穿黄隧洞地基地震反应分析与液化可能性评价

南水北调中线穿黄隧洞所在土层的空间及土性变化大,在地震时易产生不均匀变形,从而导致结构破坏。针对穿黄隧洞段地基,基于土体三维弹塑性动力本构模型,考虑孔隙水压力消散和扩散,建立了土工地震反应分析的三维真非线性有效应力动力分析方法及抗震安全评价方法。利用土料动力特性的三轴试验成果,对穿黄隧洞段地基进行了地震反应分析,给出了地基的加速度反应、应力反应,并进行了地基的液化可能性评价,为隧洞结构的抗震设计提供了有力的理论指导。     

升降温工况下海底沉管隧道接头抗震性能研究

以国内某跨海交通工程中海底沉管隧道段为工程背景,基于反应位移法基本原理建立了考虑接头弹簧刚度和土弹簧刚度影响的纵向梁-弹簧有限元模型。在非一致地震激励下,考察升降温工况对沉管隧道接头刚度的改变及由此引起的管节接头处张开量的变化,以此判断升降温工况对沉管隧道抗震性能的影响。研究表明,升温工况下管节接头的张开量减小,对结构的抗震是有利的;而降温工况下管节接头的张开量增大,对结构抗震是不利的。     

沉管隧道的动力响应分析

为了研究沉管隧道的动力响应规律,基于波动理论,并结合有限元分析软件ADINA,建立了海床-沉管隧道二维简化模型,进而分析了隧道刚度、地震波峰值加速度对沉管隧道地震响应的影响。分析结果表明:隧道结构刚度的增大,柔性降低,隧道结构的弯矩和剪力有较大增长,轴力幅值降低,隧道顶底板相对位移逐渐减小。另外随着地震波加速度峰值的增大,隧道结构的内力幅值、隧道顶板和底板的相对位移峰值均增大,且中间墙的变形稍大于侧墙。     

非一致激励下长距离输水隧道地震响应分析

近年长隧道结构震害频发,随着调水工程大规模建设,长距离输水隧道抗震性能的重要性愈加突出。在隧道传统抗震分析方法的基础上,针对非一致地震动作用下地基土-长距离输水隧道体系的地震响应问题,建立了非一致激励下长距离输水隧道的大规模地震响应分析方法,并以上海市某重点工程中的长距离输水隧道为工程应用,计算模型中不仅考虑了土体的动力滞回非线性、土体与隧道之间的接触非线性等因素,而且引入"附加质量法"来考虑地震作用下输水隧道内水体的动水压力作用。与一致激励的计算结果对比表明,非一致地震激励会显著增加输水隧道结构的内力和变形响应,从而对隧道抗震产生不利影响。研究结论可为长输水隧道结构的抗震设计和分析提供科学依据。     

饱和砂土的动力渗流变形计算

(一)原文作者用非线性平面有限法,按有效应力原理对饱和砂土进行地震反应分析,同时考虑了动孔隙水压力扩散与消散及残余变形,提出了相应的计算方法与电子计算机程序,并附有算例。这类问题是近年来国际上用有限元法对地震液化进行计算研究的重要课目,本文作了进一步的发展与改进。本方法可计算地震时饱和砂层中任一点的加速度、动剪应力、动剪应变、动孔隙压力消长及土体变形的过程线,可供地基、土坡、堤坝等实际工程抗震设计的应用。     

液化砂土流态运动模型试验系统的研制及应用

液化后的砂土具有流体的特性,在一定的初始条件下会发生侧向流动。砂土液化流动的模型试验系统包括自制的水平单向震动台、可倾斜的透明模型槽、孔压量测仪、高速摄像监控装置等主要装置。在模型试验中,首先利用水平单向振动台使砂土达到液化,然后将模型槽倾斜一定角度使液化后的砂土产生侧向流动,同时通过摄像监控装置对液化砂土的流滑构型特性进行捕捉,并对砂土地震液化的土体流动速度、流动范围和流动冲击力等流体动力学特性进行试验研究。验证试验表明：该模型试验系统可在较短时间内,有效地激发饱和砂土达到液化状态,并清晰地捕捉到液化砂土在不同坡度下流态化运动的构型特征。该试验系统可用于区域性砂土地震液化流体动力学特性的基础性研究,有助于完善地震液化试验模拟方法,为工程场地抗震设计以及灾后重建选址提供科学试验手段。     

