隧道两种减震措施的数值模拟研究

目前隧道的减震措施主要有两种,即设置减震层和抗震缝。本文以黄草坪隧道为研究对象,应用有限差分程序FLAC3D对其进行地震响应的数值模拟研究,分别从围岩和衬砌的应力、加速度及位移方面探讨了这两种减震措施的效果,同时对比不同抗震缝间距时围岩和初期衬砌的纵向应力。研究结果表明,减震层和抗震缝的减震作用比较明显,应根据工程抗震的要求选择不同的减震措施。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

软土矩形地铁隧道地震反应特性分析

为研究在不同类型的软土地层条件下地铁隧道的地震反应特性,本文选用El-Centro波作为隧道基岩处水平输入的地震波,利用大型有限元软件ANSYS分析上海矩形地铁隧道在三种典型场地中的地震反应特性,获得了矩形隧道在三种场地中的地震反应规律,结果表明:处于软土地层中的矩形地铁隧道,应力的抗震薄弱位置在衬砌形状突变处,水平位移的抗震薄弱位置在隧道顶部,水平加速度的抗震薄弱位置在隧道底部,设计时应加强薄弱部位的抗震设防,这为矩形地铁隧道抗震设计提供了参考依据。     

走滑断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析

为了能够较快速、较准确地估计出穿越活断层城市地铁隧道的抗震薄弱部位,基于拟静力弹塑性有限元方法,以北京地铁7号线工程的区间隧道作为研究对象,采用数值模拟的方法研究了在走滑断层位错作用下地铁隧道的非线性反应。通过在数值计算模型中嵌入合理的损伤塑性本构模型,利用损伤指标研究了走滑断层下衬砌结构的破坏形式,重点分析了结构损伤的开始部位、发展过程以及最终的损伤程度,并建立了能够估计结构损伤范围及破坏最严重位置的统计关系式。结果表明,在走滑断层作用下衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近一定范围内,拱腰部位的损伤最为严重;增加基岩上覆土层厚度能够减轻衬砌结构的破坏程度,当基岩上覆土层厚度大于等于临界覆盖土层厚度时可以不考虑走滑断层断裂对于浅埋隧道的影响。衬砌结构损伤区域长度与震级的大小和土层厚度有关,损伤最严重的位置随土层厚度的变化而改变。研究成果为穿越活断层地铁隧道的抗震设计和安全性评价提供了参考依据。     

西安地铁正交地裂缝隧道的模型试验研究

以西安地铁二号线穿越地裂缝的区间隧道为对象,通过几何相似比尺50:1的物理模型试验,开展了地裂缝活动条件下地铁隧道骑缝（变形缝与地裂缝一致）正交穿越地裂缝时衬砌结构与围岩相互作用机制的试验研究。结果表明,在地裂缝发生各级错动位移条件下,不同围岩应力场的围岩土压力、衬砌结构应力及其不均匀沉降位移变化规律相似;上下盘内的衬砌结构之间具有明显的错断位移,下盘内衬砌结构的沉降量越小,上盘内衬砌结构的沉降量越大,均呈渐变趋势;上盘内衬砌结构应力、围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而减小,下盘衬砌结构应力和围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而增大,围岩土压力和衬砌结构应力的增量峰值均发生在地裂缝附近。模型试验研究研究结果对于分析地裂缝活动区间地铁隧道工程的运营及维护具有重要的理论与实际意义。     

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。     

考虑时程竖向加速度的Newmark滑块位移法

利用改进的Newmark滑块位移法,采用时程竖向加速度计算屈服角加速度,运用拟静力极限平衡分析和地震动力反应分析计算土工结构地震永久变形。算例计算结果表明,屈服角加速度计算采用时程竖向加速度得到的滑动位移位于竖向加速度假定恒定向上或向下之间。适当改变筑坝土石料的动力刚度,研究了滑动体位移关于动力刚度的敏感性,为土工建筑物的抗震设计提供依据。     

土-地下结构体系地震反应的简化分析方法

基于Penzien提出的土-结构动力相互作用分析的集中质量模型,考虑等价土体的层间剪切刚度与阻尼效应,提出了土-地下结构动力相互作用体系地震反应分析的简化分析方法,选取具有不同地震动特性的Taft波、汶川地震什邡八角波和松潘波作为基岩水平向输入地震动,采用该简化方法和二维有限元法对土-地铁地下车站结构体系的地震加速度反应特性进行了对比分析,结果表明：简化方法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应大于二维有限元法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应,两者的差异与输入地震动特性有关,但其随地铁地下车站结构高度变化的总体趋势较为一致;随着输入地震动强度的增大,其差异程度也有所加大。该简化方法可合理反映土-地下结构体系的动力相互作用效应,可作为地下结构抗震设计分析的一种辅助方法。     

高陡边坡组合式支挡结构大型振动台试验研究

为研究上部采用锚索框架结构、下部设置为桩板墙的组合式支挡结构的抗震性能,开展了大型振动台模型试验。通过输入不同强度大瑞波测试了组合结构的加速度响应和动土压力响应,同时将动土压力的实测值与规范法、Mononobe-Okabe法（M-O法）的计算值进行了对比研究。研究表明：（1）组合式支挡结构在不同强度地震动激励下水平向和竖直向加速度沿坡高有不同程度的放大,且输入的激振加速度幅值越大,放大效应越明显;（2）组合式支挡结构下部桩板墙墙后的动土压力强度随激振加速度幅值的增大而增大,沿着墙高呈现出上部小、下部大的分布特性;（3）动土压力强度的计算,在低烈度区使用规范法和M-O法是合理的,但在高烈度区需要对规范法和M-O法进行修正。     

