研究隧道洞口段边坡在强震作用下的动力响应特征及规律。试验研究表明:(1)在边坡坡面和坡内的加速度放大均具有显著的高程效应;隧道拱顶的加速度放大系数大于隧道其他部位;越靠近隧道洞口的加速度放大效应越明显。(2)不同振幅下坡体的加速度放大效应均十分显著,并且低振幅下的加速度响应大于高振幅下的加速度响应。(3)在维持0.25g振动加速度下不同离心荷载等级下的坡体加速度放大系数均大于2.0;但随着离心荷载的增大,加速度放大系数增长很小。(4)随着边坡高程的增大,动土压力总体呈线性降低,在相对高程为0.48时(即隧道拱顶),其动土压力响应系数最大。研究成果能为强震区隧道洞口段的抗减震设计和相关研究提供借鉴。     

框架锚杆支护黄土边坡大型振动台模型试验研究

设计并完成了相似比为1:10的框架锚杆支护黄土边坡的大型振动台模型试验,通过加载不同波型、加速度峰值和持时的地震波,探讨了地震作用下模型边坡的动力响应规律,并对框架锚杆支护结构的抗震性能进行了评价。试验结果表明：框架锚杆支护结构加固黄土边坡的抗震效果是显著的,在进行框架锚杆支护结构抗震设计时需要输入不同的地震波来验证其可靠性。框架锚杆支护结构作用下,黄土边坡对地震波具有明显的滤波作用和频谱放大作用,边坡加速度响应具有临空面放大作用和垂直放大作用,随着输入地震波峰值的增大,PGA放大系数呈减小趋势,在地震输入加速度峰值较小的情况下,加速度响应出现“衰减”现象;在框架锚杆支护下,黄土边坡的位移得到了有效的约束,动土压力分布曲线呈现“双曲线型”变化,动土压力大小沿高程方向从坡脚至坡顶呈倒三角形分布。试验结果可为框架锚杆支护结构加固黄土边坡的抗震设计提供一定的参考。     

考虑接缝影响的地下综合管廊振动台模型试验

地下综合管廊属于浅埋狭长型结构,变形缝存在较为普遍,而在地震荷载作用下,其会对地下结构的振动响应产生一定影响,但是目前针对该问题的研究却十分有限。基于振动台模型试验并考虑接缝的影响,开展了不同波形、不同峰值加速度地震波激励下的综合管廊地震响应特征研究,对场地加速度、动土压力以及管廊结构加速度、位移、动应变和弯矩等响应进行了测试和分析。试验结果表明:管廊振动主要受周边土体影响,接缝截面边墙在地震过程中与土体发生脱离,但管廊结构整体性保持良好;管廊接缝在强震下位移较小,不会发生大变形破坏;强震作用下动土压力分布呈非线性特征;接缝截面在地震中受到的弯矩作用小于中部截面,对抗震性能有利。     

走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞破坏机制模型试验

以滇中引水香炉山隧洞为背景工程,通过小尺度物理模型试验,对断层错动模拟过程中的隧洞上覆围岩破裂形态、衬砌破坏形态和裂纹发展、应变分布特征等关键响应特征开展试验分析,深入地研究了走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞的破坏形式及破坏机制。在铰接隧洞抗错断设计参数作用机制方面,详细研究了衬砌节段长度、衬砌厚度、隧洞直径、隧洞轴线与断层带夹角、隧洞断面形式,衬砌材料力学特性等因素对铰接设计隧洞抗断性能的影响。研究结果表明:(1)当跨活断层隧洞不采用铰接设计时,在断层错动作用下隧洞破坏模式为剪切和弯曲组合破坏,衬砌破坏程度严重,存在剥离脱落现象。隧洞截面呈现椭圆化变形,整体坍塌趋势明显;在当前试验中,无铰接隧洞破坏范围达4W_f (W_f为断层带的宽度)。(2)当跨活断层隧洞采用铰接设计时,在断层错动作用下隧洞整体变形呈现S形,衬砌结构破坏形式为节段间的转动和错台,衬砌节段相对完整,破坏程度较轻;当前试验中,铰接隧洞破坏范围为2.14W_f,相较于无铰接隧洞减少48%,表明铰接设计可改变活断层错断作用下隧洞的变形破坏模式,并减小隧洞结构的...     

不同仰坡度数的山岭隧道洞口段动力响应振动台试验研究

首先介绍试验装置、模型相似比、试验模型箱等,然后对围岩与隧道结构的加速度响应、衬砌的位移和应变响应以及仰坡坡面的破坏情况进行分析。分析表明,由于洞口临空面的存在,隧道洞口处会出现加速度和位移的放大效应,不同的仰坡角度下均符合该特性,但随着仰坡坡度的增加,放大效应会逐渐减弱。在振动过程中衬砌横断面承受循环的拉压荷载作用,两侧的拱肩和拱脚位置出现较大的地震附加弯矩,受力特性与仰坡坡度无关,但地震附加弯矩会随着覆土厚度和结构惯性力的增加而增大;随着仰坡坡度的增加,结构与围岩在洞口处的相互作用会逐渐减弱,仰坡坡面的破坏形式分别为坡面的局部崩塌、衬砌顶部的大面积滑塌和坡顶的高位滑塌,均为浅层破坏,但坡面坍塌围岩会不同程度的掩埋洞口,对隧道的正常使用造成严重的影响,故应对洞口仰坡进行重点设防。分析结果对于合理认识山岭隧道洞口段地震响应特征具有积极作用,可供隧道实际工程设计和施工的抗震设防参考。     

A computational framework to predict the water‐leakage pressure of segmental joints in underwater shield tunnels using an advanced finite element method

The construction of shield tunnels under riverbeds and seabeds has considerably increased over the past decades. Due to the ultra‐high water head, water leakage through tunnel joints is a major concern during a tunnel's service life. One practical solution to prevent groundwater penetration is to implement ethylene‐propylene‐diene‐monomer gaskets at the segmental joints. However, numerical simulation of fluid pressure penetration into rubber materials remains a challenging problem in computational mechanics. Severe mesh distortions can occur due to large deformation. Consequently, a convergent solution is difficult to achieve. This paper presents an Abaqus‐based numerical framework to solve the previously mentioned problem using the implicit finite element solver. The key aspects of this framework are twofold: (1) a remesh and re‐map algorithm to overcome the excessive mesh distortion, and (2) simulation of fluid penetration into the contact interface of the gaskets to reproduce the water‐leakage process at the tunnel joints. The proposed framework is first tested to simulate the gasket‐in‐groove mechanical behavior and is then validated using experimental data and the solution produced by an explicit finite element solver. The developed framework is then adopted to predict the water‐leakage pressure at gasketed tunnel joints to illustrate the practical applications. Finally, the numerical results are compared with experimental data to demonstrate the accuracy and robustness of the proposed method and confirm its superiority and effectiveness over existing methods. This novel method can be used by tunnel designers to analyze and estimate the waterproof behavior of gasketed joints in shield tunnels without performing extensive experimental testing works.