非一致激励下长距离输水隧道地震响应分析

近年长隧道结构震害频发，随着调水工程大规模建设，长距离输水隧道抗震性能的重要性愈加突出。在隧道传统抗震分析方法的基础上，针对非一致地震动作用下地基土－长距离输水隧道体系的地震响应问题，建立了非一致激励下长距离输水隧道的大规模地震响应分析方法，并以上海市某重点工程中的长距离输水隧道为工程应用，计算模型中不仅考虑了土体的动力滞回非线性、土体与隧道之间的接触非线性等因素，而且引入“附加质量法”来考虑了地震作用下输水隧道内水体的动水压力作用。通过与一致激励的计算结果对比，表明非一致地震激励会显著增加输水隧道结构的内力和变形响应，从而对隧道抗震产生不利影响。研究结论可为长输水隧道结构的抗震设计和分析提供科学依据。     

液化砂土流态运动模型试验系统的研制及应用

液化后的砂土具有流体的特性，在一定的初始条件下会发生侧向流动。砂土液化流动的模型试验系统包括自制的水平单向震动台、可倾斜的透明模型槽、孔压量测仪、高速摄像监控装置等主要装置。在模型试验中，首先利用水平单向振动台使砂土达到液化，然后将模型槽倾斜一定角度使液化后的砂土产生侧向流动，同时通过摄像监控装置对液化砂土的流滑构型特性进行捕捉，并对砂土地震液化的土体流动速度、流动范围和流动冲击力等流体动力学特性进行试验研究。验证试验表明：该模型试验系统可在较短时间内，有效地激发饱和砂土达到液化状态，并清晰地捕捉到液化砂土在不同坡度下流态化运动的构型特征。该试验系统可用于区域性砂土地震液化流体动力学特性的基础性研究，有助于完善地震液化试验模拟方法，为工程场地抗震设计以及灾后重建选址提供科学试验手段。     

振动沉管桩机与柴油锤联合施工挤密砂石桩的应用

建筑中对于软土地基的处理方法多种多样,挤密砂石桩是在振动沉管桩机的振动作用下,把套管打入规定的设计深度,套管入土后,挤密了套管周围土体,然后投入砂石,再将砂石排入土中,振动密实成桩,多次循环后就成为砂石桩。桩与桩间土形成复合地基,从而提高地基的承载力和防止砂土振动液化。我国幅员辽阔,地质状况千变万化,目前单一的振动沉管桩机施工挤密砂石桩具有一定的局限性。     

地基液化离心机试验的数值分析及验证

地震液化数值分析方法的可靠性验证研究是开展实际工程液化安全评价的前提条件。采用基于u-p形式的Biot动力固结方程的非线性有限元程序GEODYNA,对液化试验和分析项目(LEAP)中的饱和斜坡地基离心机模型试验进行了动力弹塑性有效应力数值分析,其中土体采用改进的广义塑性模型。结果表明:数值模拟的加速度反应谱和加速度时程与试验数据基本吻合;数值模拟再现了试验中孔隙水压力的累积、发展和消散规律,并再现了循环剪切作用下土体应力路径的发展规律和土体的剪胀现象;数值模拟合理地反映了残余变形的累积发展过程,并且数值模拟得到的地基变形分布规律与试验规律相符,变形量值也基本在试验的包线内。研究成果验证了该地震液化分析方法的可靠性,可以为工程液化安全评价提供有效的数值分析方法。     

衬砌厚度对地下交叉隧道地震响应的影响

以某地下立体交叉隧道结构为例,探讨了不同方向相同地震波分别激励下衬砌厚度对该类结构动力响应的影响。依据土与结构动力相互作用理论,针对切片的二维计算模型对地下隧道结构进行抗震分析不能完整体现结构地震响应规律的不足,应用有限元软件ADINA建立了土-地下立体交叉隧道群三维整体有限元计算模型,对该地下结构进行了地震时程分析。计算结果表明:衬砌厚度增加,结构位移与应力响应有所减小,加速度响应有所增加,且影响程度不一。计算结果可为类似结构抗震设计提供必要依据。     

