含小净距隧道岩石边坡地震动力特性的大型振动台试验研究

为研究含小净距隧道岩石边坡在地震作用下的动力特性,设计了一个比尺1∶10的含小净距隧道岩石边坡的大型振动台试验模型,试验以汶川波（WC）作为振动台激振波,采用水平（x）向、竖直（z）向和水平竖直（xz）向三种激振方式,研究地震作用下边坡的加速度响应特性和动位移响应特性。试验结果表明:1） 边坡加速度放大系数沿坡面向上呈现出先减小后增大的非线性变化特征,边坡会改变输入地震波的频谱成分,对高频段地震波存在滤波作用。2） x、z单向激振下边坡加速度放大系数随着加载加速度峰值的增大而增大,xz双向激振下则随着加载加速度峰值的增大而减小。3） 以3/5坡高为界,此高度以下,边坡对竖向地震波的放大作用大于对水平向地震波的放大作用,在此高度以上则刚好相反。4） 边坡水平方向位移主要受水平向地震波的影响,且随着激振加速度峰值的增大而增大。5） 以4/5坡高为界,此高度以下动位移峰值增大趋势缓慢,此高度以上,动位移响应峰值急剧增大,且在坡顶处产生最大的水平位移。6） 边坡的动位移响应与地震波的激振方向和测点位置有关。试验研究结果对含小净距隧道边坡抗震设计及其地震动力反应特性的研究有一定的指导意义。     

浅埋偏压小净距隧道加速度响应规律试验与数值模拟研究

为了获得浅埋偏压小净距隧道在地震作用下的加速度响应规律,采用振动台试验与数值模拟相结合的方法,以双向大瑞波(DR-XZ)作为加载波,研究了在不同加速度激振峰值作用下浅埋偏压小净距隧道的加速度响应规律,探讨了非偏压与偏压对浅埋小净距隧道加速度响应的影响。研究结果表明:在双向加载波水平方向上隧道的右半拱加速度响应较为强烈,竖直方向上拱顶与拱脚处加速度响应较为强烈;相对比隧道在加载波的水平方向上加速度响应,竖直方向上隧道加速度响应较为剧烈;地震波的激振方向对隧道加速度响应有较大的影响;隧道测点加速度响应变化趋势受上覆岩层的厚度、中岩柱及岩质边坡等因素影响;振动台试验值与数值模拟值之间的误差在合理的范围内,且两者变化趋势较为相似,验证了振动台试验的合理性与数值模拟结果的可靠性;相对于偏压隧道,非偏压隧道的加速度响应规律性较强,偏压对隧道加速度响应的影响作用较强。     

浅埋偏压小净距隧道加速度响应规律试验与数值模拟研究EI北大核心CSCD

为了获得浅埋偏压小净距隧道在地震作用下的加速度响应规律,采用振动台试验与数值模拟相结合的方法,以双向大瑞波(DR-XZ)作为加载波,研究了在不同加速度激振峰值作用下浅埋偏压小净距隧道的加速度响应规律,探讨了非偏压与偏压对浅埋小净距隧道加速度响应的影响。研究结果表明:在双向加载波水平方向上隧道的右半拱加速度响应较为强烈,竖直方向上拱顶与拱脚处加速度响应较为强烈;相对比隧道在加载波的水平方向上加速度响应,竖直方向上隧道加速度响应较为剧烈;地震波的激振方向对隧道加速度响应有较大的影响;隧道测点加速度响应变化趋势受上覆岩层的厚度、中岩柱及岩质边坡等因素影响;振动台试验值与数值模拟值之间的误差在合理的范围内,且两者变化趋势较为相似,验证了振动台试验的合理性与数值模拟结果的可靠性;相对于偏压隧道,非偏压隧道的加速度响应规律性较强,偏压对隧道加速度响应的影响作用较强。     

