地层错动引起的上覆砂层变形特性的离心试验研究

地层错动引起的基岩上覆土体变形对地表的建筑物、地下管线和隧道的安全带来潜在危险。为减小这种危险给人们的生命财产带来的损失,掌握地层错动引起的上覆土层的变形行为规律,通过土工离心试验,采用PIV图片测距技术,研究不同基岩错动量下竖向正断层错动造成的地表变形特点和断层裂缝在砂层中传播的规律。通过分析试验得到位移和应变场,得到以下几点认识:(1)不均匀沉降地表宽度(剪切区)并不随基岩错动位移的增大而线性增大,尤其在下盘,其宽度增大幅度很小;(2)基岩向下错动给上盘带来的干扰和破坏大于下盘;(3)裂缝传播整体传播方向偏于上盘。主裂缝的总体传播方向与断层平面的夹角约等于土体在土层平均围压下的剪胀角。当裂缝传至土体上部时,传播角会向上盘偏转而变大。     

胶结黏土中正断层扩展的变形和孔压变化研究

基岩断层错动而引起的上覆土体变形会对地表以及地下结构物造成破坏。上覆土体的胶结特性和隐伏断层的存在,使得断层错动的变形机制更为复杂。采用滤纸技术模拟隐伏断层,通过2组离心机试验研究胶结土体中正断层裂缝的扩展机制及伴随的孔压变化规律。对土体的变形分析和孔隙水压力的监测加深了对地裂缝的认识。研究发现,正断层错动引起胶结黏土的变形机制为受弯变形。隐伏断层使得土体受弯区变小、土体破坏程度加剧。胶结黏土受弯形成的地裂缝分为张拉裂缝和剪切裂缝,这些地裂缝的发展为超孔压的消散提供了优势路径。     

胶结黏土中正断层扩展的变形和孔压变化研究

 基岩断层错动而引起的上覆土体变形会对地表以及地下结构物造成破坏。上覆土体的胶结特性和隐伏断层的存在,使得断层错动的变形机制更为复杂。采用滤纸技术模拟隐伏断层,通过2组离心机试验研究胶结土体中正断层裂缝的扩展机制及伴随的孔压变化规律。对土体的变形分析和孔隙水压力的监测加深了对地裂缝的认识。研究发现,正断层错动引起胶结黏土的变形机制为受弯变形。隐伏断层使得土体受弯区变小、土体破坏程度加剧。胶结黏土受弯形成的地裂缝分为张拉裂缝和剪切裂缝,这些地裂缝的发展为超孔压的消散提供了优势路径。     

逆断层地表变形及避让距离的离心模型试验研究

断层同震错动引起的地表变形破坏是工程场地评价中的难点之一,如何合理避开同震地表破裂带是工程选址必须解决的问题,关键在于能否准确预测发震断层错动过程中的地表变形演化特征.基于土工离心模型试验过程中获取的高精度地表监测数据,定量分析给出了断层面倾角为60°且厚度约为40 m的上覆砂土在不同基岩位错下的地表变形和坡度变化规律...     

断层错动引发基岩上覆土层破裂过程模拟

 利用有限元方法对断层基岩错动引发上覆土层破裂过程进行数值模拟,展示场地土层破裂形成和扩展特征,以及场地地表出现破裂并不一定形成土层贯通破裂的地震现象。研究表明,土层破裂始于土层与基岩的交界面并向上扩展,而随着断层基岩错动量的增加,场地地表出现破裂(单个或两个)并向下扩展,在断层基岩错动量达到一定值时上下扩展的破裂在土层某一深度位置相连形成土层贯通破裂;不同的断层基岩错动量和覆盖土层条件将导致隐覆破裂、非贯通地表破裂和贯通破裂3类不同的场地地震破裂现象。研究进一步揭示土层厚度和特性对土层破裂特征的影响。当出现地表破裂时,土层越厚破裂带的宽度越大,砂土形成的破裂带宽度小于黏土;土层越硬,越易于形成贯通破裂;土层厚度和土质特性对土层破裂的破裂角影响不明显;对于逆冲断层,地表土层初始破裂出现所需的基岩位错量约为贯通破裂位错量的80%或更小,50 m以内的覆盖土层产生贯通破裂的基岩位错垂直量小于上覆土层厚度的5%。     

逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究EI北大核心CSCD

以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。     

逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究

以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。     

断层错动对上覆土体及隧道影响的模型试验

通过砂箱模型试验,采用FBG传感器,研究隧道距基岩面不同距离时隧道顶部和底部纵向应变变化规律,试验结果表明:随着隧道距基岩面距离的增加,隧道变形极值点的位置向错动迹线左侧区域移动,出现在错动迹线左侧0～15 cm的范围内;在上覆土体厚度一定的情况下,隧道距基岩面距离存在着一个最不利值,该位置的隧道衬砌在断层错动时,被破坏的可能性最大;随着隧道距基岩面距离的增加,断层传播到地表的水平传播距离减小。     

60°倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影响的试验研究

通过1∶50室内模型试验,模拟了60°倾角正断层黏滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变。试验结果表明,地层的永久变形和地层-结构的相互作用,导致了围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.3m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域,在剪切带和下盘范围分别为0.75和1.5倍隧道宽度。     

75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

 通过1∶50室内模型试验,开展75°倾角正断层黏滑错动影响下隧道的受力变形机制研究,并监测隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向和环向应变。结果表明,地层的永久变形和地层–结构的相互作用,导致围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘范围内为正,下盘范围内纵向弯矩为负;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D = 1.25 m,理论上该值略偏大。     

Performance of geosynthetic-reinforced soil foundations across a normal fault

This paper presents a series of model tests on geosynthetic-reinforced soil (GRS) foundations across a normal fault. The aim was to evaluate the performance of reinforced foundations as a mitigation measure for surface faulting hazards. Experimental tests modeled a 3-m thick foundation in prototype subjected to a fault displacement up to 90 cm. Test variables included the number of reinforcement layers, reinforcement stiffness and location, and foundation height. Digital image analysis techniques were applied to determine the ground settlement profile, angular distortion, shear rupture propagation, and mobilized reinforcement tensile strain at various magnitudes of fault offset. Test results revealed that compared with the unreinforced foundation, reinforcement inclusion could effectively prevent the shear rupture propagating from the bedrock fault to the ground surface. It also spread the differential settlement to a wider influential zone, resulting in an average reduction of 60% in the fault-induced angular distortion at the ground surface. The maximum angular distortion decreased as the foundation height, number of reinforcement layers, and reinforcement stiffness increased. Relationships between the maximum angular distortion and maximum mobilized reinforcement tensile strain with fault displacement were therefore established. Based on the findings from this study, design suggestions and implications are discussed.     

密实砂土中竖向受压PCC桩端阻力计算方法研究

采用基于可视化摄影测量技术的室内试验和理论分析方法,对密实砂土中竖向受压现浇混凝土大直径管桩(PCC桩)桩端土体变形破坏规律及其端阻力估算方法进行研究。结果表明:PCC桩桩端周围土体在极限荷载阶段形成楔形竖向压缩区和侧向剪切变形区,桩端土体竖向位移在相同深度处始终高于等直径实心桩,呈现冲压破坏特征。在此基础上,利用普朗德尔地基理论,构建了考虑地基滑动面角度变化的PCC桩桩端土体破坏模型,给出了桩端阻力的理论计算方法,并通过承载力系数分析以及理论与试验结果的对比,初步验证了计算方法的合理性,为进一步完善与发展PCC桩设计计算理论提供了科学依据。     

