衬砌背后空洞对隧道地震响应影响的振动台试验研究

针对隧道洞身段衬砌拱顶结构背后出现空洞的情况,开展大型振动台隧道模型试验研究,主要通过加速度响应特征、应变响应特征和震后衬砌破坏形态,探究竖向地震动作用下衬砌拱顶背后空洞对隧道衬砌动力响应的影响。同时结合傅里叶谱和频率传递函数方法,从频域角度展示衬砌结构频谱特性的变化。研究结果表明:无论衬砌背后有、无空洞,竖向地震动都对衬砌结构的拱顶、拱脚和仰拱影响较大;空洞并不改变隧道洞身的加速度响应特征,只改变了加速度响应峰值,空洞处衬砌加速度峰值大于密实段加速度峰值;输入地震动峰值越大,空洞对衬砌结构的加速度响应影响越显著;空洞并不改变结构响应的频谱特性,地震作用下衬砌结构的自身的主频成分被激发,衬砌位置的一阶频率和二阶频率分别反映模型土的动力特性和衬砌结构的动力特性;在强震作用下,拱顶空洞的存在改变了衬砌结构拱顶和拱脚的受力状态,密实段衬砌拱顶和仰拱处出现较大拉应变,而拱脚出现较大压应变;空洞处衬砌拱顶、拱脚和仰拱均出现较大拉应变。     

浅埋偏压小净距隧道衬砌地震应变规律研究

设计并制作了比例为1∶10的浅埋偏压小净距隧道物理试验模型,并开展了大型振动台试验,研究了地震波类型及加速度激振峰值对浅埋偏压小净距隧道衬砌应变响应规律的影响。研究结果表明:在0.1g与0.2g的工况下,衬砌的拉应变变化趋势较为相近且平缓;在0.4g与0.6g的工况下,衬砌的拉应变变化趋势较为相近且波动较大。拉应变受地震波类型的影响较小,而受地震波加速度激振峰值的影响较明显且随着加速度激振峰值增大而增大。在衬砌拱脚及拱顶处会产生较大的拉应变。衬砌的拉应变大于压应变且拉应变的变化趋势较为明显。在不同的加载波类型和不同的加速度激振峰值作用下,应变变化趋势呈现明显的非线性变化特征。研究结果可为浅埋偏压小净距隧道的设计与建设提供有益参考。     

穿越软硬突变地层盾构隧道纵向地震响应振动台试验研究

 为探讨穿越软硬突变地层盾构隧道纵向地震响应特性,基于纵向等效刚度模型,开展几何相似比为1∶40的振动台模型试验,研究软硬突变地层加速度以及隧道结构加速度、应变响应频谱特性,并采用数值模拟手段对试验结果进行验证。试验及计算结果显示：软硬突变地层及赋存其中的隧道结构加速度响应频谱曲线吻合较好,均表现出“双卓越频率”现象;输入地震频率接近坚硬地层主频时,软硬突变地层加速度放大倍率随埋深减小不再单调递增;软硬突变地层中结构应变显著增大,最大应变出现在地层软硬交界面软土一侧,隧道纵向应变增大区域分布于软硬地层交界面两侧2.5～3.5倍隧道直径范围内;应变响应从大到小依次为拱顶、拱底、拱腰,地层突变处隧道断面顶底应变差以及两侧拱腰应变差较均匀地层显著增大,软硬突变地层不仅增大了隧道纵向内力,也改变了其纵向整体弯曲方向。研究结果将为进一步揭示盾构隧道纵向地震响应特性及盾构隧道纵向抗、减震设计提供有益参考。     

多锚点桩加固滑坡地段隧道衬砌地震响应特性研究

为研究多锚点桩加固滑坡地段隧道衬砌的动态响应特性，探讨多锚点桩的优化抗震性能和隧道衬砌的动态损伤演化机制。提出采用消能弹簧作为锚头减震优化装置开展一系列振动台试验，测试得到不同概率水平地震作用下多锚点桩和隧道衬砌的加速度及动应变数据信息。通过对隧道衬砌加速度和动应变时域特性分析，阐明了隧道衬砌的动力响应特征和损伤演化规律。基于多锚点桩峰值加速度(PPA)和隧道衬砌典型测点峰值动应变(PTS)、塑性效应系数(PEC)响应数据，揭示隧道衬砌的动态损伤演化机制。结果表明：(1)在不同幅值的地震波加载作用下，隧道衬砌表现出由局域向全域损伤演化的空间连续效应，隧道衬砌加速度放大系数(MPTA)表现出未优化侧反响突出的分布特征；(2)限于多锚点桩是否优化和地震波加载效应影响，隧道衬砌的损伤部位和损伤模式存在区域性差异，仰拱和拱顶易成为隧道抗震设计的薄弱区；(3)基于PEC变化态势从塑性变形特征角度阐明了隧道衬砌的地震累计损伤灾变演化过程；(4)以消能弹簧作为减震装置的多锚点桩在一定程度上削弱了桩身地震波能量，但在地震惯性力往复作用过程中易产生相比普通多锚点桩更大的动态响应。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

