海底盾构隧道纵向地震反应特征的子模型分析

考虑海床土体的空间不均匀性、动力非线性特性和海底盾构隧道管环间纵向螺栓连接等因素,提出了基于子模型技术的长大隧道纵向地震反应广义反应位移法,研究了不同地震动作用下隧道管环间的张开量和地震应力分布特征。结果表明:①基于子模型技术的广义反应位移法建模简单,能合理地考虑土与隧道结构的动力相互作用效应对长大隧道结构纵向地震反应的影响;采用压力–过盈模型和黏结模型表征管环间纵向连接螺栓的作用,可较合理地描述相邻管环间的非连续变形特性。②隧道穿越软硬土层交界处的管环张开量较大;基岩峰值加速度相同时,低频发育的Darfield地震动作用引起的管环张开量明显较之高频发育的Iwate地震动作用时的大,且基岩峰值加速度为0.2g和0.4g的Darfield地震动作用下局部位置的管环间张开量超过防水允许限值。③不同频谱特性的基岩地震动作用下管环地震应力分布差异较大,Iwate地震动作用时基岩隆起区域靠近管环顶部处的地震应力较大;Darfield地震动作用时隧道穿越软硬土层交界处及砂土透镜体附近的管环地震应力较大。     

海底盾构隧道–竖井连接部位三维非线性地震反应特性

海底盾构隧道–竖井连接部位在地震作用下易发生损坏。以汕头海湾海底隧道为例,考虑海床土体和混凝土的非线性,利用多点约束与连接单元模拟管环间的螺栓连接,经幅值标定的不同特性的强震记录作为输入基岩地震动,采用动力时程法(纵轴向+横向+竖向震动、纵轴向+竖向震动)与广义反应位移法(纵轴向+横向+竖向震动)对比分析了盾构隧道–竖井连接部位的三维非线性地震反应特性。不同特性的地震动作用下,多点约束与连接单元能有效模拟盾构隧道管环间的变形特性,管环拱顶与外拱肩处的张开量较大;竖井在与竖轴共轭45°方向上的损伤严重、应力集中显著;低频丰富的地震记录激励比高频发育的地震记录激励对该连接部位的影响更大。隧道–竖井接头处的地震变形与应力远大于距离接头较远处隧道管环的地震变形与应力,且横向地震激励的影响不容忽视。两种方法计算的连接部位沿隧道纵向的地震反应特征一致,但广义反应位移法计算的隧道、竖井的地震反应明显大于动力时程法的结果。     

考虑盾构隧道纵向应力松弛的环缝渗漏水计算分析

为揭示盾构隧道环缝渗漏水演变过程及其影响因素,基于裂缝渗流模型推导盾构隧道管片环缝渗流量计算公式,进一步考虑隧道纵向应力松弛的影响,建立环缝渗漏水演变的时变状态模型,结合算例进行环缝渗漏水演变规律探讨和参数敏感性分析。结果表明,盾构隧道渗漏水量随着环间张开量增大或者外部水头高度的提高而增大,随着环间接头刚度的增大而减小。张开量对环间渗漏水的影响较为敏感,隧道顶部的渗流量始终小于底部。盾构隧道纵向应力越低,隧道渗漏水现象越明显。当纵向应力由3.2MPa衰减为1.2MPa时,渗流量增长为原来的12倍,且不同部位的环间渗流量差距逐渐扩大,隧道底部的渗流量约为顶部的2倍。在隧道纵向应力松弛后,纵向连接螺栓复紧将极大地降低环缝渗漏水量,螺栓复紧导致环缝渗漏量减小为原来的80%,导致纵向应力达到稳定状态后的环缝渗漏量减小至原来的20%以下。工程实践中,应重视盾构隧道纵向应力松弛对衬砌环间防水性能的影响。     

基于NGA模型的汶川地震区地震动衰减关系

基于汶川地震 64 个余震强震动记录数据,结合 NGA 衰减关系模型以及一维场地非线性反应模型,应用基于最大可能性估计的统计算法,对峰值加速度、峰值速度、峰值位移以及不同周期的加速度反应谱进行了衰减关系研究。得到了汶川地震区基岩场地以及各类土层场地的地震动衰减关系。与其他人的研究成果对比,表明 NGA 模型衰减关系估计的基岩场地地震动相对较低,而估计的土层场地地震动相对较高。     

