陡倾顺层斜坡动力失稳机理分析（特约稿）

针对汶川地震中边坡的破坏形式与坡体结构密切相关的问题,以“5·12”汶川地震中安县高川乡大竹坪滑坡和干磨房滑坡失稳工点为原型,在充分分析滑坡地区工程地质条件及其动力变形特征的基础上,提出采用3维离散元数值模拟技术进行失稳机理对比分析的思路。结果表明：陡倾顺层硬岩斜坡的动力破坏形式以崩滑为主,陡倾顺层软硬互层斜坡的动力破坏形式以滑移弯曲为主;在相同地震作用下,峰值地面加速度（peak ground acceleration,PGA）放大系数与坡体高程总体成正相关,斜坡同一高度处的PGA放大系数由坡表向坡内总体呈现先增大后减小的趋势;陡倾顺层硬岩斜坡的PGA放大系数总体小于陡倾顺层软硬互层斜坡,硬岩斜坡的PGA放大系数范围在2～3,最大值在坡表的3/4处;软硬互层斜坡的PGA放大系数范围在2.5～4.0,最大值在斜坡顶部。此外,陡倾顺层硬岩斜坡的破坏机制为4个阶段：层面部分贯通滑移-锁固段震荡松弛-上部抛射-底部滑面贯通并失稳,而软硬互层斜坡的失稳机理则为：层面错动-部分贯通滑移-下部局部抛出-局部弯曲-高位横向扩展滑移-下部弯曲折断-整体失稳。研究成果可为西南地区高陡顺层岩质斜坡失稳评价及机理分析提供相应的技术支持。     

大断面深埋软岩隧道开挖方法适应性研究

为研究大断面隧道在深埋软岩条件下采用不同工法开挖的适应性,依托郑万高铁巴东隧道项目,运用Midas GTS NX分别模拟了三台阶法、台阶法+临时仰拱与CD法在深埋软岩中的开挖过程,并对3种开挖方法力学效应进行分析。结果表明3种工法在深埋软岩隧道施工中,围岩的最小主应力、最大位移和塑性区均出现在仰拱部位,而仰拱变形是反应开挖时围岩稳定性的重要因素。台阶法+临时仰拱对收敛位移控制较好,适用于水平应力对支护结构影响较强的地层,建议在洞口等浅埋段采用。CD法支护结构应力较大,不利于围岩稳定。三台阶法支护结构受力较小,并对仰拱变形中超前位移控制最佳,为现场施工提供了指导。     

压力型可回收式锚杆锚固段应力分布

利用弹性力学理论计算了锚固体因轴向压缩导致径向膨胀而产生的径向应变,并与土力学理论相结合计算出砂浆体挤压周围岩土体产生的径向应变。根据锚固体与周围岩土体边界面上的变形协调假定,推导出了压力型可回收式锚杆锚固段应力分布的理论解,并与现有理论结果进行对比。结果表明：理论解比现有理论结果更加贴近实际。基于理论解讨论了锚固体与岩土体弹性模量之比E₁/E₂、岩土体泊松比μ、锚固体外半径R对锚固段上的峰值剪应力及其应力分布范围的影响。结果表明：E₁/E₂、R越小,μ越大,峰值剪应力越大,剪应力分布范围越小。     

方向性脉冲型地震动对沉管隧道动力响应分析

为揭示地震动的脉冲效应对沉管隧道动力响应的影响,参考广州佛山沉管隧道建立了一个双向四车道沉管隧道动力分析有限元模型。动力有限元模型中引入了土体的非线性动力本构模型,通过在模型底部水平向输入地震动,对比分析了40组具有方向性效应脉冲型地震动(FD)及相应剔除速度脉冲后的无脉冲地震动(NP)作用下沉管隧道的地震响应。研究结果表明:(1)FD地震动相对于NP地震动对沉管隧道的响应更大(位移、加速度及应力);(2)随着地震动峰值速度(PGV)的增大,结构的响应也都呈现出增大的趋势,同时峰值速度影响系数R较大时,相对应的结构响应脉冲影响系数K也大,说明具有速度脉冲的地震动对结构的响应更大;(3)随着脉冲周期T_p的增大,结构响应的脉冲影响系数K都是先增后减,并且脉冲周期在结构第一自振周期附近区间时,结构响应都较大,说明脉冲型地震动的脉冲周期对沉管隧道的地震响应也有显著影响。     