不同坡面角度碎石土斜坡动力响应特征研究

设计并完成比例1∶100的小型振动台模型试验,坡面角度为35°、45°、55°,在满足相似律的条件下,输入不同频率X,Z双向正弦波,研究碎石土斜坡动力响应规律和变形破坏特征。结果表明高程对地震波具有放大作用;水平向加速度峰值放大效应强于竖直向;随着坡面角度增大,水平向或竖直向加速度峰值高程放大效应先增强后减弱,45°时最显著;坡体下部水平向加速度峰值随高程缓慢上升,坡体上部快速上升;竖直加速度峰值在整个高程内上升,无明显分界;随频率增大,坡体内同一高程水平向加速度峰值变大,竖直向加速度峰值先增大后减小,25 Hz时高程放大效果最明显。PIV结果表明坡度为45°,频率为25 Hz时,坡肩水平向运动最剧烈。碎石土斜坡易发生坡肩破坏。     

空间小净距交叉隧道动力响应振动台试验研究

为研究空间小净距交叉隧道在地震荷载作用下的动力响应，开展了相似比为1∶50的振动台模型试验，设计并加载了5种工况水平向El-Centro地震波，通过采集的试验数据对隧道动应变响应进行了分析，并对交叉段及非交叉段围岩的加速度响应进行了对比研究，在此基础上使用反应谱理论对其动力特性与地震动之间的关系进行探讨。试验结果表明：上跨隧道的应变峰值均大于下穿隧道，同时上跨隧道的存在及围岩的挤密效应减弱了地震波对于下穿隧道的冲击作用；地震荷载作用下空间交叉隧道的动力响应具有一定的“滞后性”,上跨隧道的震害破坏出现时间较早且更为严重；围岩内部各测点的加速度放大效应都沿高程方向表现出显著的峰值特征，非交叉段的加速度响应在靠近上跨隧道拱顶处最为强烈，而交叉段却出现在靠近下穿隧道拱顶处；坡体各测点位移反应谱的幅值随输入地震波幅值的增大而逐渐增大，且卓越周期也随之增大，即卓越频率逐渐减小；弱震(0.1g)作用下，短周期(0.5～1.5 s)内反应谱曲线具有显著的峰值特征，而强震(0.6g)作用下，长周期(3.0～5.0 s)内反应谱曲线沿高程具有明显的放大效应。     

层状岩质斜坡竖向动力响应特性的振动台试验研究

以‘5&;#8226;12’汶川地震灾区典型斜坡岩体组合结构为模拟特征,采用水平层状上硬下软和上软下硬两种岩性组合概念模型,设计并完成了相应的大型振动台试验。基于有限元计算的模态分析及仪器记录结果表明,模型箱具有一定的刚度,既不会与模型产生共振,也不会产生明显放大效应。基于斜坡灾害中竖直向地震作用日益突出,而相关的试验研究又少,本文通过绘制不同振动强度下斜坡模型竖直向峰值加速度及其放大系数沿高程的变化规律曲线,揭示了正弦波尤其是汶川地震波作用下模型的竖直向加速度动力响应特性。主要结论为：（1）在两种波作用下,竖直向峰值加速度总体表现出高程放大效应,但基本上是模型下段放大速度稍快,而最大放大值则出现在中上部;（2）在汶川地震波作用下,随着振动强度增加,斜坡模型上段的峰值放大系数逐渐降低至趋于变化稳定,而下段基本不变,表明斜坡模型的高程放大效应逐渐减弱;（3）合成向地震波的作用强度大于单向地震波作用,但加载方向对竖直向加速度响应的规律性影响不明显;（4）上软下硬斜坡模型的竖直向加速度响应程度高于上硬下软斜坡模型。本文对斜坡竖直向加速度响应特性的研究将有助于人们更好地理解地震作用下一些由竖向地震力引起的变形破坏现象,同时也能够为斜坡动力稳定性计算中竖直向地震力的取值提供一定的参考价值。     

重力式与格构式组合支挡结构位移和应变地震响应的振动台试验研究

重力式挡土墙与格构式框架护坡组合是典型的高边坡支护方式,其地震作用下的动位移和动应变响应特性是颇为关注的问题,为此设计了一个比尺为1:8的边坡模型,开展大型振动台试验研究。试验结果表明：支挡结构只在水平向地震波作用下产生水平向的动位移响应,X向激振下的动位移负峰值和XZ双向激振下的动位移正峰值较小。当激振加速度 ≤0.6g时,在X向或XZ双向激振下,动位移正峰值和负峰值基本相同,当 ＞0.6g时,X向激振时动位移正峰值大于负峰值,而在XZ双向激振时负峰值大于正峰值。在X向或XZ双向激振下,当 ≤0.6g时永久位移响应幅度较小,而当 ＞0.6g时响应强度急剧增大。XZ双向激振时永久位移量稍大于X向激振且方向相反。重力式挡墙的动位移模式为平移与转动的耦合,且动位移模式的变化与地震动方向、烈度相关;格构式锚杆框架梁的动位移模式为平移。在水平向地震波作用下,重力式挡墙墙顶和框架梁产生较大的正向动应变响应。     

