地震荷载作用下地下洞室不利地质结构塌落机制研究

目前地下结构地震动力分析主要研究围岩响应特征,对围岩中赋存的岩体结构的动力响应规律、塌落机制还缺乏深入研究。结合大岗山水电站工程地下洞室群,基于块体理论选取3种不利地质结构组合作为地下洞室群动力分析的主要结构形式,接着运用离散元程序UDEC研究两种地震动工况作用下不同不利地质结构组合切割的地下洞室围岩动力响应、变形特征以及节理的张开、滑移特征,分析开挖面附近块体的塌落机制。研究结果表明,陡倾角结构面切割形成不利地质结构对地下洞室围岩变形破坏机制影响较大;在地震荷载作用下,陡倾不利地质结构沿节理面的滑塌具有突发性,并且塌落模式随地震强度增加可能发生变化。     

不同埋置深度的山岭隧道地震响应分析

根据大量震害资料的调查分析发现,地下结构埋置深度对其地震破坏程度影响很大。通过有限元方法计算8种不同埋置深度条件下的山岭隧道地震响应,并对计算模型的地震输入方法进行了验证,证明地震波输入处理方式的合理性。讨论埋深对结构动力响应的影响,提取衬砌关键节点的竖直向和水平向加速度、位移峰值,分析随着埋深的增大,加速度和位移峰值的变化情况,并以拱顶为例,计算每个埋深变化段的加速度和位移峰值变化率,得到了一定的规律性,如埋置深度从5 m增大到50 m,衬砌结构动力响应峰值大小下降较快。此外,还分析了埋深增大对衬砌结构内力峰值的影响。最后,提出在高烈度地震区修建隧道时其埋置深度尽可能不小于50 m,这为相关工程的修建提供了参考依据。     

爆炸荷载作用下浅埋结构动态响应有限元计算

采用有限元数值计算方法分析了地下浅埋结构的非线性动力响应,得到了结构在不同时刻的动态响应模拟计算数据。该地下浅埋结构由金属壳体和上覆土体共同组成,对于土体和金属壳体分别采用Drucker-Prager和Mohr-Coulomb屈服准则以及弹塑性本构关系,分析其非线性动态位移场和应力场。根据爆炸试验数据,研究了爆炸冲击波随距离和时间的变化过程,并且将其作为作用在结构内部的爆炸荷载。有限元数值模拟结果表明,采用非线性有限元模拟爆炸冲击荷载作用下地下浅埋结构的弹塑性动力响应是有效的,并且证明所设计的地下防护结构是安全的。     

基于地表冲击荷载作用下的城市地下空间结构动力响应分析

由于地震效应、重载车辆的震动效应或由于不同爆炸物引起的强烈冲击效应,都会给城市地下空间结构带来较大的影响。通过土体的混凝土改进剑桥动力本构模型和混凝土塑性损伤本构模型,建立地表爆炸冲压荷载简化计算模型,对城市地下空间结构在TNT当量100 kg的炸药爆炸冲压荷载作用下进行了动力分析,研究了结构埋深、土体刚度对结构动力响应的影响,分析了远场爆炸地震波作用下地下空间结构的动力响应。计算结果表明,地下空间结构中部顶板产生了轻微的拉伸损伤;当埋深小于5 m时,结构动应力响应较大;结构覆盖土刚度越小,土对爆炸能量的吸收作用越显著;由于爆炸产生的地震波频率高,其对结构动应力的影响较小。研究结果对地下结构的抗爆设计具有一定的参考意义     

含初始缺陷地铁隧道的抗震动力学行为研究

针对含初始缺陷的既有地铁隧道受邻近穿越隧道施工影响的首都地铁隧道工程背景,基于有限差分方法,通过对既有地铁车站结构受邻近隧道穿越后的抗震性能研究,揭示其抗震动力响应机理。结果表明,在邻近隧道穿越影响下,含初始缺陷的既有隧道各薄弱控制点在地震作用下位移和应力动力时程的波动趋势具有相似性,说明衬砌结构是整体运动的,其位移、应力较穿越前均有所增加,边墙和仰拱在穿越后抗震性能影响最大,剪切破坏主要以车站结构周边土体为主,新线穿越后其剪切破坏分布范围有所增大,应进行注浆加固处理,与自身结构刚度相匹配,提高抗震能力。     