地震基岩面的选取对深厚场地地表地震动参数的影响

地震基岩面的选取对场地设计地震动参数取值的合理性有重要影响。以苏州城区的钻孔剖面为研究对象,选取剪切波速介于400~800 m/s的9个土层顶面作为地震基岩面,采用等效线性方法考虑土的非线性特性,采用一维波传法分析地震基岩面的选取对地表地震动特性的影响。结果表明:1地表峰值加速度PGA随地震基岩面剪切波速的增大而增大,PGA的增大幅度随输入地震动强度的增大而减小;2地表加速度反应谱放大系数?谱谱值也随地震基岩面土层剪切波速的增大而增大,且?谱谱值随输入地震动强度的增大而减小;对于中强地震的近场地震动作用,基岩面深度对周期小于1.0 s的?谱谱值的影响较大;而对于特大地震的远场地震动作用,基岩面深度对周期小于4.0 s的?谱谱值均有较大影响;3远场地震动作用时的?谱谱值明显大于近场地震动作用的?谱谱值;4取剪切波速不小于700m/s的土层顶面为地震基岩面较为适宜。     

喀什国际免税广场设计地震动参数的确定

根据地震危险性概率分析结果,以基岩加速度反应谱和峰值加速度为目标,用数值模拟的方法合成基岩地震动时程,作为基岩地震动输入波,并根据场地土层结构、土动力学参数建立场地地震反应分析模型,对各模型进行地震反应分析计算,得到的地表地震动参数满足设计要求。     

地震动时-频特性对土层场地地震反应的影响

地震动非平稳特性对土层反应有重要影响。为了能够近似定量控制基岩地震动输入特性,文章首先基于时-频包线函数建立能够表征地震动频率非平稳特性的地震动拟合方法;然后选择3条主频率变化不同的加速度记录,引入两种不同的包线函数分别模拟地震动强度或频率非平稳特性,设计了用于土层地震反应分析的三种输入方案,拟合完成42条加速度时程;最后,采用非线性场地反应计算方法对三类土体模型进行计算,分析基岩地震动频率非平稳性对地表PGA和加速度反应谱的影响。结果表明:(1)文章基于时-频包线函数建立的地震动拟合方法能够近似定量控制目标地震动强度与频率非平稳特性,可用于基岩地震动输入的拟合;(2)当基岩地震动主频率变化显著时,不考虑频率非平稳则存在低估地表地震反应的风险,且场地越硬、基岩峰值越大,低估程度越显著;(3)地震动频率时变特征对土层地表反应谱高频部分(2～5Hz)的影响与地震动高频成分集中的时间和土层性质相关:当基岩地震动高频成分集中在强震段时,采用仅考虑强度非平稳的拟合方法可在较硬场地得到相对保守的结果;(4)地震动频率随时间的变化对反应谱放大系数的影响与场地类型和反应谱周期有关,当基岩峰值较大时,对...     

复杂地层条件下大断面盾构隧道纵向地震响应分析

为探明深圳市某跨海盾构隧道在纵向地震动作用下的地层地震响应及可能发生灾害的区域,建立大尺寸复杂地层地震动模型,通过盾构隧道所在地层加速度放大情况及地层应变情况对地震动作用下不同地层加速度放大倍数、不同区间段风险进行分析,并划分地震破坏灾区。研究结果表明:盾构隧道埋深越大,隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越小、更易划分为轻灾区,受地震破坏影响较小;隧道穿越地层越复杂,隧道拱底及拱顶地震动加速度放大倍数差值越大、更易发生地震破坏;当隧道穿越上软下硬地层时,隧道拱腰及以上部位更易发生较严重破坏,应对盾构隧道上部区域进行加强。     

核电厂取水隧道横纵向地震力对比与风险分析

日本3.11地震对福岛核电站的破坏引起了国际高度重视,取水隧道作为核电站冷却循环用水的重要供给设施之一,其抗震可靠性分析十分重要.采用通用有限元程序ABAQUS建立三维土层-结构模型,对核电厂的取水隧道特殊段在横向和纵向地震动作用下的结构安全性进行了分析,计算表明隧道在7度0.15 g地震加速度作用下,特殊段衬砌(开口环、闭口环)和立管结构发生破坏的概率较小,设计结构方案具有良好的抗震性能.结合结构内力计算结果,分析了特殊段结构抗震风险.研究工作将为核电厂取水隧道取水头部复杂结构地震反应分析和其他类似结构设计提供参考.     