爆破地震波作用下圆形洞室围岩振动速度分布规律

为了探究岩石开挖爆破地震波作用下邻近圆形洞室的动力响应规律,采用FLAC3D数值模拟软件研究爆破地震波作用下不同埋深圆形隧道洞壁和地表振动速度的缩放规律,以及对不同频率平面简谐P波入射时,隧道洞壁及地表振动速度的分布规律进行研究,并通过理论计算结果的对比分析,检验了数值模拟的可靠性。研究结果表明:隧道埋深会引起隧道洞壁及地表振动速度产生缩放效应:隧道埋深较浅时,隧道洞壁上半部分缩放效应大于下半部分,振动速度放大系数随埋深增加而减小;埋深较深时时,隧道洞壁各位置质点振动速度放大效应随埋深的增加呈现递增规律;地表振动速度放大系数峰值随隧道埋深的增加向背爆侧偏移;迎爆侧洞壁振动速度随入射波频率增加呈增大趋势;地表振动速度放大系数峰值随入射波频率增加向爆源方向偏移。     

不同时速列车振动荷载下衬砌拱圈振动响应传递规律

通过高速铁路隧道衬砌振动响应的现场试验,发现隧道衬砌拱圈在列车荷载作用下,其振动加速度幅值随车速的增大而增大,且拱圈横向振动与竖向振动呈现不同的传递规律。文中开展理论分析与仿真计算,建立ABAQUS有限元平面模型,采用动力隐式算法对不同车速列车荷载作用下的隧道衬砌拱圈振动响应问题进行了理论分析,得出以下结果:有限元数值计算结果与实测结果基本吻合,可用作对实际测量数据的补充与预测;隧道振动响应随列车速度的增加而呈现增大趋势;不同车速引起的衬砌振动加速度响应传递规律一致;不同车速引起的衬砌竖向振动加速度幅值在拱顶位置较小,且随列车时速增大而变化不明显;衬砌拱顶横向振动明显随列车速度的增大而增大,但不同车速引起的衬砌横向振动在隧道圆心水平位置（即0°与180°）随列车时速变化不明显,且振动幅值较低;拟合了不同时速列车引起的隧道衬砌横向与竖向振动加速度的经验公式。     

二维层状盆地地震动附加放大特征研究:SV波入射

发展了一种基于谱元法和多次透射边界的平面SV波入射下二维复杂场地波动数值模拟方法。基于该方法,模拟分析了31条地震波输入下二维典型层状沉积盆地中的各场点相比其对应的一维土层模型的模拟地震动的附加放大特征,分析了放大系数对于输入地震波的敏感性。结果表明,该方法具有较高精度和良好的高频稳定性。不同地震波输入下,盆地地面运动及其放大特征存在较大差别。水平分量上平均反应谱放大系数的较大值(最大1.2左右)集中在盆地边缘区域及周期等于0.5倍～0.7倍自振周期附近,垂直分量上较大放大系数(最大0.9左右)紧邻盆地角点且周期为0.3倍自振周期处。同时,盆地对不同周期地震动的放大特征,以及不同位置点的谱放大系数随周期的变化规律均表现出明显不同,相对短周期地震动的盆地边缘效应最为强烈,而相对长周期地震动的放大作用明显减弱。此外,盆地边缘区域的放大系数对输入波最为敏感,不同地震波输入下放大系数值在较大范围内变化;而盆地中间区域的放大系数对输入波不敏感,其值的变化范围相对较小。     

