不同埋深隧道的地震响应振动台试验研究

针对不同埋深下隧道表现出不同震害的特点,对地震响应振动台模型试验进行研究。首先进行了试验方案设计及试验模型的相似比设计,然后对不同地震波类型、地震强度及不同埋深下的隧道依次进行了振动台模型试验。试验结果表明:地震作用下,隧道衬砌应力在隧道埋深较浅时最大,达到一定埋深(约40 m)时,隧道衬砌应力明显减小,之后,隧道衬砌应力随埋深的变化不明显;隧道衬砌应力随埋深的变化规律在不同的地震波类型、不同的地震加速度峰值下相似;不同深度土层的加速度放大系数随着埋深的减小逐渐增大。通过对试验后隧道周边土体观测可知,浅埋隧道周边土体的裂缝多于深埋隧道。试验验证了地震灾害调查结果,为隧道抗震设计提供依据。     

地震作用下边坡的动态响应规律研究

以印度Koyna地震为输入动荷载,利用ABAQUS软件建立了一个均质土坡动力数值分析模型。在此基础上,分析了该地震作用下边坡的动力响应规律。结果表明,边坡对地震加速度存在放大作用,坡顶水平向峰值加速度为1.0 m/s2,约为输入地震峰值加速度的3倍;坡顶竖向峰值加速度为0.8 m/s2,约为输入地震峰值加速度的3.2倍;在当土体发生破损以后坡体位移随地震持时的增加而增大,存在变形累积效应。研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的失稳机制。     

地震载荷下核岛动力响应数值模拟

核电作为清洁型能源具有广阔的发展前景,研究核电站的地震响应具有重要意义。建立了AP1000核岛的有限元模型,进行模态分析获取核岛的振动形态。用无限元模拟远场地基,有限元模拟近场地基,并考虑基础埋置及土与结构相互作用,开展了不同地基条件下的核岛地震响应分析。结果表明：随着地基刚度的增加,核岛节点的响应加速度幅值增大,而加速度反应谱峰值对应的周期减小,核岛节点应力增大,但其相对位移减小;考虑土与结构相互作用之后,软弱地基的响应加速度峰值大幅减小,地基加速度反应谱峰值对应的周期增加,土与结构相互作用对此类地基上核岛的地震输入有较大影响;对于坚硬岩石地基,土与结构相互作用对地震输入的影响可以忽略。     

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。     

地铁列车振动作用下交叠隧道的三维动力响应

通过数值计算方法研究了地铁列车振动荷载作用下,由左右平行隧道过渡到上下平行隧道情形下的三维弹性动力响应。建议了三维情形下列车动力荷载的施加方式,对隧道结构变形特征以及振动加速度响应特征进行研究。计算表明,在拱底中央位置处,模型中部断面的位移峰值比起始段的位移峰值有一定减小,而其加速度峰值则变化不大;双列列车交会动载作用下的位移峰值比单行动载作用下的位移峰值要大,而相应的峰值加速度则出现得要早。     

预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应特性研究

降雨、地震作用下,隧道洞口边坡易产生严重破坏,有必要研究隧道洞口边坡及支挡结构的动力响应特性。以中国西南某隧道洞口边坡为例,通过振动台模型试验,分析降雨、地震作用下预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应与破坏模式。研究结果表明：（1）隧道洞口边坡破坏过程为坡顶张拉裂缝―坡脚剪切溃裂―边坡整体滑移破坏。由于雨水入渗,坡表土体在地震作用下易产生局部浅层破坏。边坡破坏模式为张拉-剪切型。（2）随峰值加速度增加,桩身PGA放大系数显著增大,应重视该类支护结构在地震作用下的惯性放大效应。（3）桩后峰值土压力随峰值加速度增加而增大,由“S型”分布逐渐转变为倒三角形分布。峰值加速度大于0.4g时,锚索轴力逐渐增加,充分发挥张拉作用。（4）桩土压力与加速度傅里叶谱幅值集中于低频段,地震波沿高程传播存在“高频滤波效应”。（5）桩身位移谱幅值随峰值加速度增加而逐渐增大,沿桩身向上呈增加趋势;位移谱主频分布于1～4 Hz,卓越频率为2.5 Hz,与地震荷载的主频较接近。（6）桩体加速度间的关联性较好,桩体加速度、动土压力、桩体应变、锚索轴力相关性随输入峰值加速度增加而逐渐降低。     

