断层上覆土层破裂对埋地管道的影响

利用ANSYS程序建立的三维管土非线性有限元模型,计算分析了断层基岩上覆土层的变形破裂形式、土层厚度及土层土质的硬度对埋地管道的影响.结果表明,埋地管线发生大变形及失效的位置由上覆土层的破裂形式决定,穿越土层发生塑性变形及破裂区域的管段是管道发生塑性变形的管段.当断层倾角发生接近于90°的错动时,随上覆土层破裂的发展,埋地管道产生两处塑性变形区段.上覆土层越厚,埋地管道发生塑性变形的长度越长,变形值减小.埋在土质较硬土层中的管道发生塑性变形的管段长度短,极限应变值大.     

逆断层作用下埋地管道局部屈曲行为研究

为研究断层作用下埋地管道的局部压溃和起皱行为,以黄土地层埋地管道为例,建立了管土耦合数值计算模型,分析了逆断层作用下埋地管道的变形及局部屈曲过程,研究了内压、径厚比及地层位错量对管道局部屈曲模式的影响规律。结果表明,随着地层位错量增大,断层面两侧管道出现应力集中,并逐渐演化为局部屈曲,埋地管道变形曲线由S形变为Z形,断层面两侧的管道变形并非呈对称或反对称分布,上盘区的管道屈曲现象较下盘区更为严重;地层位错量大于3倍管径时,管道轴向应变迅速增大;无压管道和低压管道的局部屈曲模式为压溃,而随着内压的增大,管壁屈曲模式由压溃变为起皱,且管道起皱幅度随着内压的增大而增大;上盘区管段屈曲部位与断层面之间距离受内压、径厚比影响较小,而压溃模式下下盘区屈曲部位与断层面之间的距离随着内压的增大而减小,起皱模式下二者之间的距离随着内压的增大而增大;不同地层位错量作用下,管道最大轴向应变随径厚比的变化呈现出不同变化规律。     

考虑压缩失效时埋地管线跨地震断层的最佳交角研究

在断层错动下埋地管线跨断层的最佳交角研究方面,已有方法均以管道受拉失效为基本假定,未考虑管道压缩失效的情况.本文利用管体壳模型有限元方法进行了跨断层管线在断层错动下管体反应的计算分析,在考虑管材特性、管道尺寸及地基土特性多种影响因素的情况下,探讨了在仅控制轴向拉伸应变值和同时控制轴向拉伸应变值与轴向压缩应变值两种管道失效控制准则下管道的失效问题,分析了不同失效控制准则对管线跨断层的最佳交角的影响.发现失效控制准则是确定最佳交角值的关键因素,而且基于同时考虑拉伸和压缩失效的控制准则,管线跨断层的最佳交角应在70°左右.     

四川省渠县賨人谷景区活动断裂的地貌标志

位于华蓥山复式背斜西翼的两条叠瓦状活动断裂贯穿四川省渠县賨人谷景区内,断层的逆冲作用导致基岩发生垂直错动,沿断层走向线形成数个断层崖,白水溪一段河道也因断裂活动被垂直抬升10m左右,废弃的古河道成为一地下溶洞的洞顶.根据各地貌标志物特征,对断裂产状要素进行了标定,两条断层的走向介于NE25°-NE30°之间,倾向为NW296°-NW301°,倾角为68°-74°.另外,断层崖的形态表明断层活动年代较新,近万年内沿断层仍有比较强烈的逆冲活动.     

穿越正断层埋地管线的破坏模式分析

在正断层引起的地面永久性大变形作用下,埋地管线可能会发生拉伸、剪切等形式的强度破坏,亦可能在局部受压区发生屈曲破坏。利用ABAQUS 有限元分析软件,建立穿越正断层埋地管线的空间有限元分析模型,采用非线性接触分析方法模拟正断层引起的地表永久性大变形作用下管线—土体间的相互作用,分析了不同管径、跨越角对管线破坏模式的影响。依据算例分析可知：小口径埋地管线易发生拉伸强度破坏,大口径薄壁管线易发生屈曲失效,口径0．65 m 是管线从发生强度破坏到发生屈曲破坏的临界值;当跨越角大于90°时,角度越大越易发生屈曲失效,跨越角为100°是埋地管线发生强度破坏与屈曲失效的分界点。     

正断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析

目的研究正断层位错作用下城市地铁隧道的抗震薄弱部位,为地铁隧道工程的抗震设计及地震安全性评价工作提供依据.方法采用拟静力弹塑性有限元方法,以北京地铁7号线工程的区间隧道作为研究对象,分析在正断层位错作用下地铁隧道的损伤破坏机理.结果通过大量的计算分析建立了临界覆盖土层厚度(H_(临界))与断层位错量(D_V、D_H)之间的关系式:H_(临界)=52.605D_V+144.117D_H-30.789,回归拟合了能够估计衬砌结构在正断层位错作用下抗震薄弱部位的关系式:L_(损伤)=0.345H+15.545D_V-5.212D_H+42.023(L损伤为损伤区域长度).结论在正断层位错作用下,衬砌结构出现损伤的区域主要发生在活断层附近一定范围,拱顶部位损伤最为严重.增加基岩上覆土层厚度能够减轻衬砌结构的震害程度,当土层厚度不小于临界覆盖土层厚度时,正断层错动对于埋地隧道不会产生影响.正断层作用下竖向张拉力对隧道结构的损伤范围影响较大,在土层厚度相同的情况下,衬砌结构出现损伤区域的最终长度随着断层倾角的增大逐渐增大.     