地下综合管廊地震动力响应三维数值分析

综合管廊由于埋深较浅,在抗震分析中应考虑Rayleigh波的作用,为研究Rayleigh波与底部地震加速度共同作用下综合管廊的动力响应特征,建立双仓的综合管廊三维动力有限元数值模型,土体采用考虑滞回环特性的高级本构模型（HSS模型）,通过边界上多次脉冲荷载生成Rayleigh波,模型底部横向分别作用Upland波、Kobe波、Taft波,并与仅考虑底部横向作用的常规时程分析进行对比。研究表明:综合管廊结构的横向动力响应主要受横向地震波影响,结构纵向动力响应受沿其轴向入射的Rayleigh波影响相对较大;采用Rayleigh波+底部地震波的输入方法比单独底部地震波输入得到的结构动力响应整体上要更显著一些;输入不同的地震加速度时程,管廊动力反应规律相似,但综合管廊结构影响大小有差异,可见底部地震波与地表Rayleigh波作用的匹配程度对结构动力响应结果有一定影响。研究成果可供地下综合管廊结构地震动力响应精细化数值分析及抗震设计参考。     

基于全局极限响应面的预应力锚索加固边坡抗震可靠度分析

通过反向采用极向条分的极限分析上限法获取临界强度参数对,拟合得到预应力锚索边坡对应的抗震全局极限响应面方程,将其作为内核函数使用Monte Carlo模拟得到特定地震烈度下的预应力锚索加固边坡的失稳概率和可靠度指标,避免直接使用极限分析上限法而造成的抽样和寻优算法的冗余嵌套。将该方法应用于预应力锚索加固边坡算例中,并将抗震全局极限响应面与基于"均值最不利滑动面"的极限响应面进行了对比,结果表明全局极限滑动面所得失稳概率较大,特定滑面的极限响应面法偏于不安全。进一步分析了锚索参数对边坡抗震失稳概率的影响以及失稳概率与可靠度的关系曲线,表明该方法很好地兼顾了变异参数空间的全局性以及计算的高效性,可以为基于可靠度的预应力锚索边坡抗震设计提供理论参考。     

地下岩体洞室群地震响应的加、卸载响应比分析

将加、卸载响应比理论引入地下岩体洞室群地震响应分析中。以输入的地震加速度作为加、卸载,以洞室围岩的加速度作为响应,合理地确定了加、卸载响应区段。通过有限差分程序FLAC3D建立了白鹤滩水电站13号机组剖面数值分析模型,选用汶川地震波进行动力时程计算,探讨地下岩体洞室群的地震动力稳定性,研究结果表明：在100年超越概率2%的地震作用下,白鹤滩水电站地下洞室群围岩响应比峰值范围在4.05～11.52之间;结合应力及位移分析,主厂房拱顶及层间错动带C4在尾调室上游边墙出露部位的围岩均进入了非线性变形状态,但响应比在整个时程中并没有趋于无穷大,围岩没有发生失稳破坏;错动带两侧的围岩产生了一定的相对位移,会对尾调室的边墙稳定性产生不利影响。该研究方法可应用于一般地下岩体结构的地震稳定性分析中。     

深埋隧道层状岩体地应力反演研究

结合渝沙高速公路共和隧道地应力量测资料,通过调整多种组合的侧压系数,获得隧址区山体多组地应力。将每一组侧压系数下获得的测试段地应力,利用横观各向同性弹塑性本构模型对测试段层状岩体进行计算,并将计算的结果与实测结果对比分析,确定出隧址区山体合理的侧压系数,从而得到了隧道轴线方向的初始地应力大小和方向,研究表明,隧道轴线初始地应力与隧道的埋深和地形地貌有关,靠山侧初始地应力大于靠河侧,最大初始地应力主要集中在埋深500~1 000m,即K41+500~K43+000里程段,最大初始地应力为19.7MPa,与水平面的夹角为-71.58°。这为隧道设计和施工提供了重要的基础资料。     