地基与密肋复合墙结构相互作用系统频域地震响应试验研究

为研究地震作用下黄土地基与密肋复合墙结构相互作用系统频域地震响应的基本规律,进行了1:15比例结构模型进行振动台试验。输入白噪声、El-Centro波、天津波,测试了结构与地基的动力响应。通过快速傅里叶变化得到频域响应曲线,分析了地基与结构的动力特性以及从7度至9度水平向地震波加载时的动力反应,对比了各加载工况下加速度及位移频域响应曲线,研究了地基、结构频域动力响应的基本规律及其影响因素。结果表明:地震波激励下地基土开裂,自振频率降低,对上部结构的嵌固作用减弱;地基表面与结构顶部加速度响应随烈度的提高而增大,峰值所对应频率的变化显著,地基对加速度的放大效应显著,上部结构对位移的放大效应显著。因此,考虑地基与结构相互作用后,动力放大效应与地基破坏状况及地震动特性密切相关。     

上海软土场地三维非线性地震反应分析

考虑土的非线性,采用弹塑性边界面模型,对上海软土场地进行三维地震反应分析。利用多维地震动作用下的水平地层弹塑性动力反应分析程序,以具有水平和垂直三向完整加速度记录的Taft波作为地震输入,对比分析单向和多向地震输入场地水平和竖向地震反应特征,并分析不同强度地震动输入下竖向和水平加速度峰值比特征及地下水位变化对场地土层地震反应特征的影响。计算分析表明,竖向与水平向地震反应特征有较大差异;与水平单向地震输入相比,三向地震输入场地土层放大效应明显增大;地下水位上升对水平向和竖向峰值加速度的放大效应影响差异显著,地下水位上升,地表水平峰值加速度放大效应增大,竖向峰值加速度放大效应减小,研究结果对上海地区的工程抗震设计具有参考作用。     

水平和竖向地震作用下液化场地群桩基础动力响应试验研究

为研究水平和竖向(双向)耦合地震作用下液化场地群桩基础的动力响应,设计了可液化地基-群桩基础-框筒结构动力相互作用体系振动台模型试验。选取不同类型模拟地震波作为振动台试验激励,通过对比水平地震作用和双向耦合地震作用下土体加速度、超孔隙水压力和群桩应变等试验结果,进而分析双向耦合地震作用对可液化地基和群桩基础动力响应的影响。研究结果表明:双向耦合地震作用下,液化场地土体竖向加速度峰值随土体埋深高度的减小而逐渐增大;饱和砂土的液化效应与双向耦合地震作用和输入地震波的类型有关;相比水平地震作用,不同种类波双向耦合地震作用下群桩基础桩身中部和底部的应变峰值增大,桩顶应变峰值变化略有不同;双向耦合地震作用加剧了建筑结构群桩体系的摇摆和倾斜。研究结果对可液化地基上群桩基础的抗震设计和防灾减灾具有十分重要的研究意义。     