土-隧道结构动力相互作用振动台模型试验中传感器位置的优选

基于有限元-无限元耦合分析模型,对软土地区地铁盾构隧道地震动力响应进行了分析,研究了不同地震动输入条件下地基-盾构隧道体系的加速度反应、位移反应和动应变规律,根据土-结构地震响应影响因素及特点提出了传感器的布置原则,明确了振动台试验中隧道结构的观测面位置及测点处的主要观测指标。结果表明:地基土对地震波的传播具有高频过滤、低频放大作用,地基中的加速度放大系数与埋深和加载波形有关;隧道结构动应力反应在与拱顶、拱底成30°圆心角附近达到最大,是应变量测的重点位置;结构不同高度处的加速度反应和接触土压力不同,沿结构高度布置传感器可量测各点动力差异及变化规律;观测面距离结构端部0.26D(D为结构宽度)处的端部效应可达13.58%,约为观测面距结构端部1D处的3倍,在选择主、辅观测面时应尽量远离结构端部1D。提出的量测方案为开展地铁盾构隧道振动台模型试验数据采集提供了保证,亦可为其他地下结构模型试验测点布置提供参考。     

考虑隧道间相互作用的黄浦江打浦路隧道抗震性能研究

在传统有限单元法中引入了粘弹性边界,建立了隧道动力时程分析模型。通过与离心振动台模型试验进行对比,验证了本方法的合理性。然后,建立了隧道结构的三维有限元动力分析模型,研究了在地震荷载作用下,复线隧道和既有隧道之间的动力相互作用,重点分析了施工加固措施、净化设备的安装、隧道管片变形缝等因素对于复线隧道抗震性能的影响,结果表明:隧道间的相互作用随间距的增大而降低,施工加固措施明显降低了结构的动力响应,净化设备对隧道结构地震响应无明显影响。     

液化场地堤坝地震响应动态土工离心试验及模拟

基于动态土工离心机试验和多重剪切机构模型的有效应力分析方法,研究了不同地震强度下,液化场地堤坝的地震响应和大变形特征。动态土工离心机试验的液化场地模型,由相对密度为30%的饱和砂土构成,输入正弦波峰值分别为0.8056、1.7903和3.133m/s2。并采用有效应力分析有限元程序对堤坝的动点响应进行数值模拟,计算结果与模型试验结果相吻合。在此基础上研究了堤坝的加速度、变形以及下卧液化场地中的超孔隙水压力分布规律,分析了液化场地不同位置土层中的有效应力路径变化规律。研究得出,液化场地堤坝顶和坝趾在地震作用下会发生较大的沉降和侧向扩展,且随地震强度加大而增大。堤坝下卧浅层液化土的超孔隙应力比相对较小但其体积变形较大,坝顶的残余沉降可达1.4m,地震中堤坝底部土体同自由场地土体的有效应力路径和应力-应变特征不同。土工离心机试验结果同数值解析结果基本吻合。     

沉管隧道接头竖向钢剪力键剪切荷载分配分析

为研究沉管隧道接头各组剪力键在竖向剪切过程中的剪力分配及随外荷载的变化规律,展开了沉管隧道管节接头的竖向剪切试验。试验根据之前沉管隧道试验经验、场地条件、加载能力以及测量手段,设计试验沉管管节接头模型,其中包括管节尺寸及配筋、竖向剪力键构造及GINA橡胶止水带等等。针对此试验的加载情况,自主研发了一种多维多向自平衡式加载反力装置。该装置不受场地限制,可多方向进行加载,也不需要地锚、剪力墙等限位装置便可自平衡。试验时首先在管节轴向施加正常运营时的最低轴压荷载,然后在接头位置垂直管节轴向逐级施加竖向剪切荷载,以测试每级竖向荷载下接头竖向相对位移、钢剪力键齿应变。试验结果表明:管节接头各组剪力键竖向位移不相同,右侧竖向位移大于左侧;同组剪力键相对键齿上的剪切应力分布不对称,键齿间接触面发生了6 mm水平向偏移。各组剪力键分担的剪切荷载与其钢键齿和齿间橡胶支座的刚度有关,并非设计时预想的平均分配。     