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。     

复杂环境下深大基坑开挖监测与数值模拟分析

以兰州市某复杂环境下深大基坑工程为案例,该基坑开挖深度为17.70~19.10m,主要采用“咬合桩＋预应力锚杆”支护结构,局部采用土钉墙。根据该基坑周围土体、支护结构、邻近建筑监测数据和基坑开挖数值模拟,分析基坑开挖过程中基坑变形性状和基坑开挖对邻近建筑的影响。研究发现：在开挖过程中,基坑支护结构、基坑周围土体和邻近建筑三者变形相互影响;基坑支护结构应避免出现结构性状突变;咬合桩加预应力锚杆的支护结构适用于兰州地区深大基坑项目。最后借助Plaxis3D有限元软件对基坑开挖过程进行数值模拟,模拟结果与监测结果趋势一致,但咬合桩的研究需深入。该深大基坑支护结构对邻近建筑变形起到良好的控制作用,为兰州地区类似基坑项目提供了很好的案例,为复杂环境下深大基坑项目的设计提供参考。     

海上四桩导管架基础水平受荷离心模型试验

导管架基础广泛应用于海上风力发电和油气开发,水平向风、浪、流、地震等作用是导管架基础发生失效破坏的主要原因。通过离心模型试验针对饱和砂土地基中四桩导管架基础,研究其在沿边长方向和沿对角线方向水平静力作用下各基桩的内力分配、桩周土反力差异和变形特性。导管架基础沿对角线加载时基桩最易被拔出,其下压基桩的桩顶剪力、桩顶负弯矩和桩身最大正弯矩均较上拔基桩大,但二者的桩身水平位移相差不大。对于本文桩间距为5.8倍桩径的导管架基础,由于群桩效应及桩身上拔力降低了桩周土有效应力,沿边长加载时上拔桩在泥面下2.5倍桩径深度范围内的桩周土反力约为下压桩的60%,而沿对角线加载时上拔桩在该深度范围内的桩周土反力仅为下压桩的40%。沿对角线加载时下压桩与上拔桩在桩顶剪力、桩顶最大负弯矩、桩顶轴力及桩身最大正弯矩等参数之间的差别也明显大于沿边长加载情况。与单桩水平加载离心模型试验结果对比发现,同一深度处单桩的桩周土反力介于导管架基础上拔桩与下压桩的桩周土反力之间。     

考虑桩侧土体三维效应和地基剪切变形的隧道开挖对邻近桩基影响分析

目前就隧道开挖对桩基变形影响的解析理论研究一般基于Winkler地基模型,较少考虑地基的剪切变形和桩侧土体三维作用效应。基于Pasternak地基模型,首先推导了隧道开挖与邻近桩基相互作用的简化理论解,该解反映了地基剪切变形但未考虑桩侧土体三维作用效应。在此基础上,为反映桩侧土体三维作用效应,将其等效成集中力通过剪切层传递到桩基两侧,推导了体现三维作用效应的群桩反应表达式。将考虑与不考虑桩侧土体三维作用效应的结果进行对比,发现考虑桩侧土体三维作用效应的桩基水平位移和弯矩值更接近监测数据和离心试验数据。此外,还针对群桩影响因素进行了分析。结果表明：土体剪切变形对桩基影响不容忽视,剪切层模量越大,隧道开挖引起的桩身水平位移越小;桩径越大,桩身水平位移越小,桩身弯矩越大;桩基与隧道距离越小,桩基最大水平位移和弯矩值越大。     

75°倾角逆断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

 针对公路隧道正交穿越75°倾角逆断层的情况,通过模型试验得到逆断层黏滑错动对公路隧道的影响规律。由试验结果可知：在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的主要受拉区为下盘距离断层迹线0.3D～1.2D(D为隧道洞径)范围内的隧道衬砌底部,受压区主要在下盘距离断层迹线0.6D～1.6D范围内的隧道衬砌顶部。逆断层黏滑错动引起的围岩压力变化最大发生在隧道底部上盘距离断层迹线1D位置,增幅可达2倍的初始围岩压力。在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的破坏形式是弯曲张拉和直接剪切组合破坏,其中在断层迹线附近的2条倾角为50°和45°斜裂缝为隧道结构破坏的主控因素。