基于松动圈理论的软岩大变形隧道锚杆支护优化研究

在高地应力软岩区修建隧道时,由于软岩自身强度低、膨胀性强,又受高地应力挤压,若施工措施不当易发生软岩大变形,给工程建设带来巨大困难。根据围岩松动圈理论,采用统一强度准则,考虑中间主应力的影响,分析围岩应力状态,得到适用于软岩大变形隧道围岩松动圈半径计算公式。对安岚高速谢家坡隧道围岩进行弹塑性分析发现,软岩大变形隧道围岩松动圈沿横断面分布并不均匀,呈边墙大拱顶小的趋势,且随大变形级别的升高和支护反力的减小而增大。结合现场测试得到Ⅱ级大变形松动圈厚度拱顶处为6.5~7.0 m,边墙处为7.0~7.5 m;Ⅲ级大变形松动圈厚度拱顶处为7.5~8.0 m,边墙处为8.0~8.5 m,并以松动圈厚度为依据优化系统锚杆长度。对优化段监测可见,围岩变形显著减小,稳定性有效提高。     

基于矢量地震动强度参数的隧道结构易损性分析

基于矢量地震动强度参数,对软土浅埋隧道进行地震易损性分析。开展大量土体隧道结构动力非线性有限元计算,利用计算结果,对15个地震动强度参数(IMs)与隧道破坏指标(DI)进行对数线性拟合回归,并采用有效性、实用性和效益性3个指标对不同IMs进行合理性分析。研究发现,峰值加速度(PGA)是最优IM,其次是峰值速度(PGV)和加速度谱强度(ASI)。根据揭示的最优IM(即PGA)建立基于标量IM的隧道地震易损性曲线,利用合理地震动强度参数中PGA和ASI建立基于矢量IMs的隧道地震易损性曲面,并与上述地震易损性曲线进行对比。结果表明:采用标量IM的地震易损性分析不能表达第2个地震动强度参数IM对隧道抗震性能的影响,所建立的基于矢量IMs的易损性曲面能更精准地评价盾构隧道的抗震性能。     

西安地区风险导向地震动参数的确定

为实现一致倒塌风险,对风险导向地震动参数进行了研究．首先,基于ArcGIS Engine平台,采用离散算法对西安地区的计算控制点进行了概率地震危险性分析;然后,根据地震危险性分析得到的年超越概率曲线,考虑结构的地震易损性,基于地震动决策参数已有的研究成果,通过风险积分得到了各计算控制点的风险导向巨震、大震、中震的地震动参数PGA_RV、PGA_RM、PGA_RD,并计算了风险系数R_c（风险导向大震的地震动强度与大震对应地震动强度之比）以及风险导向巨震、风险导向大震与风险导向中震地震动参数的比例关系K₁、K₂;最后,分别取结构易损性对数标准差βR为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0,通过参数影响分析研究了βR对PGA_RM、R_c、K₁和K₂的影响．研究结果表明:倒塌概率并不会随着极罕遇地震对应地震动强度的增加而增加;PGA_RM、R_c、K₁和K₂都随着βR的增加而增加;βR越大,对PGA_RM和R_c的影响越大,对K₁和K₂的影响不变;K₁和K₂比PGA_RM和R_c对βR敏感,K₁对βR最敏感．本文得到的西安地区的风险导向地震动参数可以为抗震设计提供参考．     