土石坝下游坝坡砌块在地震作用下的稳定性评价

分析了用水平最大反应加速度这一指标评价坝坡散粒体在地震作用下的稳定性的不足,以护坡用的砌块为研究对象,提出了砌块逸出安全系数Ks的公式,使对坝坡散粒体稳定性的评价由定性发展到定量阶段。计算Ks时综合考虑了砌块水平和竖向反应加速度和坡角等因素,使评价相当合理。用所提方法分析了一面板堆石坝下游坡砌块在地震作用下的稳定性。     

复杂地形条件下高面板堆石坝动力反应分析

面板堆石坝具有良好的抗震能力的特性已被数次强震证明,但其动力反应依然是一个值得关心的问题,尤其是在坝高跨入300 m级、河谷地形条件较复杂等情况下。采用等价黏弹性模型,对复杂地形（河谷呈不规则“W”形）条件下高面板堆石坝的动力反应进行分析,得出复杂地形条件下混凝土面板堆石坝（CFRD）坝体、面板的动力反应分布较单一地形条件下复杂,但规律基本相同;最大的动力反应加速度发生在坝体最大断面坝顶位置,最大竖向动位移约为坝高的0.3%;受右岸古河床和左岸陡边坡的影响,右岸的轴向和顺河向动力加速度放大倍数大于左岸,垂直向动力加速度放大倍数反之;古河床位置有一个明显的沉降区域。根据分析结果,复杂地形条件下高面板堆石坝的破坏形式主要有下游坝坡失稳破坏、面板拉裂和震陷超标等。最后提出可采取的抗震措施以供讨论。     

Effects of dynamic shear strength and time-histories stress analysis on newmark sliding block analyses

A simplified procedure for evaluating aseismic stability of slope subjected to earthquake shaking, in which the effect of dynamic shear strength and time-history stress on the yielding angular acceleration of sliding block is taken into account, is presented. The fundamental feature of this procedure is the dynamic shear strength. The numerical computations are performed by using the proposed method. It is shown that the computed sliding displacement for a given core dam, with either method of dynamic shear strength properly considered, is more rational compared with the conventional computational results based on static shear strength.     

地下结构地震破坏静-动力耦合模拟研究

地下结构地震破坏过程模拟是研究地下结构抗震性能的有效手段,通过人工边界条件设置将围岩土体的自重应力作为动力响应模拟的初始状态,实现了地下结构地震响应静-动力耦合数值模拟。基于有限元分析软件ABAQUS,将极限剪应变作为破坏标准,采用生死单元法模拟了地下结构的地震破坏过程,通过结构埋深考虑了初始地应力对地下结构抗震性能的影响。模拟结果表明,地下结构的抗震性能存在一个最不利埋深,即最容易地震破坏的埋深,当结构的埋深超过最不利埋深时,结构的极限抗震能力增强,若结构产生地震破坏,则结构埋深越深即初始地应力越高其破坏程度也越强。     

乌东德高拱坝极限抗震能力研究

乌东德水电站是金沙江下游河段上4个水电梯级的最上游梯级,大坝为265 m高的双曲拱坝。采用非线性有限元法,将拱坝坝体-坝基作为一个整体系统,在考虑坝体横缝影响及无限地基辐射阻尼影响基础上,模拟坝肩控制性滑块各滑裂面在地震作用下张开、滑移的非线性力学行为,研究设计与校核地震作用下大坝的抗震性能,探讨大坝-坝基整体系统在强震作用下的抗震潜力。研究结果表明：设计地震条件下,坝体仅在拱端应力集中区域拉应力超过抗拉强度,压应力则均满足强度要求,坝肩块体稳定,大坝-坝基体系的整体安全性可以保证;校核地震条件下,坝体应力值略有增加,能够满足不溃坝的设防要求;以大坝-坝基代表性的位移、变形量变化曲线的拐点作为评价极限抗震能力的标准,可知拱坝-坝基体系的抗震超载安全系数为2.7,相应的基岩水平向峰值加速度0.729g,拱坝-坝基体系抗剪参数强度储备安全系数为2.0,乌东德高拱坝具备较强的极限抗震能力。     

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。     

锚固上覆红黏土岩体边坡的地震动力响应

基于云南省S214思茅-江城二级公路某一边坡,利用有限差分软件FLAC3D中动力分析模块,研究了地震作用下锚杆支护的上覆红黏土岩体边坡的动力响应。基于土体与支护结构相互作用及其协同工作,建立了三维有限差分模型,给出了阻尼和动力作用下边界的选取方法,分析了地震作用下锚杆支护上覆红黏土岩体边坡的动力响应规律,研究了在地震作用下锚杆支护边坡的抗震效果。结果表明：地震作用后各层锚杆轴力和砂浆的剪应力都有所增大,但每层锚杆轴力的增幅都各不相同,锚杆轴力沿全长分布不均匀,且各层锚杆轴力均在红黏土与基岩的交界处最大,剪应力则表现为整体增大的趋势而且最大值向坡面靠近,地震作用前、后剪应力的最小值都是在红黏土与基岩的交界处;地震作用下锚杆的支护很好地限制了边坡的变形,加大了边坡的延性,具有很好的抗震性能;边坡在地震作用下产生了永久位移;坡体内加速度在竖向随高程增加而增大;平台的设置削弱了坡面加速度的增大趋势,起到了一定减震作用。研究结论对锚杆支护边坡的抗震设计与动力分析有一定参考价值。