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。     

关于地铁地震响应的模型振动试验及数值分析

为明确大地震时地铁的破坏过程及原因,以1995 年日本阪神－淡路大地震中遭受严重破坏的神户大开地铁车站为对象,进行了一系列的模型振动试验和动力有限元分析。对于作用于地下结构的地震动土压的发生原理、地震波输入方向、结构的埋设深度、地基与结构间的刚性比对地震动土压的影响及在地基-结构系统的非线性响应下结构周围地基终局状态时的地震动土压进行了研究。明确了地震动土压的极限值及在大地震时周围地基的残余应变引起的静止土圧力的存在。为今后改进地震土压力计算方法、提高地下结构抗震设计水平提供了依据。     

阪神地震中大开地铁车站震害机制数值仿真分析

1995年阪神地震中,神户市的地下结构遭受了严重的破坏,尤其是地铁车站的破坏最为严重,其中大开地铁车站有一半以上的中柱发生坍塌,导致地面坍塌近2.5 m。对大开地铁车站的震害进行了全面地描述,基于大型商用有限元软件ABAQUS,采用在该软件上二次开发的土体非线性黏弹性动力本构模型模拟土在循环荷载作用下的动力特性,采用黏塑性动力损伤模型模拟混凝土在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,对大开地铁车站的非线性地震反应进行了数值仿真分析,给出了破坏演化过程,把有限元分析的结果与大开地铁站的实际震害现象进行了对比,结果表明：数值仿真分析结果能够合理地解释大开地铁车站的主要震害现象,建模方法能够被用来进行地下结构的非线性地震反应分析。     

软弱饱和土夹层对地铁车站地震响应的影响分析

震害调查表明,当地下结构处于非均匀场地、软土层或在结构侧边存在软土夹层等复杂地质环境条件时,地下结构更易遭到损坏。因此,将对含有软弱饱和土夹层场地中地铁车站的地震响应进行分析。结合已有的单相介质和流体饱和多孔介质动力分析的显式有限元方法,考虑了土层中存在软弱夹层的情况,把软弱夹层模拟为流体饱和多孔介质,建立了适用于含软弱饱和土夹层场地中地铁车站结构地震响应分析的有限元方法;进行建模数值计算,分别给出了3条具有不同频谱特性的实际地震记录以P波形式入射下地铁车站结构关键位置的地震动响应,并分析了软弱夹层的位置、厚度等因素对地铁车站结构地震动响应的影响。分析结果表明,软弱夹层对地铁车站结构地震动响应具有非常不利的放大作用,且当软夹层位于地铁车站中部时,放大作用最不利。     

基于损伤塑性模型的地下洞室结构地震作用分析

基于损伤力学原理,通过引入损伤变量的方法,详细推导了ABAQUS中的损伤塑性本构模型,描述混凝土后继屈服阶段及其卸荷后的损伤机制和力学行为。此本构模型可考虑循环荷载条件下材料刚度退化和应变率的影响,适用于类似混凝土材料的脆性材料,如岩石等。以某水电站地下厂房洞室结构为例,进行二维动力时程非线性分析,考虑不同的刚度恢复权重因子和应变率相关性对结构损伤的影响。多个数值算例表明：洞室混凝土结构和其周围一定深度的围岩的损伤是一个渐进积累的过程;材料的率相关性效应并不是在地震动作用开始时就立即产生,而是在一段时间后,结构经历一定程度的损伤后才慢慢体现出来;此损伤塑性模型适合地震荷载等循环荷载作用下地下洞室结构的动力时程非线性分析,尤其是强震下采用此损伤塑性模型是合理和必要的。     

水电站地下厂房结构抗震计算方法探讨

地下结构是水电站地下厂房抗震设计的关键,我国现行规范尚未对其抗震设计方法作出明确规定。结合汶川地震中映秀湾地下厂房结构震灾调查,采用拟静力法、反应谱法和时程法分别进行结构受力计算。结果表明,3种方法均能在一定程度上反应映力荷载作用下地下结构的破坏情况,为抗震设计提供理论依据。拟静力法计算结果偏安全,但其对顶拱、牛腿等局部结构计算有一定不合理之处;反应谱法能展现结构的薄弱部位,便于抗震加固,但在与围岩接触的结构分析中存在较大误差;时程法能精细反映地下结构的地震受力过程,计算结果与震害调查吻合较好,便于更为经济的工程设计。建议对安全级别高、规模大或处于高地震烈度区域的地下厂房结构采用时程法进行计算。     