面板堆石坝震动响应及变形规律的试验研究

采用Parkfield波作为地震动输入,在清华大学50g-t土工离心机振动台上中进行了一组面板堆石坝动力离心模型试验。试验在50倍重力加速度条件下完成,采用加速度传感器测量了模型不同位置动力响应的加速度时程并且采用应变片测量了面板的应力-应变,通过改变地震波输入的幅值和是否蓄水分析研究了面板堆石坝的震动响应及变形规律。结果表明面板坝自下而上存在地震响应放大现象,靠近上下游坝坡位置的加速度响应要大于同高程处坝轴线附近的加速度响应;地震作用下面板产生较明显的压应力,最值发生在面板中上部;面板中部出现较明显的弯矩;改变输入地震波的幅值大小对坝体加速度响应的分布规律、坝体位移变化的分布规律以及面板应力变形的分布规律没有影响,但地震波输入幅值的增加会减弱地震波的加速度放大效应;竣工期的地震加速度响应比蓄水期的要大,说明蓄水可以削弱地震波对坝体的加速度响应,但蓄水会导致坝体和面板的变形增加。     

多维地震激励下人字形桥梁地震模拟振动台试验研究

为研究人字形桥梁在地震作用下的动力响应,以某人字形桥梁为原型,制作了一座相似比为1/20的模型桥梁,采用El-centro波对其进行了不同地震烈度的多维激励地震模拟振动台试验和有限元分析。研究结果表明：随着地震烈度的增加,模型结构自振频率降低阻尼比增大;桥墩墩顶顺桥向加速度响应基本不受竖向地震分量影响;计算桥墩墩底应变响应时进行水平双向地震激励即可满足要求;梁体跨中竖向加速度响应,主梁和分支梁间的伸缩缝宽度取值,伸缩缝处的碰撞响应等均与地震波输入维度有关。因此,对于人字形桥梁在进行抗震设计时应针对不同的设计目的对其进行选择性的多维地震激励。     

受相邻上部结构影响的隧道-土体系振动台试验研究

为了研究在上部结构存在下隧道与土体的地震响应规律,以地表建筑结构和地下上下平行隧道体系为背景,在软土场地上进行了隧道-土-相邻上部结构体系振动台试验。先介绍了整体试验的概况,包括振动台性能和模型材料,模型各物理量的动力相似关系,模型结构的尺寸,并参照已有研究选定了模型箱内部的边界条件,模型中传感器的位置以及适合该场地的地震波和加载制度。然后,分别从加速度和变形两方面对上下平行隧道与土的地震响应进行分析。在上部结构存在条件下,试验数据表明:①土体加速度峰值沿深度整体自下而上增大,隧道上部土体的加速度增大明显,随着输入加速度峰值的增大,土体的加速度放大系数减小;②在地震波作用下,上隧道的加速度反应大于下隧道,且上隧道的拱腰、拱脚部分与下隧道的拱肩、拱脚部分应变峰值最大。     

二级支护边坡重力式挡墙地震动力特性的振动台试验研究

根据顺层岩石倾角20°,30°和40°,设计了3个比尺为1∶8、重力式挡墙与格构式锚杆框架结构二级组合支护的厚覆盖层与顺层岩石边坡模型,开展了3个大型振动台模型试验,对比研究多级支护和不同顺层岩石倾角条件下重力式挡墙的地震动力响应特性。大型振动台模型试验以汶川波作为激振波,采用水平(X)向、竖直(Z)向和水平竖直(XZ)双向等三种激振方式,测试了重力式挡墙加速度、动位移和动土压力响应特性。通过分析加速度动力响应特性,得到了加速度放大系数随激振方式、激振加速度峰值、墙高和顺层岩石倾角的变化规律;通过分析动位移响应特性发现,重力式挡墙主要产生水平向动位移响应和动位移模式,且主要由水平向激振所产生,其动位移响应特性、动位移模式不因激振方式、岩层倾角而变化;通过对动土压力响应特性分析,得到了不同岩层倾角、激振方式条件下的动土压力沿墙高分布形式,以及动土压力响应峰值与岩层倾角、激振方式的变化规律。试验研究结论为二级支护边坡中重力式挡墙抗震设计及其地震动力反应特性的进一步研究奠定了良好的基础。     

