山岭隧道二次衬砌环向裂缝的震害机理

目的 为深入研究山岭隧道二次衬砌在地震中的受力特征和破坏机制,解释衬砌结构环向裂缝的产生原因.方法 基于应答变位法理论,以汶川地震中受到破坏的龙溪隧道作为研究对象,采用有限元方法研究了山岭隧道二次衬砌沿其轴线方向的地震响应规律.结果 在隧道内离洞口1000m的区域,衬砌结构的轴向拉应变最大值达到了150×10-6,远高于C25级混凝土的极限拉应变,该区域首先发生环向断裂.结论 隧道结构的地震响应受其所在岩体受震时发生的相对变位所支配.强烈的地震发生过程中,沿隧道轴线方向的衬砌结构可能承受强烈的拉压作用.当衬砌混凝土的实际应变超过其极限应变时,会发生衬砌结构的环向开裂和混凝土剥落.     

走滑断层黏滑错动下隧道破坏的模型试验研究

为了探究断层错动对隧道及围岩的损伤机理及破坏特性,以滇中引水工程香炉山隧洞为依托,通过开展隧道穿越断层破碎带的黏滑错动模型试验,并采用ABAQUS进行数值建模,对试验结果进行验证分析.研究结果表明:断层错动过程中,衬砌主要发生受拉破坏,局部位置衬砌受压破坏;衬砌发生变形及破坏的区域,主要集中在破碎带范围内,以错动面处衬砌变形、破坏最为突出,衬砌的变形随距错动面距离的增大而减少,衬砌横断面内拱顶、右腰位置破坏最为严重;断层错动起始时刻,破碎带中间部位拱顶处衬砌拉损伤已经达到较高量级,衬砌局部开裂破坏,随着断层错动量的增加,损伤不断累积,当错动量达25 mm(相当于实际错动量1 m)时,衬砌整体损伤已累积到较高量级,此时衬砌的破坏接近试验的最终状况.岩体的破裂区域主要集中在距错动面两侧30 cm范围内,围岩变形随着距错动面距离的增加而逐渐减小.     

地基沉降引发输水盾构隧道复合结构受弯分析

结合混凝土、螺栓和钢管的弹塑性变形特性，基于纵向等效连续模型和平截面假定，建立衬砌管片、输水钢管及在衬砌管片与输水钢管之间填充混凝土的受弯分析模型.求解该模型，得到地基沉降作用下盾构隧道纵向接缝张开量、最大混凝土压应变及最大钢管拉应变等关键参数.将所建模型应用于杭州某输水盾构隧道工程，结果表明：地基沉降引起隧道受弯，隧道结构将产生7类临界状态，且先后顺序为螺栓达到屈服应力、环缝张开2 mm （螺栓和管片混凝土被侵蚀）、钢管达到屈服应力、环缝张开6 mm（钢管和填充混凝土被侵蚀）、管片混凝土开始受压屈服、填充混凝土开始受压屈服、螺栓达到破坏应力.当钢管紧贴衬砌管壁时，隧道结构处于最不利工况，容易导致钢管腐蚀和隧道脆性破坏.     

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。     

跨断层隧道衬砌变形规律及损伤机理研究

陆地交通的直线化趋势使得跨断层隧道不可避免,该类工程是隧道衬砌发生变形破坏的主要事故区间。断层破碎带的基本参数宽度、倾角对于判别断层错动影响下隧道稳定性具有重要的意义。以现场监测与数值模拟相结合的手段,探索了断层错动对跨断层隧道的影响及破坏特征。以地处西部地震多发带、地震基本裂度为Ⅷ度的隧道为工程背景,基于现场实测数据,对断层宽度20 m、倾角70°,以及断层宽度8 m、倾角65°的跨断层隧道变形及破坏机理进行分析。进一步运用ABAQUS数值模拟探索了不同断层宽度(10、20、40 m)和倾角(65°、75°、85°)的断层错动对跨断层隧道的变形及破坏影响特性,揭示了断层宽度、倾角的变化对隧道衬砌应力、应变、位移的影响机制。结果表明:断层错动影响下,隧道衬砌位移、应变、最大主应力受断层宽度的影响较小,受断层倾角的影响较大。断层宽度、倾角的变化对跨断层隧道衬砌位移的变化影响较小,隧道拱顶、拱腰、拱底的位移变化趋势大致相同。围岩结构面粗糙度的增加会减小隧道位移值的变化,但对位移变化趋势的影响较小。跨断层隧道衬砌应变的变化范围受断层宽度、倾角影响较小;随着断层宽度的增加、倾角的减小,隧道衬砌的应变逐渐增大。通过分析不同断层宽度、倾角组合下隧道衬砌应力特征,发现断层宽度越小,倾角越大;衬砌最大主应力受影响范围越小,隧道衬砌越危险。研究结果有望对跨断层隧道的施工建设提供参考与指导。     