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。     

高烈度地震区隧道减震模型的建立及其减震效果模型试验研究

现场调查表明：5.12汶川大地震共造成21条高速公路和16条国道、省道干线上总延长达20 417 m的24座隧道结构受损,严重影响了灾区救援和灾后重建。可见,传统的隧道抗震技术已不能保证高烈度地震区隧道结构的安全。为此,在分析隧道震害特点及原因的基础上,建立了隧道支护体系内设置减震层的减震模型,根据这一减震模型,研究了减震层刚度、地震波输入频率和减震层阻尼等参数对隧道减震效果的影响。通过三维数值模拟和室内模型试验,验证了该减震模型的减震效果。研究成果可为高烈度地震区隧道结构减震设计提供参考。     

穿越黏滑断层分段接头隧道模型试验研究

数次大地震震害调查表明,隧道穿越断层处是受地震破坏较为严重的区域。为此,基于地震动能量的传播与释放特征,建立了一种穿越断层隧道结构抗减震的设计理念,并提出了一种穿越断层隧道节段接头形式。以跨断层龙溪隧道为依托,采用振动台模型试验研究了单一错动方式与断层错动-震动综合加载方式下带有接头的衬砌结构响应。研究结果证明：强震作用下,地震波对穿越断层隧道的影响是不可忽略的,断层错动-震动综合加载方式是合理的;新型接头能够自身适应性变形协调减轻隧道结构震害,节段间接头的设置改变了隧道的变形形态,提高隧道整体抗震能力;同时减小了衬砌的环向破坏,消弱了节段间地震力的传递,实现了衬砌震害的局部化。由于接头的设置,上盘隧道结构震害集中在距断层1.8倍洞径的范围内,下盘处隧道衬砌震害集中在距断层1.2倍洞径范围内;上盘的衬砌震害主要是由错动-震动联合作用造成的,而下盘衬砌震害主要受地震动的影响。     

高烈度区双洞隧道洞口段地震响应分析与振动台模型试验

强震作用下,隧道地下结构损伤严重,其中洞口段更是抗震的薄弱环节,但其影响规律和特点目前尚缺乏系统的计算分析和研究。以强震区扯羊隧道为例,首先采用FLAC3D对双洞隧道洞口段地震响应进行分析,再用模型试验的方法进行洞口段模型试验,测量其地震响应应变规律,观测其震害发展情况,并与数值分析结果相互验证。结果表明:地震作用下,隧道仰拱横向位移较大;随着隧道埋深增加,内力逐步增加,其中墙角部位内力较大;洞口处隧道围岩在强震作用下会产生贯通性裂缝,影响隧道洞口稳定;地震作用下的明洞与暗洞交接处内力较大;地震作用下的双洞隧道之间存在较强的动力相互作用。     

Characteristics of seismic disasters and aseismic measures of tunnels in Wenchuan earthquake

Over the past few years, accompanied by big and frequent earthquakes, more attention was paid to the tunnel earthquake resistance. To reduce tunnel seismic damage and explore the reasonable aseismic measures, the tunnel earthquake disaster investigation was employed to analyze and summarize the tunnel seismic damage on the basis of Wenchuan earthquake. Fifty-two tunnels near the epicenter of Sichuan Province were investigated: Only 7 tunnels did not show structure damage, 6 tunnels suffered the most serious damage, and the rest appeared damage to various extents. It indicates that most serious seismic damage happens to fault fracture zone, followed by entrance and common section of the tunnel. Additionally, the results display that the typical seismic damage of tunnels is lining cracking, collapsing, dislocation, construction joints cracking, and uplifting of invert, and usually lining cracking and collapsing account for a larger proportion. Therefore, the tunnel aseismic design should emphasize the fault fracture zone and tunnel entrance. Tunnel design should adopt the composite lining structure with shock absorber and whole chain alternative grouting to prevent the lining cracking and collapsing in the seismic fortification zone.