输水隧道流-固耦合地震反应研究

目的为了研究在考虑介质的辐射阻尼的情况下，穿越软土地区的浅埋大管径输水隧道在内水作用下。其水体晃动、阻尼系数、地震激励方向、内水压力、围岩种类、围岩和衬砌的非线性以及衬砌的厚度对衬砌的地震响应的影响．方法根据流固耦合原理建立内水-衬砌-围岩三者的运动方程。以一穿越河底的输水隧道为例，采用三维流固耦合有限元程序对其进行地震反应分析．其中管内水体采用基于势的流体单元．结果经分析得出其中水体晃动、地震激励方向、高内水压力、围岩种类，围岩非线性及衬砌的厚度都对衬砌的地震响应的影响很大．结论采用有限元理论分析了对衬砌的地震响应有影响的几个因素，为工程设计与施工提供了可靠的理论依据．     

压力隧洞渗透稳定的参数敏感性分析

为了研究压力隧洞渗透稳定性与围岩变模、围岩渗透系数、地应力、衬砌类型及厚度等的关系,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合计算模型,拟定了不同围岩渗透系数、不同围岩变模、不同初始地应力、不同衬砌类型及厚度等组合的一系列工况,运用上述计算模型对压力隧洞内水外渗进行了计算.根据计算结果,以隧洞综合透水率和破坏内水压力为渗透稳定性指标,对围岩渗透性、围岩变模、地应力及侧压力系数、衬砌是否配筋、衬砌厚度等影响因素进行了参数敏感性分析,给出了各参数对压力隧洞综合透水率及破坏内水压力的影响程度.研究成果可为压力隧洞设计,尤其是衬砌型式选择提供参考依据.     

注浆、衬砌作用下非线性渗流隧洞弹塑性解

为探求深埋隧洞在非线性渗流条件下围岩-注浆圈-衬砌体系的力学行为,引入Izbash非线性渗流模型,给出了围岩-注浆圈-衬砌体系的水头分布,基于统一强度理论,考虑塑性区可能的分布位置,在注浆、衬砌支护作用下对隧洞位移、应力和塑性区半径进行了理论推导.通过算例将理论解与数值解对比分析,验证了研究方法的可靠性,并进一步探讨了考虑非线性渗流对富水山岭隧洞支护设计的工程意义.研究结果表明:非线性渗流对隧洞弹塑性力学的影响主要体现在围岩水力梯度系数m_1;围岩从低速非线性渗流向高速非线性渗流转变过程中,塑性区半径和位移越来越大,围岩应力有所减小;应从隧洞围岩的非线性渗流角度考虑注浆圈、衬砌支护厚度设计.研究成果为非线性渗流隧洞支护设计提供了理论依据.     

有压引水隧洞内水外渗作用研究

基于Biot固结理论,对统一域混合模型进行改进,考虑了结构面的法向渗透特性,对高压内水外渗进行了渗流场-应力场耦合计算,以衬砌上钢筋应力变化为代表,反映内水外渗耦合计算分析下的结构应力状态的变化.并以衬砌上的微裂缝宽度、围岩渗透系数、岩体结构面的产状为影响因素,以衬砌外沿最大孔隙水压为系统特性,进行了敏感性研究.结果表明,高压内水外渗耦合计算分析步中钢筋拉应力变小;衬砌微裂缝的宽度是影响衬砌外沿最大孔隙水压的主要因素,围岩渗透系数为次要因素,结构面的产状对其影响最小,但是对孔隙水压的分布影响较大.     

运营期隧道衬砌非对称式破坏成因分析及数值模拟研究

宜万铁路广成山隧道K180+261～K180+306段边墙衬砌处发生纵向开裂、剥离,翘壳等灾害,隧道衬砌形成了典型的非对称式破坏模式.基于现场系统性的衬砌厚度、衬砌强度及衬砌侵限检测,并结合理论及数值模型分析了衬砌破坏模式及其孕育机制.研究表明,隧道右边墙衬砌厚度不足、病害段衬砌强度偏低以及既有溶洞共同作用导致了病害的发生.临近既有溶洞侧与远离溶洞侧的围岩应力存在明显差异,靠近围岩溶洞侧出现明显的围岩应力集中现象,进而加剧了衬砌的变形破裂.相比二衬厚度不足,既有溶洞是影响隧道应力分布及衬砌剥落的主要因素.研究为类似隧道病害的整治提供理论依据.     

