地裂缝对地铁明挖整体式衬砌隧道影响机制的模型试验研究

 以西安地铁2号线穿越地裂缝带为研究背景,采用几何缩比1∶5的大比例尺地裂缝与地铁隧道结构模型试验,研究了地裂缝活动对地铁明挖隧道整体式衬砌结构的影响机制。试验结果表明：随地裂缝位错量的增加,隧道顶部土与结构接触压力上盘明显增大,下盘减小,底部接触压力上盘减小直至为0,下盘则明显增大;当地裂缝位错量达到20 cm时,位于地裂缝上盘的隧道结构底部出现脱空现象,下盘2.5 m处衬砌出现开裂,对隧道底部脱空区应及时进行注浆等地基处理;隧道底板基本处于受压状态,而顶板受力较复杂,下盘受拉,上盘则先受拉后受压。地裂缝作用下隧道变形破坏模式为拉张破坏,且隧道衬砌开裂主要出现在下盘距地裂缝14.0 m范围内,而位于上盘的隧道衬砌基本完好,这与地裂缝活动引起土体和地表建(构)筑物的变形破坏主要发生在上盘刚好相反。研究结果可为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计与防治措施制定提供一定参考。     

马蹄形隧道40°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝的物理模型试验。结构模型混凝土应变、纵向和环向钢筋应变、结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明：整体式马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝时其破坏模式为扭转、弯曲、剪切变形破坏,变形破坏不对称;衬砌混凝土环向裂缝主要分布在上盘区0.83D(D = 1.8 m)、下盘区1.11D;纵向裂缝主要分布在上盘区1.11D、下盘区(1.94～2.22)D;下盘结构变形破坏范围和程度要高于上盘。马蹄形隧道结构在40°斜穿地裂缝时,宜采用分段方式来应对扭转、弯曲、剪切变形,应加强结构抗扭设计,扩大断面或提高混凝土强度等级来应对剪切变形。     

穿越活动地裂缝地铁隧道震害机制研究

 通过振动台模型试验对穿越活动地裂缝的地铁隧道的动力响应进行了研究,研究内容主要包括地铁隧道的加速度反应,土压力及应变的变化规律。分析结果表明,穿越活动地裂缝的地铁隧道在地震荷载作用中,活动地裂缝场地产生不均匀沉降,上盘沉降大于下盘区,预设地裂缝部位沉降值最大,不均匀沉降导致次生裂缝及沉降陡坎产生,地铁隧道上方场地土体产生细小裂缝;地铁隧道与活动地裂缝的加速度时程曲线均与地震动荷载加速度时程具有一致性,地铁隧道各部位加速度时程保持一致,说明在地震中地铁运动保持整体性,上盘场地的加速度峰值较大,表明在活动地裂缝中上盘区对地震动力有一定的放大效应;活动地裂缝场地中土压力呈现出动土压力曲线变化,地震加载结束后隧道结构侧向的土压力受力状态及大小均产生变化,隧道结构顶部的土压力有较大增加;应变曲线表明在扩大断面的马蹄形隧道结构中拱腰部位的应变增值最大,拱顶部位次之,底板的应变增值相比最小。以上成果对于合理认识跨越地裂缝的地铁隧道的地震响应特征具有重要意义,可为地铁隧道实际工程设计和施工的抗震设防提供宝贵的基础资料。     

地裂缝活动下分段式马蹄形隧道特殊变形缝的三维变形特征试验研究

 为研究40°斜穿地裂缝分段式马蹄形衬砌结构受地裂缝影响的变形破坏模式、特殊变形缝的三维变形特征,从西安地铁隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计分段式马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝的物理模型试验。模型顶面土体沉降、结构底部土压力分布、变形缝三维变形特征表明：分段式马蹄形隧道衬砌结构40°斜穿地裂缝时其破坏模式为顺变形缝发生整体剪切变形破坏,变形缝发生垂直位错、轴向拉伸、水平偏移三维变形分量,管段结构混凝土没有破坏;变形缝拱顶处的三维变形分量均分别大于其拱底的,且其分布规律基本一致;上盘侧变形缝垂直位错大于下盘侧,其轴向拉伸变化不大,水平偏移主要发生在地裂缝处,变形缝垂直位错从下盘端部向上盘逐渐增加;根据相似理论推算,原型结构在地裂缝上盘下降90 cm时,5处变形缝最大总垂直位错量达72 cm,最大总轴向拉伸量达34.5 cm,最大总水平偏移量达32 cm。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