盾构隧道与周围土体在列车振动荷载作用下的动力响应特性

为研究列车振动荷载作用下盾构隧道结构及周围土体的动力响应特性,采用模型试验方法,通过布置在盾构隧道底部的激振器施加扫频激振荷载和列车振动荷载,采用频率响应函数FRF与最大加速度分析了盾构隧道衬砌结构与周围土体不同位置处的动力响应及其衰减规律。研究结果表明：FRF是隧道衬砌结构和周围土体自身的动力响应特性的体现,与激振力的大小、扫频方向及扫频时间无关;在隧道管片衬砌结构的底部和顶部均体现出高频响应大于低频响应的特性,隧道顶部加速度响应沿隧道纵向衰减幅度明显小于隧道底部;隧道周围土体的动力响应沿深度有明显变化,但均表现出沿隧道轴向衰减的规律。隧道结构上部第1层测点土体的动力响应在全频域内随频率的增加逐渐增大。但在第2层和地表的第3层测点,土体的动力响应在30～90 Hz区段线性增长,在90～300 Hz区段出现波动变化,并无明显增大趋势;与扫频激振荷载引起的动力响应规律一致,由列车运行振动荷载引起的隧道管片衬砌结构和周围土体的振动沿隧道轴向逐渐衰减,隧道底部的加速度响应大于顶部,随着列车车速的增大,在隧道内部引起的加速度响应将显著增大。同时,在列车振动荷载作用下发现地表存在加速度放大效应,地表第3层测点的加速度响应均大于隧道结构上部第1层测点。     

某核电取水隧洞洞口段及洞口高边坡抗震稳定分析

针对某核电取水隧洞工程,采用非线性的动力分析方法,用Flac3D建立大型三维有限差分模型,模拟隧洞洞口段在场址时程地震波作用下的地震响应规律,同时通过建立隧洞洞口处回填高边坡的二维有限元模型,进行洞口边坡在地震动作用下的稳定性分析,得出其边坡滑动面位置和动力安全系数时程曲线。通过场址地震波的输入,探讨隧洞洞口及边坡的结构响应特点,得出隧洞洞口衬砌内力随地震波作用的时程变化曲线,绘制隧洞衬砌内力图,同时给出隧洞洞口段高边坡安全系数。分析结果表明,隧洞洞口抗震的薄弱部位位于隧洞拱肩及边墙位置。分析方法及结论对于隧洞的抗震设计具有一定的参考价值。     

沪蓉高速柴家湾隧道围岩稳定性分析及支护效果研究

隧道围岩的应力分布及变形特征对保证其长期稳定性具有关键的作用。本文以柴家湾隧道为例进行实态建模,通过采用有限元软件ANSYS对其施工全过程进行了三维弹塑性数值模拟计算。研究结果表明,隧道拱顶和拱脚处应力集中现象明显,局部可能出现拉应力;变形主要集中在拱顶、拱腰部位,衬砌单元所受内力在规定强度范围以内,支护措施合理有效。     

汶川地震公路隧道普通段震害分析及震害机制研究

在汶川地震中隧道普通段出现了严重的震害,为了提高高烈度地震区隧道普通段的抗震性能,通过统计分析汶川地震公路隧道普通段震害调查资料,对隧道普通段进行了震害分析。结果表明,隧道普通段震害主要发生在软岩均一段、软硬围岩交接段软岩部分以及围岩缺陷段。通过三维有限差分数值模拟和现场典型震害分析,研究了公路隧道普通段的震害机制,探明了围岩均一普通段隧道震害机制,即硬岩隧道普通段基本无震害,软岩隧道普通段震害较严重,衬砌结构受地震惯性力影响较大,强制位移次之;探明了围岩软硬交接普通段隧道震害机制,即震害主要发生在软硬围岩交接段软岩部分,震害的主要影响因素为强制位移,地震惯性力次之;探明了围岩缺陷普通段隧道震害机制,即震害主要由地震惯性力造成强制位移影响很小。研究成果可为高烈度地震区公路隧道普通段的抗震设防提供参考。     

隧道纵向整体抗震分析的近似方法

根据隧道工程的特点,考虑隧道与围岩的相互作用,依据抗震动力学理论、结构-围岩相互作用理论及当量半径的思想,建立隧道结构动力平衡方程,该方程从理论上考虑了隧道的自重惯性力。从方程可以看出,经典反应变位法是该方法的特例。通过算例分析了隧道埋深、地层剪切波速、基岩剪切波输入方向、上覆地层的特征周期、弹性地基系数及围岩弹性模量对衬砌纵向应力的影响。通过算例分析可知,（1）围岩-结构相互作用对隧道抗震分析具有较大的影响,不考虑相互作用得到的结果是相对保守的;（2）隧道的自重惯性力只有在超浅埋结构中有一定的影响,随着隧道埋深的增加,自重惯性力的影响完全可以不计;（3）本方法实际上是隧道纵向抗震分析的一种工程算法,所得的结论对于深埋隧道结构的整体抗震概念分析提供了一定的理论参考。     