基于粘弹性边界的河床式厂房地震动力响应分析

为分析河床式厂房在地震过程中的动力反应,评价其抗震安全性并找到其抗震薄弱部位及探讨地基辐射阻尼对厂房结构动力响应的影响,运用三维非线性有限元技术,对某厂房在地震过程中的动力反应及抗震安全性进行精确计算分析.其中采用粘弹性边界考虑地基辐射阻尼影响,采用流固耦合的方式考虑水体的作用.计算结果表明:河床式厂房动力响应受顺河向地震作用明显;上部结构动力响应大于下部结构;厂房上游部位动力响应大于靠下游部位:上游排架柱拉、压应力最大达到4.53、-5.58 MPa.同时,将计算结果与无质量地基方案计算结果进行对比得到:考虑地基辐射阻尼能有效降低河床式厂房的地震动力响应,最大降幅可达64.36%.     

地震对隧道围岩稳定性影响的数值模拟分析

利用ANSYS软件的谱分析，研究了地震对隧道围岩稳定性的影响规律，得出在不同岩性、跨度、地震波的类型情况下地震作用对隧道围岩产生拉应力和位移的特征，指出围岩的位移差异是破坏衬砌的主要原因，提出隧道支护应注意的问题，定量解释了大量调查资料中地震破坏隧道现象的成因。     

断层倾角与相对位置对隧道衬砌地震动力响应的影响分析

以江西都九高速公路断层破碎带区域温泉隧道为工程背景,采用有限单元和反应时程分析方法,研究了断层与隧道相对位置对衬砌结构地震响应的影响规律。结果表明衬砌加速度和位移响应峰值随着断层倾角的减小呈非线性增大,断层倾角为30°时的衬砌加速度、位移和应力响应峰值最大,其拉应力峰值为7.35 MPa,比无断层情况下的要大许多,出现在左拱肩位置。断层相对位置对衬砌位移响应影响较小,对衬砌加速度和应力响应影响较大,隧道穿越断层时,衬砌应力峰值最大,隧道位于断层下盘时衬砌应力峰值最小。     

大断面隧道支护结构地震反应特性分析

从围岩-支护结构-地震相互作用研究思路出发,利用ADINA非线性有限元软件,通过大断面隧道施工力学及瞬时动力时程分析,研究隧道支护结构在水平(Ya)、纵向(Za)及水平-纵向(YZa)不同地震加速度作用下的位移、应力反应特性.结果表明,水平地震加速度对支护结构的水平位移、最大主应力、加速度和速度影响大,纵向地震加速度对纵向位移、有效应力、最大及最小主应力、最大剪应力、加速度和速度影响都大.在Ya=0.191 g、0.440 g或Za=0.141 g及其YZa共同作用下,大断面隧道初期支护遭到破坏,二次衬砌局部损坏;在Ya=0.440 g或Za=0.326 g及其YZa共同作用下,隧道二次衬砌遭到损坏;在Ya=0.880 g或Za=0.652 g时,隧道支护结构可能会遭到严重破坏.     

岩溶隧道衬砌水压力分布统计分析及模糊评价

对国内典型岩溶隧道衬砌水压力实测数据进行统计,分析衬砌水压力的影响因素,主要包括:地质构造、围岩渗透性、岩溶水补给、岩溶水排泄和岩溶水垂直分带.基于实测数据研究不同防排水方式下衬砌水压力的分布规律,全排水设计时衬砌水压力很小,全封堵设计时衬砌水压力几乎等于静水压力,释能降压处理能大幅度降低衬砌水压力,堵水限排设计可通过控制排水量以降低衬砌水压力.在衬砌水压力实测数据统计分析的基础上,建立隧道水压力模糊综合评价体系,根据水压力模糊评价结果,对隧道防排水方式的选择提出建议.     