爆破荷载作用下邻近深埋隧道衬砌动力响应数值模拟

为了研究深埋小净距隧道在爆破荷载下的动力响应以及保证隧道的安全和稳定,以三洞分离隧道爆破开挖工程为背景,通过ANSYS/LS-DYNA模拟分析深埋小净距隧道在爆破荷载作用下的衬砌动力响应。分析了隧道同一截面拱顶、拱腰、拱脚不同测点,不同断面的振速和位移。研究结果表明：衬砌内侧(与净空面接触)拱脚首先产生振动,爆破卸载后,衬砌外侧(与岩石接触)振动速度达到峰值。纵断面的振动速度差异较大,水平位移的影响大于垂向位移的影响。最大位移出现在拱顶,其次出现在迎爆侧拱腰处。断面拱脚处测点振动加速度最大,受到的爆轰也最大。     

独立式石箍窑洞振动台试验研究

根据现场调研,以山西省静乐县典型三连拱独立式石箍窑洞为研究对象,设计制作了缩尺比例为1∶4的模型结构,并对其进行了地震模拟振动台试验,分析了模型结构的自振频率、阻尼比、加速度放大系数、最大相对位移、位移角、底部剪力与耗能等。结果表明：独立式石箍窑洞结构在地震作用下的薄弱部位为边洞洞口处拱顶与中窑腿;随着输入地震波峰值加速度的增大,模型结构自振频率下降,阻尼比上升;模型结构各部位的动力放大系数随着输入峰值加速度的增加变化不大,x向动力放大系数最大处为拱顶,y向动力放大系数最大处为窑顶;输入加速度峰值为70 gal(小震)、200 gal(中震)、440 gal(大震)时,结构最大侧移角均出现在拱顶,分别为1/1618、1/491、1/255,输入峰值加速度为600 gal时,最大侧移角出现在窑顶,为1/102;输入峰值加速度为800 gal时,结构的最大扭转角为0.0037 rad;底部剪力和累积滞回耗能均随着输入地震波峰值加速度的增大而增大。研究结果可为石箍窑洞这一西北传统民居的妥善保护和传承提供科学依据。     

不同SV波输入方向下山岭隧道的地震响应分析

首先,针对均匀半空间的三维模型,推导了地震波SV波输入下等效节点力的求解公式,建立了SV波的三维倾斜输入方法。通过与其他数值解对比,验证了输入方法的准确性。与以往建立的SV波输入方法只能相对三维模型的某一平面内改变输入方向相比,所建立的方法可在三维空间内任意地改变输入方向。最终,基于建立的输入方法,模拟了不同SV波输入方向下某长大隧道洞身段的地震响应规律。研究了SV波入射方向对隧道衬砌的塑性变形、轴向拉伸变形、轴向剪切变形、横截面出平面变形和横截面平面内变形的影响。通过数值模拟分析发现SV波输入角度对长大隧道洞身段的地震响应具有较大影响,在实际地震响应分析中应考虑SV波的入射方向。     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。     

饱和砂土中直群桩及土体地震动力响应特征研究

为了更好地研究地震作用下饱和砂土中群桩及土体动力响应特征,设计了饱和砂土液化场地2×2直群桩动力响应离心机振动台试验,获得承台、土体加速度以及孔压动力时程曲线。为了更深入地分析群桩及土体地震动力响应特征并满足对比研究的需要,在试验基础上,基于ABAQUS有限元软件平台,通过引入砂土液化大变形本构模型,采用有限元网格自适应调整技术克服大变形畸变问题,建立液化场地群桩基础静动耦合非线性相互作用的二维有限元模型进行数值模拟分析,并与试验结果进行对比验证。结果表明:在峰值加速度0.3g El-Centro地震波工况下离心机振动台试验饱和砂土地基液化速度非常快,直群桩基础承台加速度相比较输入波明显缩小,0.3g大震作用下地基浅层加速度显著衰减,地基液化区域由浅入深逐渐发育;饱和砂土地基超静孔隙水压力发展影响土体和桩基承台加速度响应,土体液化直接导致加速度数值减小;数值模拟加速度结果与试验的加速度动力响应特性略有区别,数值模拟加速度地基浅层出现先放大后缩小的规律,深层土与输入波形基本一致;数值模拟超静孔隙水压力与超静孔压比与试验基本一致,而模拟得到的承台位移结果相较于试验偏于保守。