不等跨连拱隧道施工全过程的有限元模拟

用同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件(GeoFBA2D),对某高速公路不等跨连拱隧道的施工全过程进行有限元模拟。得出隧道围岩应力、围岩位移、初衬与二衬的接触压力、中墙内力随施工过程的变化规律。研究表明,大洞的拱顶最大拉应力是小洞的4倍,不等跨效应十分明显;小洞拱顶沉降明显分为三个阶段;小洞的初衬与二衬的接触压力要比大洞大;中墙内力随施工过程变化显著,但最终值很小。结论对隧道设计和施工具有科学指导意义。     

爆炸平面波作用下大跨度洞室稳定性模型试验研究

通过抗爆模型试验,研究了爆炸平面波作用下大跨度毛洞和锚喷衬砌支护洞室的受力变形和稳定状态。介绍了模型试验原理及方法,根据试验实测数据分析了洞室围岩的受力特征、洞壁的运动变形特征、洞室的破坏形态及承载能力等。研究表明：设计工况和超载工况下,锚喷衬砌支护洞室侧墙部位垂直应力、拱顶加速度正峰值、拱顶位移峰值及残余值、洞壁环向应变峰值均明显小于毛洞;超载试验后,毛洞破坏严重,丧失了承载能力,而锚喷衬砌支护洞室破坏明显轻微,承载能力可提高约60%。     

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。     

深埋隧道地震动力响应的复反应分析

复反应法是用来分析地震动力作用下岩土体动力性质的有限元方法之一。这种方法的主要特点是引入复模量概念, 使材料的阻尼比与频率无关, 这样能更好的模拟岩土体的动力性能。本文结合在建的某公路深埋隧道, 分析了隧址区山体的地震动作用特点, 探讨了隧道埋深与地震作用强度之间的关系。     

爆炸地震波作用下盾构隧道动力响应分析

盾构隧道衬砌由于各种类型接头的存在而与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将盾构隧道衬砌结构看作由弹塑性铰链连接的刚性管片组成,考虑围岩介质的黏弹性,提出了爆炸地震波作用下盾构隧道动力分析的简化计算方法。采用该方法对南京地铁盾构段典型横断面进行了动力分析,研究了爆炸地震波入射角度、围岩介质特性及管片厚度对结构受力与变形的影响规律。分析结果表明:波入射角度对盾构隧道有很大影响,斜入射时结构的动力响应要大于垂直入射时结构的动力响应;围岩介质等级越高,围岩对隧道结构的约束越强,隧道的抗爆性能越好;管片厚度的增大会增大结构的内力,合理设置管片厚度有利于提高盾构隧道抗爆性能。     

P波作用下跨断层隧道轴线地震响应分析

基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,针对3D断层场地,通过求解等效二维场地地震响应,从而获得3D场地地震动输入的自由场响应,并将自由场响应转化为3D模型边界面上的等效节点力,从而建立含断层3D场地P波入射的倾斜输入方法。自由场算例验证所提方法具有较好精度,进而基于建立的输入方法,开展了跨断层隧道地震响应的数值模拟研究。数值模拟结果表明:在P波作用下,隧道跨断层部位处于拉、压、剪切的复杂受力状态,且断层处的隧道衬砌地震响应明显大于其他部位的地震响应;围岩的力学性质与断层的力学性质相差越大,断层处衬砌的地震响应放大越明显;断层处衬砌地震响应随断层深度的增加而增加。另外,跨断层隧道的地震响应受P波入射角度的影响较大,随P波入射角度的增加,断层处隧道衬砌的轴力、弯矩先增加后减小,而剪力具有逐渐减小的规律。