破碎围岩浅埋偏压隧道衬砌荷载的计算方法

隧道洞口大都会面临围岩破碎、浅埋和偏压等不良地质地形情况,现行规范只给出了偏压隧道衬砌荷载的计算方法。对于破碎围岩浅埋偏压隧道,根据现场情况及实测的衬砌受力和变形特征表明其与规范假定不同,不宜直接利用规范方法。通过工程实例分析及隧道三维数值分析结果提出了浅埋偏压隧道破碎围岩的破坏模式,即隧道开挖后深埋侧岩体滑塌下落挤压支护结构使其向外侧变形,从而外侧支护受到被动土压力。根据提出的破坏模式,将隧道开挖后围岩主要分为滑塌区和被动区,在此基础上利用极限平衡法推导出了衬砌荷载的计算公式。将计算得到的结果与现场实测值对比发现,对于围岩极其破碎且存在较严重偏压的浅埋隧道工程,提出的计算方法比采用规范方法更接近实际情况。     

活动断层下城市地铁隧道变形破坏与损伤

依托某跨断层隧道工程,建立断层-隧道-围岩的精细化三维数值模型,考虑实际盾构施工中的注浆压力、顶推力、注浆时效硬化和材料的非线性行为。通过数值模型分析盾构隧道穿越不同宽度、倾角、倾向的断层破碎带时的变形机制、力学特性及损伤演化,利用控制变量法分别改变断层的宽度、倾角和倾向来研究单一变量的影响。研究结果表明：隧道拱顶的变形和损伤面积与断层宽度的增加呈现正相关,随着断层宽度的增加拱顶挤压现象更加明显,但当断层宽度增加至一定限值时,衬砌拱顶将脱离围岩向洞内凹陷,拱顶的应力呈现先增大后减小的趋势;随着断层倾角的增加,衬砌拱顶向洞内收敛量先增后减小,初始损伤位置与断层倾角相关;断层倾向增加使隧道的损伤范围和程度不断减小,环向应力集中受断层倾向影响较明显,随断层倾向的增加,雷达应力图由“X”逐渐转变为“十”字形。在隧道选址阶段,应尽量让隧道正交穿越断层且在穿越较宽的断层时提前采取预加固措施来保证隧道的安全稳定性。     

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。     

基于二次受力的隧道套拱加固损伤衬砌模型试验

松动荷载引起损伤衬砌失稳是不良地层隧道运营期间关键的科学问题.针对此问题,研制了双车道公路隧道带缝衬砌套拱加固模型试验加载装置,可对衬砌结构任意位置施加松动荷载,在损伤衬砌受力同时进行套拱加固,解决了衬砌加固二次受力的“瓶颈”问题;开展1∶10模型试验,研究了松动荷载作用下损伤衬砌套拱加固补强效果,对比变形特性、力学响应及破坏模式.结果表明:衬砌结构刚度随荷载增加而退化,套拱加固有效修复受损衬砌,整体结构刚度明显增大,损伤严重衬砌经套拱加固后承载力仍可提高1倍;原衬砌结构破坏位置为拱顶、拱肩和边墙;套拱加固带缝衬砌构件关键控制截面为拱顶和墙脚,拱顶易发生大偏心压弯破坏,建议加强拱顶纵向配筋,提高抗拉承载力;墙脚出现斜裂缝,属于压剪破坏,应增设墙脚箍筋,以提高抗剪承载力.     

走滑断裂端部破碎带发育特征及控藏作用——以方正断陷大罗密地区走滑断裂系为例

断层端部破碎带是地下水、油气和含矿物热液等多种矿产资源勘探的有利目标区.按照次生断裂与主走滑断层端点的位置关系和形变性质,对方正断陷大罗密构造带走滑断层西南端的破碎带类型进行划分,通过几何特征分析,明确了破碎带形成时的区域应力状态,并结合油气分布规律,讨论了该区走滑断裂及破碎带的控藏作用,指出断层面优势运移路径与圈闭的空间配置是控制油气运聚的主要因素.研究结果表明:在区域右旋走滑作用控制下,走滑断层端部存在2种类型破碎带,一是端部西侧的应变伸展区发育正断层型破碎带,二是端部东侧的挤压区发育逆断层型破碎带,根据断裂展布特征,判断破碎带形成时最大水平压应力方向为N290°~300°.走滑断裂及其端部破碎带对油气成藏的控制作用总结为3个方面:走滑断裂及端部伴生断裂长期活动为油气运移提供输导通道,断层的断面脊部位是油气沿断裂运移的优势路径,与运移路径配置的断层下盘断背斜为油气富集场所.     