小净距隧道垂直下穿单层车站地震响应规律研究

为了研究隧道垂直下穿车站结构地震响应问题,设计制作了粉质黏土场地中小净距隧道垂直下穿单层车站模型。利用振动台试验结果验证后的数值模型,通过输入不同峰值加速度的地震波,研究地下穿越结构的应力、位移、变形及加速度响应规律。研究结果表明：横向地震作用下,隧道非对称穿越车站会影响车站的地震响应特征,应力、加速度、变形的最大值偏离中柱位置;车站、隧道的内侧应力约为外侧应力的70～80%;车站中柱依然是抗震薄弱部位。     

软土地基中立体交叉隧道地震动力响应分析

基于动力学基本方程,运用有限单元法和Newmark直接积分法,选用ADINA软件,研究了在不同方向地震作用下软土基地中立体交叉隧道群的位移、加速度和应力响应,并通过对其动力响应规律进行分析与比较得到:地震波输入方向不同,立体交叉隧道的位移、加速度和应力响应都不同;立体交叉隧道最大位移常出现在上部隧道的交叉部位,最大主拉应力一般出现在下部隧道出口顶部,最大主压应力通常发生在上部隧洞顶板与边墙连接处,且沿轴线方向接近均匀分布。为立体交叉隧道的设计与施工提供理论指导。     

穿越活动地裂缝地铁隧道震害机制研究

 通过振动台模型试验对穿越活动地裂缝的地铁隧道的动力响应进行了研究,研究内容主要包括地铁隧道的加速度反应,土压力及应变的变化规律。分析结果表明,穿越活动地裂缝的地铁隧道在地震荷载作用中,活动地裂缝场地产生不均匀沉降,上盘沉降大于下盘区,预设地裂缝部位沉降值最大,不均匀沉降导致次生裂缝及沉降陡坎产生,地铁隧道上方场地土体产生细小裂缝;地铁隧道与活动地裂缝的加速度时程曲线均与地震动荷载加速度时程具有一致性,地铁隧道各部位加速度时程保持一致,说明在地震中地铁运动保持整体性,上盘场地的加速度峰值较大,表明在活动地裂缝中上盘区对地震动力有一定的放大效应;活动地裂缝场地中土压力呈现出动土压力曲线变化,地震加载结束后隧道结构侧向的土压力受力状态及大小均产生变化,隧道结构顶部的土压力有较大增加;应变曲线表明在扩大断面的马蹄形隧道结构中拱腰部位的应变增值最大,拱顶部位次之,底板的应变增值相比最小。以上成果对于合理认识跨越地裂缝的地铁隧道的地震响应特征具有重要意义,可为地铁隧道实际工程设计和施工的抗震设防提供宝贵的基础资料。     

地震作用隧道正交下穿滑坡体衬砌结构的动力响应试验研究

随着我国交通干线穿越复杂艰险山区，越来越多的隧道建造在西部高烈度区，常常面临隧道下穿滑坡问题，潜在地震引发坡体病害地段隧道变形问题成为该地区交通隧道运维面临的重大隐患之一。以正交型隧道下穿滑坡为典型案例，首次开展振动台试验，测试得到不同概率水平地震作用特征图像、加速度、动土压力和动应变等多属性地震数据信息。通过模型变形特征、加速度、动土压力和动应变时域特性分析，揭示衬砌结构区域性空间动力响应特征。基于多属性地震数据综合分析，获得多属性数据之间时频变化关系及频谱定量化表征损伤水平的相关性。结果表明：(1)地震作用下，加速度、动土压力和动应变多属性数据敏感度存在较大差异，动土压力时程效应最敏感，动应变相比加速度时程存在明显的滞后效应。(2)限于隧道下穿滑坡空间位置关系和地震效应影响，衬砌破坏部位存在区域性差异，仰拱开裂成为薄弱区。(3)动土压力呈现2次间歇性跳跃，衬砌变形主要由动土压力的第一个波形控制，在其作用时间内，衬砌塑性变形完成，二次波峰引起隧道衬砌产生残余动土压力。(4)多属性数据信号频域内卓越频率主要集中在1～10 Hz，但各自的主导频率差异显著，低频段-高频段奇异的大小分界线为...     

