山岭隧道地震动力响应规律的三维振动台模型试验研究

 以国道318线黄草坪2#隧道为原型,开展大型三维振动台模型试验,重点研究隧道结构的地震动力响应规律及隧道与围岩的相互动力作用。通过对模型试验的关键技术研究,建立一套山岭隧道大型振动台模型试验设计、制作、加载及测试的工艺与方法流程。模型震害分析表明：隧道洞口边坡以开裂和滚落石震害为主,坡面加速度沿高程方向递增且具有一定的放大效应,在坡面原生裂缝和薄弱部位极易出现震害;隧道结构以衬砌开裂和掉块震害为主,初期支护和二次衬砌出现裂缝的部位不同,但钢筋网能够有效地阻止裂缝的发展。模型试验结果表明：隧道结构的加速度响应要大于周边围岩且对周边岩土体的加速度响应有一定的放大效应;对于一般的硬岩质山岭隧道来说,隧道洞口段0～50 m范围的加速度响应较大,为隧道抗减震设防的重点区域;山岭偏压隧道横向不同部位的地震动力响应存在明显差异;当地震波从隧道底部小角度入射时,隧道结构的加速度响应最强烈,对隧道结构的安全性是非常不利的;随着加载地面峰值加速度(PGA)的增大,隧道不同部位的加速度响应增大,但当隧道结构进入非线性破坏状态后,PGA呈减小趋势,地震能量逐渐被耗散。     

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。     

穿越多破裂面隧道节段衬砌地震损伤破坏振动台试验研究

依托我国西部高烈度地震区穿越大型活动断裂带隧道工程，开展穿越断层带多破裂面隧道振动台试验。根据测点加速度响应、动应变响应、位移响应和震后裂缝形态，研究隧道节段式衬砌结构和围岩在强度递增地震波激励下的能量、损伤变化特征，基于希尔伯特–黄变换(HHT)，从Hilbert边际谱和瞬时能量谱角度讨论围岩和隧道结构的地震损伤发展。研究结果表明：(1)强震作用下模型土表面同震位移显著，根据破裂面两侧围岩同位错量可定义断层破碎带内的主、次破裂面。(2)断层下盘主破裂面附近隧道结构的损伤发展滞后于上盘，0.4 g地震作用下主破裂面附近隧道结构主频和边际谱峰值降幅最大达到了29.1%和87.1%，损伤发展程度远大于其他部位。(3)隧道结构以受拉开裂为主，0.2 g地震作用上盘主破裂面附近仰拱出现拉裂破坏，而拱腰在0.4 g地震作用产生拉裂破坏。(4)断层上盘围岩在0.5 g地震动下主频降幅达到34.7%，围岩损伤程度明显超过下盘和断层破碎带中部。(5)根据隧道结构破坏形态，仰拱是隧道抗震薄弱部位，出现了不同程度开裂，需要加强隧道仰拱的抗震与减震耦合设计；断层上盘交界面附近隧道结构地震损伤最为严重，断层破...     

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。     

圆形隧道衬砌背后空洞对隧道结构影响的振动台模型试验

为研究圆形隧道背后空洞对结构抗震性能的影响,开展振动台模型试验研究。从地层参数、试验模型相似比、模型箱设计、人工边界处理、传感器布置及地震动加载制度等方面,详细介绍模型试验方案。分析模型箱的边界处理效果,重点考察了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、隧道结构的动应变规律及特征。试验结果表明:模型箱设计合理,边界的设置能够很好地模拟原型土域;随着地震波的向上传播,模型地基中的峰值加速度逐渐增大,地表处的加速度放大系数随着台面输入地震动的增大而减小;在较小地震动作用下,圆形衬砌背后空洞会缩小断面的加速度响应,而在较大地震动作用时会明显增大断面地震反应。     