穿越断层隧道纵向地震响应规律解析解

隧道穿越断层区域在地震中易受到严重破坏,是隧道抗震设防的重点控制区域。针对现有设计方法很少考虑隧道穿越断层的现状,基于穿越断层隧道地震响应特点,将隧道沿纵向简化为三段位于不同地层条件的黏弹性地基上的剪切梁,推导了地震动下穿越断层隧道纵向地震稳态响应的解析表达式,建立了面向工程设计的穿越断层隧道纵向抗震简化分析方法。首先,采用Kelvin黏弹性地基上的剪切梁模拟衬砌节段,基于格林函数法、拉普拉斯正逆变换和留数法推导衬砌节段在荷载激励下沿纵向的响应。其次再结合衬砌连续性条件获得穿越断层隧道纵向响应解析解。然后通过与数值分析结果的对比分析,验证了该方法的有效性和可行性。最后采用该解析方法进行了敏感性参数分析,探究了边界条件、结构刚度、断层破碎带性质、地基阻尼等关键因素对穿越断层隧道结构地震响应的影响规律：（1）增大衬砌的弯曲刚度会减小衬砌上的位移响应,但同时会显著增大衬砌上的内力响应值;（2）加固断层围岩可减小衬砌在地震动作用下的位移响应,也使衬砌的内力响应减小,并能减小断层对隧道沿纵向地震响应的影响范围;（3）阻尼的存在使衬砌的振动沿隧道纵向出现异步性,加载波的频率越高,隧道衬砌振动的异步性越明显。该解析方法能够快速计算得到穿越断层隧道的地震响应,可为相关隧道工程的抗减震设计提供参考。     

双洞错距隧道洞口段地震动力响应数值模拟分析

为深入了解隧道在地震过程中的破坏机理及其洞口段的动力响应规律,以具有间距和错距的实际隧道为原型,建立数值计算模型并进行了计算分析.计算结果表明:1)对于双洞错距隧道,隧道洞口段衬砌横断面的相对位移、最大Mises应力和加速度幅值受地震荷载激振方向的影响较大.即使在同一方向地震荷载作用下,左、右洞洞口段的动态响应仍有较大区别,而隧道洞身段的动态响应相近.2)当地震荷载在某一方向或其他组合方向上施加后,衬砌上将同时存在空间上任意方向的加速度矢量,且衬砌加速度幅值在洞口处具有放大现象.     

水工隧洞混凝土衬砌地震动响应过程分析

地震作用下水工隧洞混凝土衬砌结构的动态响应是工程设计和安全评估的重要内容,而建立科学合理的混凝土动力本构模型以及内水与衬砌动力耦合作用分析方法是衬砌结构抗震研究的关键环节。基于应变空间静力损伤本构的基本思路,对三维应力状态下混凝土静态拉、压损伤变量进行定义和求解;在此基础上,考虑静、动态荷载作用下混凝土本构关系曲线的相似性特点,建立了适宜编程的混凝土动态损伤本构模型。基于单相固体介质和流体介质动力分析的显式有限元法,结合耦合界面的边界条件,建立了水工隧洞内水与衬砌耦合作用的动力显式有限元分析模型,该方法可以直接进行逐步积分,无需联立方程组求解,大大简化了计算过程,可以方便地用于分析多种介质的波动传播问题。针对某水电站引水隧洞工程进行了实例分析,计算结果表明：1)各部位混凝土衬砌处于同步震动状态,但腰拱部位位移明显小于顶拱和底拱部位;2)地震作用下混凝土衬砌迅速进入损伤开裂状态,腰拱部位衬砌应力增加明显,损伤破坏严重;3)开裂破坏区由腰拱逐渐向两端扩展,与内水直接作用的内层衬砌结构是抗震设计的薄弱环节。该模型能够合理地反映水工隧洞混凝土衬砌的地震动响应特性,并为水工隧洞抗震设计提供了一种有效的分析方法。     

地下水工隧洞围岩及钢筋混凝土岔管结构数值分析

随着高山峡谷地区大型水电工程的兴建,深埋地下水工隧洞的围岩稳定和内外水压力作用下衬砌应力变形等成为重点关注问题。从围岩开挖支护、围岩衬砌相互作用和钢筋混凝土有限元模拟等方面建立钢筋混凝土岔管段数值分析模型,以蒲石河抽水蓄能电站尾水岔管为例,分析了围岩的应力、变形问题以及混凝土岔管结构配筋和配筋后应力、裂缝开展等问题。围岩分析计算结果表明：在主、岔洞交叉处会产生拉应力,塑性区开展较深,同时主洞靠近岔洞侧和尾水支洞的两侧岩体塑性区也有较大的开展。岔管结构分析计算结果表明：正常运行工况在内水压力作用下岔管结构大部分区域存在拉应力,裂缝较大;检修工况在外水压力作用下仅在主、岔管交叉处存在拉应力区,裂缝较小。     