穿越软硬围岩隧道设置减震层振动台试验研究

以西部高烈度地震区浅埋公路隧道为依托,通过大型振动台模型试验,研究隧道穿越软硬围岩段在地震荷载作用下设置减震层的动力响应特性,并采用数值模拟方法对试验结果进行验证分析。试验及数值计算结果表明,从洞身段来看,减震层厚度存在最优值;从穿越软硬围岩段来看,增加减震层厚度可降低隧道沿纵向的动力响应差异,但加速度峰值会有所上升;拱顶围岩和隧道衬砌结构加速度响应频谱曲线均表现出“三峰值”现象,设置减震层并不会显著改变围岩频谱特性,衬砌结构也不显著体现自振特性,其响应主要取决所穿越围岩的动力特性;减震层处于最优值时可通过吸收更多的低频组分来降低隧道的动力响应;设置减震层可显著降低二衬动应力,但会使初支动应力呈现不同程度的放大,随减震层厚度的增加,二衬动应力先减小后增大,初支动应力先增大,后呈降低趋势;通过观察衬砌破坏形态,隧道拱顶、拱脚和仰拱易发生开裂,设置减震层后,仰拱相对容易发生破坏,应给予重点关注。研究成果可为西部高烈度地震区浅埋隧道抗震设计提供参考。     

上覆地表车载作用下群洞隧道动力响应研究

依托浅埋四孔小净距隧道工程实践,基于行车动载理论,建立了三维弹性半空间隧道振动分析模型,分析车速和载重等10种激励作用下隧道竖向位移及应力响应规律。结果表明,在不同激励力作用下中隔带路面沉降最大,影响范围至隧道拱腰 拱脚位置,呈倒槽型分布,且4条隧道均在拱顶出现位移峰值,峰值随载重大致呈线性关系,车行及人行隧道位移曲线近似呈镜面对称的“漏斗型”曲线和渐变曲线。隧道最大主应力峰值主要分布于左、右拱肩,主应力峰值随载重大致呈线性关系。车行及人行隧道主应力近似呈镜面对称的不规则“双峰型”曲线和渐变曲线。公路下穿段范围隧道位移及主应力变化速率较大,但车速对隧道竖向位移及主应力影响并不明显,载重是关键影响因素。结合分析结果,给出了监控加密部位、交通管制及加固措施等建议。     

Shaking table test of super high-rise structure on liquefied ground

为了研究液化地基上超高层结构在地震作用下的动力特性和动力响应,设计了液化场地超高层结构模型,并对其进行振动台试验。分析了超高层结构的自振频率、阻尼比、振型、加速度响应、位移反应、结构顶层加速度响应组成和地基孔隙水压力。结果表明：随着加速度峰值的增大,结构的自振频率下降,阻尼比增大;由于结构刚度变化不大,结构振型曲线的形状变化不明显;结构的动力响应不仅与输入地震波的加速度峰值有关,还与地震波的频谱特性有关;结构顶层的加速度反应主要由结构弹塑性变形加速度分量组成,其次是基础转动引起的摆动加速度分量和平动加速度分量;当地震波加速度到达第1个峰值时,砂土层的超孔隙水压力存在负值。     

逐级加载下浅埋软岩隧道动力破坏振动台试验

浅埋隧道围岩的质量普遍较低,整体稳定性差,隧道震害表明强震作用下浅埋隧道极易发生震动破坏。通过开展V级围岩条件下浅埋隧道在小震下的震动响应和逐级加载下的震动垮塌振动台试验,研究了小震作用下围岩加速度沿地层的分布、衬砌结构的内力变化和围岩内部的水平位移变化规律,强震作用下衬砌结构裂缝开展和围岩震动垮塌。结果表明:围岩加速度随距地表距离的减小而增加,地表加速度约为拱顶处加速度的1.63倍,相同高度平面内靠近隧道的围岩振动具有一定的加强;隧道拱顶围岩内部的水平位移大约是拱腰围岩内部的1.23倍,围岩内部位移随着远离隧道而逐渐减小,随着震动烈度的增加而不断增加;隧道拱顶上方垮塌区形状近似漏斗,震动引起隧道衬砌结构拱脚处的轴力和弯矩变化最大,且拱肩和拱脚处裂缝分布最多,应加强拱肩和拱脚处结构的抗震性能。     