水下盾构隧道地震液化数值分析

砂土地震液化会造成地基失效和结构受损,因此场地液化判别至关重要。国内外规范中的液化判别方法简单实用,但均存在局限性。为更准确、全面地进行场地液化判别,利用三维有限差分程序FLAC^3D,结合孟加拉卡纳普里河底盾构隧道项目,对典型钻孔位置土层的抗震液化特性进行数值分析。利用FLAC^3D中的FINN模块建立土层三维模型,在重力平衡和水压力平衡后施加合理的地震波,进行动力计算,计算模型每个单元在计算过程中的最大超孔压比,若最大超孔压比=1,则该位置土体发生液化;若最大超孔压比<1,则该位置土体不会液化。计算后,部分土体的最大超孔压比=1,其他范围土体的最大超孔压比均<1。研究表明该地区土层会发生地震液化,且不同位置处液化深度不同、液化范围也不同,该数值分析液化判别结果与规范法判别结果一致。     

岩-土交界面处超大直径过江盾构隧道地震响应特征

以武汉市三阳路超大直径过江“公铁合建”盾构隧道工程为依托,探讨了强震作用下岩-土交界面处隧道的损伤演化规律及地震响应包络特征。基于ABAQUS软件研发的动力有限元计算平台,建立了双隧道(含内部构件公路板与竖向隔板)-土体有限元模型,土体本构采用了修正的Davidenkov黏弹性动力本构模型,混凝土本构采用损伤塑性模型以模拟其开裂、损伤特征。计算结果表明:在岩-土交界面附近,盾构隧道衬砌的加速度、位移及应力响应均出现突变;由于隧道结构穿越了软硬土层,其破坏始于拱腰的退出工作,进而衬砌内部构件节点破坏,拱肩最后破坏;衬砌拱腰处的破坏区域均在岩-土交界面附近的软土层中;衬砌内部构件的存在使得超大直径衬砌拱侧的水平剪应力明显减小。     

超固结因素影响下桩柱结构地震响应

地震荷载作用下饱和地基的循环加载响应以及动力液化问题成为地震工程研究中的重要课题。为更好研究饱和地基在考虑超固结因素下的影响及其在循环加载下的演化规律, 在下负荷面剑桥模型理论框架下分别通过排水和非排水三轴压缩试验对循环加载下土体的加载响应进行数值模拟研究。在以上研究基础上, 基于ADINA81平台开发负荷面剑桥模型本构关系模块, 建立两相饱和地基下的桩-土耦合体系的动力非线性有限元数值模型, 对不同模型下桩柱结构的地震响应进行了数值模拟对比研究。研究发现在下负荷面剑桥模型下结构的动力响应数值模拟结果介于弹性模型与经典剑桥模型之间, 考虑超固结因素影响后, 地基表现出更好的抗液化特性与更高的承载能力, 能改善结构的动力响应与受力状况。     

水工隧洞地震作用计算模型的适用性研究

针对水工隧洞在地震作用下的计算问题,对水工隧洞地震作用计算模型进行了计算对比和适用性研究。分析常用的4种计算模型用于计算水工隧洞地震作用的可行性,通过理论和数值计算确定"径向和切向反力弹簧模型"的计算参数,研究了地震作用下隧洞上方计算土体对隧洞衬砌的作用方式。结合试验验证,该方法和数值计算对比的结果表明:围岩的法向和切向弹性抗力系数受隧洞埋深、围岩类型和衬砌不同部位的影响,随埋深的增加先增大,然后趋于一个定值,围岩条件越好,数值越大,在隧洞两侧部位的数值较大;在地震作用下,隧洞上方计算土体以切向力的方式作用在隧洞衬砌的上半部分,可以通过将隧洞上部计算土体分条后进行计算。该方法可充分考虑地震对隧洞的动力和约束作用,适用于水工隧洞抗震计算。     

考虑结构性影响的黄土隧道围岩力学响应分析

针对目前黄土隧道变形分析中未考虑围岩结构特性的现状,以平面应变试验为载体,研究了结 构性参数与强度参数、围压、含水率及剪应变之间的关联模型;运用ＦＬＡＣ3Ｄ数值软件建立实体隧道三维 模型,采用Ｆｉｓｈ语言程序编写,将结构性引入到隧道变形计算中,主要分析围岩土体结构变化对隧道变 形的影响。研究结果表明:土体结构性对隧道变形的影响规律,即考虑结构性影响时隧道沉降偏大,传 统研究结果偏不安全,需加以重视;提出了通过结构性参数变化规律确定围岩松动圈的思路,为结构性 的进一步工程应用提供参考。