软硬相间地基中地铁隧道P波斜入射下的动力响应

以地处软硬相间地基中的地铁隧道为研究对象,采用地震动力仿真模拟方法,建立了能同时考虑多点激励、土-结构动力相互作用的地基-隧道的整体计算模型,系统分析了地震P波斜入射作用下穿越软硬相间地基中地铁隧道的动力响应规律。结果表明:地震波的入射角度对隧道的响应影响较大,传统的考虑地震波垂直入射的输入方法显现出一定的不安全性;软土区宽度的增加导致隧道的动力响应有明显的加强,对结构抗震不利;隧道衬砌混凝土等级的提高将使隧道结构的位移及加速度有所减小,但是弯矩增大明显,因此通过增大衬砌混凝土的等级提高隧道结构的抗震性效果并不好,反而使衬砌结构的受力变大。     

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。     

高烈度区黄草坪山岭隧道地震动破坏机理研究

为了研究高烈度区山岭隧道地震动破坏机理,基于G318黄草坪2"上黄草坪隧道,利用离散元分析软件建立数值分析模型,深入研究了地震波的传播特性及影响隧道地震稳定性的主控因素,具体得出以下结论:①地震波在洞口处的集中效应、地震波的卓越频带以及隧道纵向围岩的差异性是造成山岭隧道破坏的3个主控因素;②隧道位移随地震频率的增大而减小,低频地震波导致的隧道位移幅值明显高于高频地震波,因此低频地震波更易造成隧道结构的破坏;③围岩连接处容易造成衬砌的开裂和剥落,需要进行单独设计和施工。     

减震层减震原理及跨断层隧道减震技术振动台试验研究

通过波函数展开法给出平面SV波入射下深埋圆形隧道"围岩—减震层—初期支护—二次衬砌"减震结构的动力响应解析近似解,分析了减震层厚度、弹性模量对衬砌结构动应力集中系数的影响,并开展了跨断层隧道抗减震研究大型振动台模型试验,通过分析跨断层及其设置减震层后隧道衬砌动力响应特性和破坏形态,得到以下有益结论:减震层与围岩弹性模量比越低,减震层厚度越大,衬砌动应力集中系数越小;减震层与围岩弹性模量的最优减震比在1/10~1/20,最优减震层厚度不宜大于0.2 m;跨断层破碎带隧道设置减震层可以明显降低跨断层衬砌结构加速度峰值和衬砌动应变幅值;断层处隧道衬砌裂缝分布数量多、复杂,多集中于拱脚、拱肩,并分布有剪切错动引起的环向裂缝,设置减震层后,断层处隧道衬砌裂缝明显减少,衬砌受力得到明显改善;断层处地表出现了平行断层方向为主的的贯通裂缝和大量斜裂缝,说明断层处以剪切破坏为主,设置减震层后,地表裂缝明显减少。     

山区高速公路隧道在地震作用下的动力响应研究

根据动力有限元原理,利用软件Midas/GTS对某一山岭高速公路隧道边坡进行地震荷载作用下动力响应分析。获得了衬砌的加速度响应和隧道结构的应力变化规律。结果表明:地震荷载作用下,衬砌在竖直方向上响应加速度具有明显的高程放大效应,由两侧拱脚向拱顶不断增大;在水平方向上响应加速度由两侧拱脚到侧拱墙再到拱顶呈先减小后增大的波动变化。在地震荷载作用下,衬砌的受力状态随着地震持时呈复杂变化,衬砌表面出现明显的应力集中显现,相比静力状态,地震荷载作用下隧道围岩的应力状态变得更加复杂,不同时刻所受的应力变化很大。     

钢—高强钢纤维混凝土组合梁负弯矩区裂缝研究

对钢—高强钢纤维混凝土组合梁的抗裂性能及其裂缝开展宽度进行反位试验研究,研究了高强钢纤维混凝土在各个加载阶段的裂缝开展情况。研究表明,高强钢纤维混凝土具有开裂荷载较高、相同加载水平条件下裂缝宽度较小、相同挠曲变形时裂缝比较密集、最大裂缝宽度较小的特点,且达到使用极限状态时荷载水平较高。     