大角度斜交地裂缝带盾构隧道变形破坏机制的模型试验研究

地裂缝是西安市最典型的城市地质灾害,其活动对城市地铁建设具有严重威胁,盾构隧道能否应用于地裂缝场地一直是工程界关注的问题。为揭示地裂缝活动对地铁盾构隧道的影响机制,文章以在建西安地铁8号线大角度(θ=75°)穿越地裂缝带为工程背景,基于1∶12几何比尺的物理模型试验并结合数值模拟,对大角度斜交地裂缝带的盾构隧道结构的变形破坏规律进行研究。结果表明：地裂缝错动作用下,大角度穿越地裂缝带的盾构隧道上盘管片拱顶受压、拱底受拉,下盘管片拱顶受拉、拱底受压;盾构隧道纵向整体表现为弯曲 扭动变形,管片衬砌在地裂缝上盘以拱顶内凹变形为主,在下盘以牵引变形为主,地裂缝位置及其附近的管片表现出竖向错动、轴向拉张与挤压以及水平扭转的三向变形特征;当地裂缝位错量达到s=24cm时,盾构隧道出现破坏,其破坏模式以剪切破坏为主,局部存在偏压破坏,且破坏大部分首先出现在螺栓附近;基于盾构隧道的破坏模式和范围提出隧道大角度穿越地裂缝带时的应对措施建议,对于未来100年内地裂缝累积活动量超过s=24cm的场地,地铁建设不宜采用盾构法通过。     

跨地裂缝地铁隧道竖向地层压力计算方法探讨

 地裂缝是一种特殊的地质灾害,其活动方式主要表现为地层的垂直错动并引起地表破裂,对工程建(构)筑物危害十分严重。地裂缝活动引起其两侧地层的差异沉降会在跨越地裂缝带的地下结构上产生不同于一般地层的附加应力(压力),导致地下结构纵向拉裂甚至直接剪切或剪断破坏。如何求解地裂缝环境下地层有效荷载是跨越地裂缝带地下工程结构设计的关键。以西安地铁穿越地裂缝带为研究背景,通过对浅埋暗挖地铁隧道穿越地裂缝带大型物理模型试验作用机制及数据的分析,建立地裂缝活动环境下地铁隧道与周围土体荷载结构模型,用于计算跨地裂缝段地铁隧道结构上覆竖向地层压力的大小。探讨性地提出基于地层挟持作用的地裂缝荷载计算方法,并与基于马斯顿原理的地裂缝荷载计算法及规范法进行对比,最后与模型试验结果进行对比验证与讨论,认为基于地层挟持作用地裂缝荷载计算法是计算跨地裂缝地段地铁隧道结构上覆地层土压力的有效方法,该方法对于地面沉降地裂缝发育区地铁隧道及城市地下工程设计具有重要指导和参考价值。     

地铁列车荷载作用下隧道的静动力响应分析

以某地铁区间隧道为研究对象,依照列车动荷载激励力公式,设计列车振动模型装置,观测了隧道衬砌模型和周围介质在静荷载及列车动荷载作用下的应变、加速度等力学参数,分析了动荷载作用下隧道结构的受力状态,并和初始静应力做了比较,得出了一些有指导意义的结论。     

地铁隧道正交穿越地裂缝的相互作用机制试验研究

 以西安地铁隧道为工程背景,利用地铁隧道正交穿越地裂缝应力模型试验,分析在地裂缝活动环境下的地铁隧道与地裂缝的相互作用关系。在地裂缝上、下盘发生相对错动时,对模型结构的纵向应变、结构底部的相对位移以及结构外围土压力等进行监测。数据分析结果表明：地铁隧道穿越地裂缝时其荷载传递机制涉及结构的刚度效应、下卧土体的支承作用、隧道与土体之间的摩阻作用以及裂缝处上下盘的接触效应4个方面。根据隧道结构变形特征及应变变化规律,构建隧道与土体底部脱空状态下相互作用力学模型,为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计提供参考。通过对不同断面隧道的应变及变形比较分析,提出地铁隧道正交穿越地裂缝带时宜采用马蹄形隧道断面,以提高结构的整体刚度;加强位于地裂缝下盘的隧道混凝土的裂缝控制,做好防水处理。     

地下综合管廊结构斜穿活动地裂缝的变形破坏机制室内模型试验研究

以西安地区地裂缝环境为研究背景,通过几何缩尺比例为1∶15的物理模型试验得到上、下盘相对错动情况下结构周边围岩土压力及结构应力、变形规律和宏观破坏现象,论述地下综合管廊45°斜穿地裂缝时的变形破坏模式。结果表明:随着错动量的不断增大,上盘中管廊结构顶部纵向与土体的接触压力明显增加,下盘中明显减小;至于结构顶部横向与土体的接触压力,地裂缝与结构轴线相交处土压力较大,两边土压力较小;混凝土表面纵向裂缝主要分布在下盘区2.9D～5.1D(D=0.277 m)范围内,环向裂缝主要分布于下盘区0.9D范围内,下盘结构变形程度高于上盘结构;地下综合管廊在45°斜穿地裂缝时其变形不对称,结构处于扭转、弯曲、剪切的复杂应力状态,结构的受力形式属于薄壁杆件约束扭转。研究结果可为西安地下综合管廊斜穿地裂缝时的结构设计和防治措施的制定提供一定参考。     