输水隧道二维地震反应分析

为研究软土中的浅埋输水隧道由于内部水体的作用使其动力特性与一般的交通隧道有所不同.在考虑介质的辐射阻尼的情况下,采用流-固耦合的分析方法分析一穿越河底的大管径输水隧道二维平面应变的地震反应,同时讨论其水体晃动、阻尼系数、内水压力、围岩种类、围岩的不均质分布、围岩和衬砌的非线性及衬砌的厚度对衬砌的地震响应的影响.结果表明:在满水且无内水压力的情况下,流体对隧道衬砌的地震反应影响不是很大;但其水体晃动、辐射阻尼、内水压力、围岩种类、围岩的不均质分布和围岩非线性及衬砌的厚度,对衬砌的地震反应有很大的影响;并且随着内水压力的增加,其地震反应趋于剧烈.     

含建筑桩基的顺层岩质边坡桩锚支护体系振动台模型试验研究

基于Bockingham π定理,对具有建筑桩基的顺层岩质边坡桩锚支护体系开展振动台模型试验,通过分析预应力锚索、建筑桩基的应变以及边坡坡顶加速度,研究支护体系的动力响应规律。结果表明,预应力锚索的应变在地震波加速度达到峰值时达到最大值,且上排锚索受力大于下排锚索,随着地震幅值的增大,最上排锚索锚固段率先发生滑移破坏失去锚固作用;建筑桩基应变最大值点位于滑动面以下一定深度,且远离边坡坡面的建筑桩基受力大于邻近边坡坡面的建筑桩基;坡顶各点峰值加速度随地震波幅值增大整体表现为线性增大,但在Wenchuan-Wolong波（0.55g）和Sin波（0.4g）工况时,各点峰值加速度相对有所下降,随着地震波幅值增大,各点峰值加速度放大系数在汶川波和正弦波作用下并非单调变化,而是表现为先减小后增大波动变化特点。     

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。     

公路隧道应力释放率对软弱围岩稳定性影响

近年来,由于新奥法广泛地运用于地下工程的施工过程中,围岩与支护结构之间的相互作用以及支护时机受到越来越多的关注。中条山隧道洞口段软弱围岩开挖步序多、工序及应力变化复杂,尤其是核心土解除后和二衬施工前安全风险大。本文采用有限差分软件对该隧道洞口段施工过程进行三维数值模拟,研究了洞周位移及支护结构在不同应力释放率下的力学响应,重点分析了典型断面处洞周围岩及支护结构的位移和受力情况,以及洞周位移随施工过程的动态变化规律。研究结果表明：对于软弱围岩公路隧道,应力释放率越大,围岩的塑性区发展范围越大,洞周位移越大;开挖过程中,拱顶沉降受到的持续性扰动较大;待二次衬砌施作后,仰拱隆起和收敛位移趋于稳定。     

输水隧道流-固耦合地震反应研究

目的为了研究在考虑介质的辐射阻尼的情况下，穿越软土地区的浅埋大管径输水隧道在内水作用下。其水体晃动、阻尼系数、地震激励方向、内水压力、围岩种类、围岩和衬砌的非线性以及衬砌的厚度对衬砌的地震响应的影响．方法根据流固耦合原理建立内水-衬砌-围岩三者的运动方程。以一穿越河底的输水隧道为例，采用三维流固耦合有限元程序对其进行地震反应分析．其中管内水体采用基于势的流体单元．结果经分析得出其中水体晃动、地震激励方向、高内水压力、围岩种类，围岩非线性及衬砌的厚度都对衬砌的地震响应的影响很大．结论采用有限元理论分析了对衬砌的地震响应有影响的几个因素，为工程设计与施工提供了可靠的理论依据．     