软弱围岩隧道钢纤维混凝土衬砌承载特性模型试验研究

为满足软弱围岩隧道开挖后尽快封闭岩面、适应一定变形及提供足够支护力的要求,通过素混凝土、钢筋混凝土及钢纤维混凝土衬砌力学行为室内模型试验,对钢纤维混凝土衬砌的承载特性进行研究。研究结果表明:钢纤维混凝土衬砌初裂荷载提高了20%,极限荷载得到较大提高;掺入钢纤维后衬砌结构韧性增强,初裂后仍能抵抗一定变形并较大降低变形速率,与素混凝土、钢筋混凝土相比可承受更大的变形;钢纤维混凝土衬砌初裂后承载特性曲线缓慢上升,至2倍初裂荷载时仍无收敛迹象,素混凝土快速收敛,钢筋混凝土在一定缓慢上升后快速趋于收敛,软弱围岩条件下,钢纤维混凝土初支在一定变形后可与围岩特征曲线相交,达到围岩–结构稳定状态,是一种力学性能良好的快速支护材料。研究成果对软弱围岩隧道的设计与施工都具有重要的意义。     

Modeling crack development in reinforced concrete structures under service loading

Reinforced and partially prestressed concrete structures are generally designed to allow cracking under service loading. Accurate modeling of crack formation and propagation at lower load levels is therefore important, especially in severe environments where structural durability is a concern. Here, a spring-network approach is used to study cracking in scaled models of reinforced concrete bridge piers, which are subjected to eccentric loading. An energetic fracture mechanics approach is used to model tension softening of developing cracks. Numerical results for cracking loads, crack opening profiles, and global load–displacement response agree well with experimentally measured values. In contrast, a brittle fracture model significantly underestimates the load level of crack formation, provides unrealistic crack opening profiles at low load levels, and indicates a mechanism for structural failure different from that witnessed in the test program.     

ECC梁的力学性能试验研究

研究了PP ECC梁的四点弯曲试验性能,制作了钢筋增强PP ECC梁,钢绞线GFRP筋增强PPECC梁,素PP ECC梁和普通钢筋混凝土梁4组试件。在试验研究中,主要考虑了配筋率、龄期等参数,对比了钢筋增强PP ECC梁、钢绞线GFRP筋增强PP ECC梁、素ECC梁与普通钢筋混凝土梁的弯曲性能,测试了试件的开裂荷载、裂缝的开展、各级荷载下的应变以及试件的极限荷载,验证了平截面假定。结果表明,对不同配筋率的PP ECC梁,配筋率越大,极限承载力增加,但极限变形减小,裂缝宽度的变化不明显。同一配筋率下,PP ECC梁比普通钢筋混凝土梁具有更高的承载力和变形性能,在屈服时刻裂缝宽度可控制在0.1mm以内。     

钢筋混凝土水池壁板弯曲裂缝的开展、自愈及渗漏试验研究

储液结构混凝土的开裂是液体渗漏的主要原因。水池设计规范、规程以控制裂缝宽度来保证结构的耐久性和功能,水池的地震破坏等级划分标准也主要以构件开裂和液体渗漏程度为依据。该文进行了足尺钢筋混凝土水池壁板承受弯拉荷载作用试验,验证了混凝土裂缝具有较好的自愈性能,建议水池基本完好、轻微破坏等级的裂缝宽度限值可增加0.1mm,该值可供实际应用参考;弯曲裂缝的受压区能有效地阻止液体渗漏,建议储液结构不同种类裂缝限值规定应区别对待,弯曲裂缝需规定裂缝宽度和受压区高度;水池地震破坏等级划分应综合考虑渗漏程度,裂缝长度、宽度、分布密度及震后维修加固可行性等指标。     

Effect of fibres on early age cracking of concrete tunnel lining. Part II: Numerical simulations