厚层堆积体偏压隧道洞口段动力响应特性研究

文章结合飞仙关隧道洞口段覆有厚层松散堆积体的工程实际,分析了强震作用下山岭隧道结构地震动力响应基本原理,运用有限差分软件建立数值模型,模拟在地震作用下穿越软硬交界面隧道结构的动力响应特性。通过分析地震动过程中隧道衬砌结构的应力、横纵向变形和围岩塑性区的破坏程度及范围,得出隧道结构在地震作用下的危险位置和抗震设防的重点部位。     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。     

深厚松软场地卓越周期与地面峰值加速度的空间变异特征:以苏州为例

基于区域地震构造与活动性特征,苏州存在遭遇近场中强地震、中远场强地震和远场大地震影响的风险。根据250 m深钻孔信息与111个不同深度原状土样的动三轴试验结果,采用修正Matasovic本构模型描述土的动剪切模量折减和阻尼比增长特性是适宜的。基于393个钻孔的剪切波速资料,以剪切波速不小于700 m/s的岩土层为地震基岩,采用集中质量模型非线性分析法进行钻孔土柱地震反应分析,提出了场地卓越周期的弱震预测法,给出了场地卓越周期和地面峰值加速度(PGA)的空间变化特征:(1)在近场中强地震、中远场强地震和远场大地震的基岩弱震动作用下,场地卓越周期等值线图的空间变异性相似,但PGA放大系数等值线图的空间变异性与基岩地震动特性密切相关。(2)基岩峰值加速度小于0.1g时,PGA的大小主要取决于基岩峰值加速度;反之,基岩地震动频谱特性的影响不可忽略。     

易液化深厚覆盖层地震动放大效应台阵观测与分析

基于美国加州Caltrans/CDMG的两个井下台阵加速度记录,从时域和频域分析了百米级易液化深厚覆盖层在不同地震下的地震动放大效应,揭示了地震动从基岩向覆盖层传播的4个重要特征:(1)加速度放大效应受土层深度影响,近地表20~30 m以内放大效应突出;(2)地震动三分量的放大效应具有方向性,水平向与竖向地震动放大效应差异显著;(3)基岩加速度呈现"小震放大、大震衰减"的规律;(4)加速度放大规律与频率相关,深厚覆盖层放大频带较宽。初步分析了造成上述放大效应的可能原因。在此基础上,基于平面波动假设提出了考虑层间波阻抗比放大和传播路径衰减的深厚覆盖层加速度放大效应简化函数,改进了1/4波长法的参数取值,并结合自由表面效应,对前述台阵记录的放大效应进行了估算,发现无论时域还是频域,预测结果与实际观测都较接近。本文研究成果可为深厚覆盖层液化判别和抗震设计的加速度选取提供理论依据和简化分析方法。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

Seismic racking of a dual-wall subway station box embedded in soft soil strata

For dual-wall subway station structures embedded in soft ground, collision contacts take place at structure-structure and soil-structure interfaces during severe earthquakes. When seismic shear waves propagate up through the weak soil strata, the safety of such station is gauged by a shear-mode racking deformation which it must withstand. A dynamic system composed of discrete and finite elements is developed using an explicit formulation for the equations of motion. The dynamic interactions among distinct concrete and soil regions are modeled considering contact-slip interface as well as non-reflecting boundary. Plastic deformations in soil and concrete regions are incorporated too. A suite of strong tremors characterized by diverse levels of peak accelerations and velocities were respectively specified as input motions at bedrock. The responses of soil and structure were then examined by carrying out time-history solutions. The results of seismic response analyses illustrate that specifying a design earthquake with higher level of peak acceleration or velocity may not necessarily render larger racking in the structure. The racking deformation could be un-proportionately amplified under certain ground motions which exhibit sharp velocity pulses.     