TSP超前地质预报系统及其在隧道施工中的应用

为对隧道施工进行超前地质预报,在薛城隧道K30+708～K30+673段内右壁布设了24个激发孔,K30+728段左右壁各布设了1个接收孔,对出口段K30+652～K30+540段进行了测试,并利用TSP对测试数据进行处理、分析。根据围岩的实际开挖情况,由测定的纵波波速和岩体声波波速数据以及地震波的反射界面图,结合TSP的预报结果进行综合分析。结果表明,TSP技术在薛城隧道安全施工中的应用总体是可靠的。     

局部液化地层范围及埋深对隧道地震上浮的影响研究

杭州地铁4号线甬江路站-锦江站区间施工时需穿越大范围的可液化地层,为降低隧道在地震作用下上浮破坏的潜在风险,该区间选线时将隧道埋深进行了增大,从而使隧道部分处于非液化土层。为了研究在地震作用下盾构隧道局部液化地层范围以及隧道埋深对隧道上浮的影响,并对隧道调整后的抗震效果做出评价,采用有限差分软件FLAC^3D数值模拟与振动台试验相结合的方法,对处于不同液化土层分布范围、不同埋深的隧道地震上浮情况进行了数值分析及模型试验,研究结果表明：隧道液化地层范围越小,隧道上浮位移越小;当隧道埋深达14 m、隧道液化地层范围小于隧道范围一半时,隧道只发生轻微上浮;隧道设计时应尽量避免使隧道完全处于可液化地层中,可采取液化与非液化地层组合或增大埋深的方式,提高隧道结构的抗震安全性。     

TSP超前地质预报系统及其在隧道施工中的应用

为对隧道施工进行超前地质预报,在薛城隧道K30＋708-K30＋673段内右壁布设了24个激发孔,K30＋728段左右壁各布设了1个接收孔,对出口段K30＋652～K30＋540段进行了测试,并利用TSP对测试数据进行处理、分析。根据围岩的实际开挖情况,由测定的纵波波速和岩体声波波速数据以及地震波的反射界面图,结合TSP的预报结果进行综合分析。结果表明,TSP技术在薛城隧道安全施工中的应用总体是可靠的。     

浅埋软岩段隧道进洞施工变形特征与失稳分析

为研究隧道开挖过程中浅埋软岩段塌方变形特征,对隧道地质情况进行有效辨识,结合隧道施工过程围岩监测数据,并依据地质雷达探测结果建立三维数值模型并进行数值分析。研究结果表明:在隧道开挖阶段,拱底与拱顶位置均出现明显塑性区,伴随掌子面逐渐靠近围岩破碎区域,塑性区范围逐渐扩大并向拱顶右上方及围岩内部转移,破碎区域应力水平较低且位移显著增大,围岩完整性大大降低;不良地质构造是隧道发生塌方大变形的主要原因,降雨和地表水的入渗劣化围岩力学性质加速了隧道灾害的发生。对于隧道五级围岩浅埋段施工,应加强监控量测分析并及时做出预警,对关键部位开展超前地质预报工作。研究结果可以指导隧道塌方灾害的防治,对于实现隧道信息化施工具有借鉴意义。     

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。     

软岩浅埋连拱隧道施工围岩变形特征分析

为研究软弱破碎围岩浅埋连拱隧道施工过程中围岩变形特性,依托陕北某连拱隧道实际工程,通过现场布设监测仪器系统开展了拱顶沉降、围岩变形长期测试,获得了随施工过程拱顶沉降及围岩径向变形规律。结果表明：地表沉降近似于Peck沉降曲线,越靠近隧道中心地表沉降越大,最大沉降值产生于左线隧道开挖落底后,约为12.1 mm;拱顶沉降沿隧道纵向变化规律为：中导洞>正洞>左右侧导洞,中导洞表现为拱顶下沉,侧导洞则是水平收敛,上台阶施工因未临时仰拱封底而其收敛变形显著大于下台阶施工;随距隧道壁面距离增加,测点累计变形量逐渐减小,K21+970测试断面围岩松动区约2 m,因测线布置限制,K21+970测试断面松动区超过4 m。