The early-age cracking of concrete structures increases permeability and diffusivity and moreover accelerates the penetration of liquid, gas and aggressive agents. Consequently, the serviceability of these structures could be reduced drastically. Early-age cracking might be due to external loading, but also to the internal or external restraint resulting from autogenous, drying and thermal shrinkage. This study focuses more specifically on these latter phenomena.In the first part of this study (see effect of fibres on early-age cracking of concrete tunnel lining - Part I: Laboratory testing), ring tests were performed to investigate the sensitivity of concrete to cracking due to both shrinkage strain and type of fibre (two organic fibres and one steel fibre were studied).Ring test results were then used to validate the capacity of a chemo-thermo-viscoelastic damage model aimed at reproducing the complex behaviour of fibre-reinforced concrete subjected to restrained shrinkage through identifying the material parameters with standardised tests. The numerical simulations conducted on a real tunnel lining show that for the studied geometries and concrete mixtures, thermal shrinkage constitutes the major phenomenon capable of causing early-age transverse cracks and moreover crack opening is highly dependent on the type of reinforcement. Modifications to both fibre type and lining thickness may serve to avoid the onset of transverse cracks.     

隧道与斜井交叉段用钢纤维砼支护受力研究

空间交叉结构受力复杂性及其支护结构适应性是近年来长大公路隧道亟待解决的关键技术问题。采用喷射钢纤维混土做永久衬砌以替代复合式衬砌,可满足交叉结构承受弯曲应力作用下强度要求,同时从根本上解决了支护结构的施工性问题。从钢纤维混凝土(SFRC)抗拉韧性性能研究入手,通过四点弯曲试验,获得了钢纤维混凝土的裂缝宽度w与裂缝高度关系以及钢纤维混凝土开裂后拉应力随裂缝宽度增加而降低的拉伸软化曲线。在有限元计算中,引入应变软化模量以及剪切滞后因子两个特征参数,对云山隧道与斜井(3#)钢纤维混凝土交叉支护结构进行三维有限元数值模拟,探明了钢纤维混凝土支护隧道交叉连接段局部范围内位移变形、裂缝分布、接触应力等演化的施工力学行为,研究结果可为采用钢纤维混凝土做永久结构设计、施工以及合理支护参数选择提供有益参考。     

高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌开裂渗漏研究

 基于弹性损伤理论和等效连续介质渗流理论,提出一种可以在高压水工隧洞衬砌开裂后估算隧洞渗水量的方法。以不同水压力作用下钢筋混凝土衬砌的裂缝宽度变化作为考虑衬砌渗透性变化的主要因素,考虑衬砌裂缝与断层相交的情况和高压固结灌浆作用的影响,对水工隧洞充水、放空阶段的内外水渗漏做出相应探讨。将惠蓄高压隧洞的监测数据和数值模型计算结果进行对比得到,隧洞的渗水量与衬砌裂缝开度及洞周是否存在较显著的渗漏通道存在密切联系。在隧洞洞周没有或尚未形成显著渗漏通道的情况下充水或放空时,计算结果与实际监测结果吻合良好;在衬砌裂缝与断层连通的渗漏通道形成后,计算结果和监测结果则会存在一定的差距。研究结果可为水工隧洞充水期内水外渗和放空期外水内渗渗漏量计算提供一种有效的思路。     

PVA纤维混凝土梁裂缝试验分析

纤维的加入使得混凝土梁的受力性能有所改变 ,对普通混凝土梁规范所给出的开裂荷载、极限荷载、裂缝宽度计算公式就不再适用。通过对高强高弹聚乙烯醇纤维 (简称PVA纤维 )配筋梁受弯试验 ,对梁的裂缝进行了研究 ,在试验数据的基础上 ,拟合出PVA纤维混凝土梁的裂缝宽度的计算公式 ,对纤维混凝土裂缝宽度的计算提出建议     

玄武岩纤维混凝土梁裂缝和变形试验研究

为研究玄武岩纤维的掺入对钢筋混凝土梁裂缝和变形的影响,以玄武岩纤维体积掺率和纤维长度为变化参数,设计制作5根试验梁,通过静载试验获得了玄武岩纤维混凝土梁在受力过程中的裂缝分布、裂缝宽度和跨中挠度等试验数据,并与普通混凝土梁进行对比。基于试验数据分析结果提出了玄武岩纤维混凝土梁最大裂缝宽度和短期刚度计算方法。结果表明:玄武岩纤维的掺入可有效阻止钢筋混凝土梁裂缝的开展并提高梁构件的延性。