水下盾构隧道抗震设计分析方法的适应性研究

 针对断面大、水头高，结构复杂的水下盾构隧道，通过分析其在横向和纵向结构特点，提出了合理的抗震设计方法。在地层条件较均匀的横断面，通过成层重复反射理论，计算出工程场地地层的实际地震响应，采用反应位移法对隧道典型断面进行地震反应分析，再将其结果与静力计算结果叠加后作为抗震设计的依据。纵向则考虑线状结构特点、沿隧道纵向地层的不均匀性、地震行波效应和边界效应等方面的因素，应用三维时程响应法加以计算分析。对2种方法的特点、适用条件和分析流程进行了系统阐述，并将其应用于越长江盾构隧道工程，揭示了该典型水下盾构隧道的动力响应特征及抗震的薄弱部位。     

地震作用下含倾斜软弱夹层斜坡场地的动力响应特性研究

以四川北部龙门山断裂带附近山区内某核废料处置场为参考原型,概化出含软弱夹层的斜坡场地模型,设计完成该特殊场地在50倍重力加速度条件下的离心振动台模型试验,监测场地在不同输入地震工况下的加速度响应,重点通过加速度放大效应和地震波波动机制探讨软弱夹层和斜坡效应对斜坡场地动力响应的影响,此外,结合传统傅里叶谱和Hilbert边际谱方法,从频域角度展示场地的频谱变化特性。试验结果表明:软弱夹层的加速度放大效应与输入地震动峰值有关,当输入地震动峰值较小时,夹层内响应加速度峰值被削弱,当输入峰值较大时,则被增强;斜坡效应对该场地中软弱夹层内的动力响应存在影响,导致斜坡下的软弱夹层内加速度放大效应增强;随着输入地震动峰值增大,软弱夹层中响应加速度的频率成分发生了变化,高频成分减少而低频成分增加。     

上海软土场地的地震反应特征分析

近年来的宏观震害资料和强震观测记录已经证明：场地条件不仅对地震动的峰值加速度和频谱形状具有重要的影响,而且与不同类型工程结构的地震反应和震害机理也具有相当密切的关系.上海地区的第四纪沉积土层呈水平层状分布,基岩埋深可达300m左右,且浅部普遍发育有滨海沼泽相软土.因此,上海地区上覆深厚、软弱的沉积土层,对场地的地震反应特性无疑具有重要的影响.文章基于一维场地地震反应的等效线性化频域分析方法,建立了上海软土场地的动力分析模型,以El Centro地震波为例,重点分析了上海地区场地土的地震反应加速度反应和频谱特征.研究表明,在7度抗震设防即场地地面峰值加速度（PGA）等于0.1 g的情况下,上海软土场地的地表峰值加速度具有放大特性,地表加速度的频谱组成具有低频放大,高频过滤的特征,地面运动加速度反应谱的卓越周期也具有向长周期方向移动的趋势.     

土岩变化地层长隧道纵向地震响应解析解

土岩地层交界面是制约长隧道结构抗震安全的关键控制节点,但现有设计方法均未考虑隧道沿其纵向的地层变化。基于隧道的动力响应特点提出力学模型,将隧道沿纵向简化为两段处于不同地层条件中的半无限长弹性地基梁。通过求解结构的位移微分控制方程,推导出土岩变化地层长隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了面向工程设计的土岩变化地层长隧道纵向抗震简化分析方法。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了该方法的有效性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了结构刚度、地层剪切波速比等关键因素对土岩变化地层隧道结构地震响应的影响规律:隧道结构刚度越大,结构内力响应越剧烈,隧道地层突变段的内力峰值差越大,地层突变的影响范围也随之变宽;地层剪切波速比越大,隧道地层突变段的内力峰值差越大,但地层突变的影响范围却不受影响。     

岩溶区利用地震速度成像研究地下地质结构及特征

在场地狭窄,电性干扰严重的浅覆盖岩溶区,不利于电探方法来探查地下地层的岩溶发育特征。推荐采用地震纵波速度成像、横波速度剖面来综合探查地下的基岩起伏、地质结构和岩溶发育特征。在野外采用同一个排列保持道距不变的情况下,很容易获得这两种方法的地震记录。两种方法研究结果表明,多道噪音记录的折射微动面波法在探测基岩起伏方面具有较高的分辨率但探测深度浅;多炮点纵波速度成像对基岩面有平滑作用但探测深度较深。钻探资料证实,纵波速度成像中的相对低速区反映基岩内岩溶裂隙发育,是寻找地下水的有利靶区。多道记录,炮点—检波点射线高密度覆盖,可保证获得可靠的速度资料。两种方法联合探测地下岩溶特征具有一定的优势。