压力隧洞衬砌结构型式选择准则

为了从渗透角度给出压力隧洞衬砌结构型式的选择准则,采用渗流-应力-开裂耦合分析模型,进行一系列组合工况下的压力隧洞内水外渗分析,计算得到在不同工况下不同内水压力时的压力隧洞综合透水率.以综合透水率作为判断隧洞是否渗透破坏的标准,建立破坏内水压力与围岩综合抗渗指标的关系,拟合出不同容许吕荣值对应的破坏内水压力与围岩综合抗渗指标的关系曲线,作为钢筋混凝土衬砌与钢板衬砌以及不衬砌与钢筋混凝土衬砌的分界线.研究结果表明,当围岩综合抗渗指标<25时,必须采用钢筋混凝土或钢板衬砌;当围岩综合抗渗指标较大时,对低水头电站压力隧洞可不衬砌.     

水工隧洞检修期衬砌与围岩联合承载作用机理

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,外水压力是其承担的主要荷载之一.结合某水电站工程实例,建立其发电引水隧洞的有限元数值分析模型,针对衬砌与围岩有条件联合承载作用特征,对衬砌外围岩变形模量进行折减以反映围岩的作用,并引入具有一定抗拉强度的薄层单元量化反映衬砌与围岩有条件联合承载能力.结果表明:与衬砌完全单独承载外水压力计算结果相比,围岩在承担外水压力中的作用不容忽视,且随着外围岩体变形模量的增加,其所分担的外水压力越大;采用薄层单元量化后,衬砌与围岩的联合承载机理更为明确,薄层单元开裂前,围岩承担外水压力较多,薄层单元开裂后,衬砌承担外水压力较多,因而要确保回填灌浆和固结灌浆质量,以提高衬砌与围岩联合承载能力.     

隧底富水围岩脱空条件下重载铁路隧道动力响应

为研究隧底围岩脱空对水-力耦合作用下重载铁路隧道动力响应特性的影响,采用现场试验与数值模拟相结合的方法,分别以竖向位移、孔隙水压力和竖向动应力作为评价指标,分析了不同脱空形状(椭圆、余弦和矩形)下富水隧底结构的动力响应规律,提出了一种符合实际的脱空形状,确定了富水隧底围岩的脱空阙值。研究结果表明：随着脱空宽度的增加,隧道底部结构动力响应不断增大,且脱空宽度超过一定值后动力响应变化加剧,这种现象在脱空区域尤为明显;3种脱空形状下,以矩形脱空动力响应最大,椭圆形脱空次之,余弦形脱空最小;其中,椭圆形脱空最符合实际,该脱空下基底动力响应是无脱空情况下的4.2倍,隧道底部围岩脱空阙值为0.6 m。研究结果可为富水重载铁路隧道行车安全及脱空病害整治提供依据。     

隧道洞口软硬围岩交接段地震响应大型振动台模型试验研究

为提高强震区交通隧道洞口段的地震安全性和结构抗震性能,以汶川地震白云顶隧道进口段为研究背景,开展了隧道洞口软硬围岩交接段地震响应的大型振动台模型试验研究。介绍了试验方案设计,主要包括试验设备、相似设计、动力荷载、动力特性及加载制度。对试验数据进行了分析,主要研究了隧道洞口软硬围岩交接段由硬岩向软岩方向发展过程中隧道结构地震动峰值加速度（PGA）、纵向应变、接触应力及结构内力的空间变化规律。研究结果表明：隧道洞口软硬围岩交接段由硬岩向软岩方向发展,隧道结构PGA放大系数由1.04增大至1.68,纵向应变增加倍数由1.09增大至4.29,接触应力增加倍数由6.34增大至32.16,安全系数最小值减小百分比由26.18%增大至53.48%;随着受软岩影响的增大,作用于隧道结构的地震惯性力和强制位移不断增加,致使结构安全性不断降低。研究成果可为高烈度地震区交通隧道抗震设防设计提供参考。