浅埋交叉隧道地震动力响应及减震措施研究

运用ADINA软件中的Newmark直接积分法和Mohr－Coulomb弹塑性模型,计算了交叉隧道运行期,在不同地震动波和不同方向地震激励作用下,隧道顶部不同覆土厚度时动力响应规律;分析了衬砌厚度变化对隧道地震反应的影响。计算结果表明:垂直于隧道轴线方向的地震波对隧道结构影响最大,对于立体交叉隧道最大位移、最大加速度一般发生在上部隧道顶板中间位置处,而最大主压应力一般出现在隧道顶板与边墙连接处,这些部位是结构安全的关键点,设计时应重点关注;随着隧道顶部覆土厚度的增加结构相对位移、加速度和应力都有所增加,且位移和应力变化比加速度大,当覆土厚度增加到一定程度时,响应将基本趋于稳定;随着衬砌厚度的增加结构最大相对位移和应力逐渐减小,而加速度将逐渐增大,但减小和增大幅值随衬砌厚度增加而越来越小。     

下沉式黄土窑洞结构模型振动台试验研究

以我国西北部黄土高原地区传统民居下沉式黄土窑洞为研究对象,对其缩尺比例为1∶5的简化模型进行振动台试验,以研究结构的动力特性及地震响应,其中加速度相似比取2.5。通过试验得到了模型结构在不同工况下的加速度响应、位移响应和破坏形态,并分析白噪声激励下各测点的频响函数,获得各受力阶段模型结构的动力特性及其变化规律。结果表明：下沉式黄土窑洞模型结构在地震峰值加速度0.14g作用后,窑洞拱券顶部及其上覆土区域开始产生裂缝,且裂缝随着地震动强度增大而持续发展;模型结构1阶振型为沿振动方向的平动,在地震峰值加速度0.75g作用后,1阶频率下降了34%,1阶阻尼比增加了119%;窑洞拱顶的加速度与位移响应较中腿及边腿的更加明显,加速度响应沿其高度方向呈增大趋势;中腿与边腿的加速度、位移响应存在差异,且沿着窑洞进深方向两者的变化规律也不相同。     

拱脚局部加长锚杆锚固洞室抗爆模型试验研究

 根据Froude相似理论,开展拱脚局部加长锚杆和等长锚杆加固洞室抗爆对比模型试验,分析各洞室受力变形特性和围岩破坏形态。研究结果表明：与等长锚杆相比,在爆心离洞室很近的极端情况下,拱脚局部加长锚杆起到“密闭”爆炸荷载的作用,增大洞室拱部的爆炸荷载,带来洞室拱顶底板相对位移的快速增长;在爆心离洞室较远的一般情况下,拱脚局部加长锚杆具有承担或转移较多爆炸荷载的作用,不仅能明显减小洞室附近的爆炸压力、洞室拱顶底板相对位移、拱脚压应变峰值和残余值,而且还能明显减少和减轻围岩裂缝数量和开裂程度,有效阻断裂缝的发展和延伸,有利于提高洞室的抗爆能力。     

Model test study on the dynamic response of the portal section of two parallel tunnels in a seismically active area

A model test of the portals of two parallel tunnels is carried out to learn about the dynamic response of tunnel liner and the interaction between surrounding rock and liner in earthquakes. The experiment results show that: first, when the seismic acceleration traverses the model material, the low-frequency segment of seismic acceleration is magnified and the high-frequency segment of seismic acceleration is attenuated; second, the horizontal shear failure of the surrounding rock is caused by the interaction between the surrounding rock and the tunnel liner, and the cracks in the surrounding rock grow nearly in the same direction, however, because of the different constraints on the tunnel liner by the surrounding rock outside the tunnel, the destruction degree is different; third, the liner cracks of the left tunnel with short length appear mainly at the left tunnel entrance, the cracks of right tunnel with large length appear mainly at the right tunnel entrance and the tunnel cross-section nearly which is in the same vertical plane with the left tunnel portal, and the liner cracks are distributed mainly on the closer side of two liners between the two holes; finally, in the same vertical testing cross-section, the liner maximal strain at the inner sides between two tunnels is greater than outer sides. In addition, the cross-section maximal strain on the right tunnel decreases with the increasing distance between the tested cross-section and a reference vertical plane containing the left tunnel portal.