跨地裂缝框架结构地震响应振动台试验研究

为研究地裂缝环境下结构的动力响应规律,首次进行跨地裂缝结构和无地裂缝环境下结构振动台对比试验,分析地震作用下跨地裂缝结构的破坏形态、动力特性、加速度响应、位移响应和应变响应。研究结果表明：地震波传至上盘和下盘地表的峰值加速度、峰值时间、频率及相位等均存在差异,形成非一致性地震激励;此外,地裂缝场地对土层加速度有放大效应,同一层土的最大加速度出现在靠近地裂缝的上盘处。跨地裂缝结构处于上盘的构件损伤程度明显大于下盘;在相同地震激励作用下,跨地裂缝结构的动力反应与无地裂缝环境工况相比更加剧烈。跨地裂缝结构的侧向位移最大值并不是全部出现在顶层,这是由于地裂缝上下盘的不均匀沉降作用和基础附加变形综合造成的。跨地裂缝结构的柱钢筋应变幅值分布具有上下盘分布规律,即处于上盘柱的钢筋应变幅值明显大于下盘柱。研究成果可为地裂缝环境下结构设计提供参考。     

地裂缝场地地铁车站动力响应振动台试验研究

地震和地裂缝耦合作用严重威胁着地铁工程的安全.通过开展地裂缝场地(穿越地裂缝)地铁车站结构模型的振动台试验,分析了地震作用下地裂缝场地土的加速度反应、裂缝发展和车站的加速度、应变等动力反应规律.试验结果表明:模型土在临近地裂缝的一定范围内地震响应较大,且距地裂缝相同距离处,上盘的加速度响应整体上大于下盘;地裂缝场地地铁...     

穿越黏滑错动断层隧道减震层减震技术模型试验研究

为研究断层黏滑错动因素影响下隧道初支和二衬之间设置减震层的减震技术,开展了不同减震层厚度的大型模型试验。首先制定了试验方案,主要包括相似系数、试验装置及材料、试验分组及测试方案。然后,介绍了试验过程。最后,对试验数据进行了分析,主要从结构内力、纵向应变及接触压力3个方面进行研究。试验结果表明：断层黏滑错动对上盘部分的影响远大于下盘部分;减震层对上盘部分隧道结构的减震效果明显好于下盘;减震层（10 cm）工况减震效果明显优于减震层（5 cm）和减震层（20 cm）工况,推荐使用在初支与二衬之间设置厚为10 cm减震层的减震方式。研究成果对于穿越黏滑断层隧道的减震设计及减震技术有着重要的意义。     

Immersion test of loess in ground fissures in Shuanghuaishu,Shaanxi Province,China

The ground fissure of Shuanghuaishu in Shaanxi Province, China, is a tectonic ground fissure developed in the northern Loess Plateau of the Weihe Basin. Remarkably, it exhibits multiple activities under heavy rainfall conditions. To explore how heavy rainfall infiltration can induce ground fissures to reactivate, we conducted an in situ large-scale water immersion test on the ground fissure zone. Through measurement of soil moisture content and observation of subsidence and deformation of surface and soil layers at different depths before and after water immersion, we determined the variation law of soil moisture content and the humidification deformation of the ground fissure zone after rain infiltration. Results show that ground fissures destroy the structure of soil layers and form a certain width of influence zone, which allows surface water to seep through the fissure zone into the deep soil below the relative aquifuge. After water immersion, the deformation of the soil in the ground fissure zone is obviously larger than that in the non-fracture zone, the influence zone width of hanging wall of the ground fissure is larger than that of the footwall, and the influence range on the upper soil layer is larger than that on the lower soil layer.

     

断裂黏滑隧道减震缝减震技术模型试验研究

 以汶川地震龙溪隧道F8黏滑断裂段震害为研究背景,开展减震缝减震技术的大型正断裂黏滑错动模型试验研究。首先介绍试验方案,主要包括相似设计、试验设备及材料、试验分组、测试方案及试验过程。然后,对试验数据进行分析,主要研究隧道的结构内力、纵向应变及接触压力。试验结果表明：断裂黏滑错动后,上盘受断裂黏滑错动影响大于下盘;初期支护施设减震缝减震效果不明显;二衬施设减震缝(间距12 m)的减震效果略优于二衬施设减震缝(间距9 m),从施工方便性、经济性考虑,推荐使用二衬施设减震缝(间距12 m)的减震方式。研究成果对于穿越黏滑断裂隧道的减震技术有着重要的意义。