衬砌背后脱空对隧道结构影响三维数值分析

衬砌背后脱空是很普遍的公路隧道病害现象之一,对衬砌结构危害较大.以往通过平面分析认为脱空过大可能导致衬砌外侧沿环向出现较大拉应力,产生纵向裂缝;通过建立三维有限元模型对比发现,局部空洞会导致脱空衬砌外侧出现较大纵向拉应力,可能引起环向裂缝,而几乎不产生环向拉应力.根据三维数值分析得出不同空洞位置、不同围岩级别下空洞对衬砌结构影响.     

隐伏断层错动对盾构隧道影响的模型试验研究

为了探究隐伏断层错动下盾构隧道结构受力特点及地层破坏模式,基于盾构隧道纵向等效连续化模型,开展隐伏断层错动对盾构隧道影响的模型试验. 研究隧道结构纵向受力特征、环缝接头张开量与断层错动的关系,采用数值模拟手段验证模型试验结果的合理性. 试验及数值计算结果表明,隐伏断层错动下隧道结构纵向受力变化明显,断层错动对隧道结构纵向受力的影响范围小于60 m. 在断层顶部投影面附近的盾构管片环缝存在明显的张拉变形,在正断层错动下盾构环缝接头更容易产生张拉大变形. 正断层错动工况下的隧道结构纵向呈偏心受拉状态,逆断层错动工况下的隧道结构纵向呈偏心受压状态. 在正断层错动下地层发生明显的剪切变形,呈现倒三角形剪切变形扩展规律,地表产生横向贯穿裂缝,逆断层错动下的地层剪切变形相对较弱.     

黄骅盆地海岸线两侧构造线不连续之成因分析

从构造样式、沉积特征、断层组合等方面探讨了黄骅盆地海岸线两侧右旋走滑构造变形的存在，指出结晶基底的不均匀性是NNE向基底隐伏走滑带形成和新生代盖层走滑构造产生的控制因素。采用单剪模式解释了由于NNE向基底隐伏走滑带在新生代的右旋走滑活动，在主位移带(PDZ)的两侧产生了NE向的R剪切．R剪切受区域NW-SE向伸展和由走滑导致的SN向局部伸展的共同作用，导致了现今黄骅盆地中区海岸线两侧构造线不连续的现象。     

锅炉管道在内压及温度作用下的应力分析

利用有限元方法和经验公式求出了整体锅炉管道在内压和温度作用下的变形及各截面上的弯矩，重点分析了椭圆形截面管上各环向应力。结果表明：在内压作用下，沿椭圆形截面环向应力的最大值发生在椭圆长轴顶端的内侧，是破坏的裂源点；椭圆度的大小是影响变管破坏的最主要因素；内压是造成椭圆形截面管破坏的主要外界因素。     

软土地铁盾构隧道环缝张开可靠度分析

软土地铁盾构隧道运营后,受各种内外部因素影响,隧道产生较大的不均匀沉降,进而产生不同程度的环缝张开,严重影响运营安全。在综合考虑隧道衬砌几何尺寸、纵向曲率半径及沿隧道纵向抗压抗拉刚度比基础上,同时考虑认识不确定性及随机不确定性,通过区间Monte Carlo抽样模拟计算环缝张开的失效概率区间。讨论了环缝失效概率随不同纵向曲率半径及衬砌环沿隧道纵向不同抗压抗拉刚度比的变化情况,定量化的得到两者在一定失效概率区间下的控制范围。为地铁运营养护决策的制定、优化结构和防水设计提供依据。     

断层竖向错动作用下隧道力学响应数值模拟研究

采用有限单元方法数值模拟研究断层竖向错动位移、断层错动速率、断层宽和断层摩擦对断层错动下隧道力学响应的影响规律。结果表明:断层竖向错动位移显著改变隧道断层截面第1应力的大小和分布。断层错动隧道断层截面出现最大第1主应力,不受断层竖向错动位移、断层错动速率、断层宽度和断层摩擦的影响。断层错动影响范围主要受到断层位移和宽度的影响,受断层错动速率和断层摩擦系数影响较小。断层错动速率越快,断层摩擦系数变化对应力峰值增加的影响越明显。主动盘内隧道截面衬砌第1主应力随断层错动速率增加而增加,但是断层截面的第1主应力随断层速率增加,先增后减,在0.1m/s断层速率条件下,达到最大值。     

局部膨胀土作用下隧道稳定性试验研究

膨胀土在中国分布极为广泛,目前相应的研究主要集中于工程监测以及数值模拟,容易出现代表性数据缺乏,结果与实际差别较大等不足。本文通过自主研发的膨胀土隧道设备进行模型试验,对底部膨胀土和左侧膨胀土对隧道稳定性的影响进行研究,探究膨胀作用下隧道的力学响应特征以及围岩变形分布规律,得出如下结论:底部和一侧膨胀作用结束后隧道的环向压力分别达到97.23和37.75 kPa,位于膨胀土对侧位置处的压力几乎为0 kPa,呈现时间正相关和距离负相关现象,底部分布膨胀土情况下扰动范围较大,而一侧分布破坏较为集中;膨胀作用对于隧道的影响是荷载和应变缓冲的共同作用下的非线性相关变化,在膨胀时间为1/5时将出现首次应变缓冲,环向压力增幅迅速减小;当隧道底部分布均匀膨胀土层时可以将膨胀土层看作受弯结构研究隧道的力学特征;不同部位膨胀土作用下的围岩变形将产生剧烈剪切破坏带,根据膨胀土分布位置分别出现单边剪切和双边剪切。     

圆CFRP-钢管混凝土构件的受弯性能

目的初步了解圆截面CFRP-钢管混凝土受弯构件的静力性能，为进一步的研究奠定基础．方法在8根圆CFRP-钢管混凝土受弯构件静力试验的基础上，分析钢管和CFRP筒的环向和纵向的协同工作，环向应变分布规律，屈服荷载时纵向应变比较。平截面假定，挠度以及纵向CFRP层数对承载力提高率的影响等问题．结果从加载之初直到最大承载力，钢管和CFRP筒的环向应变基本一致，纵向应变也基本一致。表明两种材料在环向和纵向都可以协同工作；纵向受压最大点的环向拉应变最大。纵向受拉最大点的环向压应变最大，其余点的环向应变介于二者之间；对于同一系列的试件。同一荷载下钢管的纵向应变随着纵向CFRP层数的增大而减小，但试件达到屈服荷载时的应变值却十分接近．结论从加载之初直到大约0．7倍的极限承载力。钢管纵向应变沿截面高度的分布符合平截面假定；在同一荷载下，挠度随着纵向CFRP层数的增大而减小，纵向CFRP可以显著提高试件的刚度；对于同一系列的试件。承载力提高率随着纵向CFRP层数的增大而增大．     

隧洞围岩在超载和卸载状态下的破坏模式

围岩破坏模式分析是地下工程围岩稳定性分析、控制和支护设计的基础。围岩开挖是一个径向应力减小轴向应力增大的复杂加卸载过程,但当前常采用超载试验研究隧洞围岩的破坏模式。超载试验的围岩应力路径不同于加轴压卸围压路经,而围岩的应力路经是影响其破坏模式的重要因素。为了对比隧洞围岩在不同应力状态下的破坏模式,利用WE-600B型液压式万能试验机和自主设计的隧洞模型试验仪,采用相似模型试验方法,研究了隧洞围岩在超载和开挖卸载过程中的应变演化规律及破坏面发展过程。应变演化规律上,两种工况在拱底均产生一定的拉应变,而侧墙和拱腰处在开挖卸载模式下的应变增速大于超载模式,开挖卸载模式下围岩向临空面的变形速度更快,破坏更快发展。破坏面发展上,隧洞超载时,直墙两侧围岩整体剥落,剥落体保持完整,而在开挖卸载时直墙两侧围岩向临空面逐层挤压溃曲,剥落体的完整性差,可见开挖卸载路径下的围岩破碎程度更大。超载工况下破坏过程由低应力时的拱底拉裂转变为高应力时的侧墙拉剪耦合的“V”型片帮剥落破坏。两种（60%σzmax和100%σzmax）卸载工况下,破坏过程均为侧壁楔体剪切破坏和竖向张拉破坏耦合的“V”型片帮劈裂破坏。     

海底隧道施工设计及其数值优化研究

某海底隧道地质条件异常复杂,覆岩被多处断层破碎带相割呈区域性林状分布,高外水压处断层及破碎带施工是隧道安全控制的关键所在．依据该海底隧道的初步设计方案,采用大型数值计算软件FLAC^3D。系统研究了水下岩石完整带和破碎带隧道开挖的稳定性及最优施工方案,分析了不同施工工法及支护参数对岩体变形、破坏特性的影响,并确定了海底隧道主、辅洞开挖相互影响效应,以便为海底隧道工程的施工决策提供量化资料和技术支持．