逆断层粘滑错动对公路隧道影响的试验研究

结合大量地震断层的案例,针对逆断层倾角为75°,60°,45°三种工况通过模型试验研究不同倾角逆断层粘滑错动下隧道应变分布规律和整个破坏过程.试验结果表明:断层倾角越小,上盘范围内隧道顶部的纵向拉应变越大,并且拉应变进入过载状态时的错动位移值越小.当断层倾角为75°时,隧道的主要破坏形式为直接剪切破坏;当断层倾角为45°时,隧道的破坏形式以弯曲拉破坏为主;45°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面2.0 D(D为隧道洞径)至下盘距离断层面0.2 D,75°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面0.8 D至下盘距离断层面0.4 D.     

穿越走滑断层埋地管道应变特性的试验研究

穿越断层的埋地管道在地震等外力作用下会发生屈曲、断裂等破坏,研究走滑断层作用下埋地管道的应变特性,对管道工程的设计和防护等具有重要意义.借助前期设计的场地变形组合试验装置,针对走滑断层的作用特点,模拟穿越此断层的埋地管道受力情况,测得随断层错动管道的应变分布及管道周边土体压力变化,分析管径变化对应变和管周土压力的影响,得出管道变形区域的范围.试验结果表明:断层面附近的管道在断层走滑错动过程中受到轴向拉力或压力的作用,其变形沿断层面与管道交点近似呈中心对称;距离断层较远的管道随土体一起运动,不会产生变形,即管道变形在断层附近的一定区域内;管径越大,受断层运动影响的管道变形区域越小;随断层错动位移量的增大,断层附近管道周围土压力和管道的轴向应变都增大,且随管道直径的增大管周土压力和轴向应变减少.     

跨断层聚乙烯埋地供水管线抗震反应参数分析

以供水用聚乙烯(PE)管线为研究对象,采用有限元分析软件ABAQUS建立管土非线性接触模型.采用薄壳单元模拟管线作为中空壳体结构的力学特性,采用三维实体单元模拟管线周围土体,分析逆断层作用下管线的地震反应行为.对可动盘土体施加挤压位错量来模拟逆断层运动,讨论埋地管线的跨逆断层反应行为,考察断层位错量、管线径厚比、场地条件、断层角度等因素对管线抗震性能的影响.结果表明:在断层作用下,供水用聚乙烯埋地管线的变形主要集中在断层引起的土体破裂带附近区域,且上述参数对埋地管线的抗断层反应性能均有一定的影响.     

汶川地震的地表破裂与逆冲-走滑作用

2008年5月12日在龙门山映秀-北川断裂带发生的8.0级特大地震,属于逆冲-走滑型地震.作者以地表破裂为切入点,在映秀-北川断裂和彭灌断裂的关键部位,对断错山脊、洪积扇、河流阶地、边坡脊、断层陡坎、河道锴断、冲沟侧缘壁位错、小路位错、公路位错、公路拱曲、构造裂缝、断层偏转、擦痕、挤压脊、坡中槽等汶川地震所导致的地表破裂和断裂带开展了详细的野外地貌测量,标定了映秀-北川断裂带和彭灌断裂的垂向断距和水平断距,结果表明汶川地震的地表破裂带沿北东东向延伸,走向介于NE30°～50°之间,倾向北西,倾角介于30°～40°之间.其中北川-映秀断裂带的破裂带从映秀向北东延伸达180～190 km,属于单侧多点破裂型,以逆冲-右行走滑为特点,垂直位错为1.60～6.00 m,水平位错为0.20～6.50 m;彭灌断裂的地表破裂出露于彭州磁蜂场-绵竹汉旺之间,长度为30～40 km,以逆冲-右行走滑为特点,垂直位错为0.39～2.00 m之间,水平位错为0.20～0.70 m.表明该地震地表破裂带存在逆冲运动分量和右行走滑运动分量,逆冲运动分量略大于或等于右行走滑运动分量.根据历史地震和活动构造地貌的年龄测定资料,作者认为该区单条断裂的强震复发间隔在1～3ka.在此基础上,初步编制了龙门山地区的地质动力模型图,并认为下地壳物质在龙门山的近垂向挤出和垂向运动,导致了龙门山断裂带的向东逆冲运动、龙门山构造带抬升和汶川特大地震.     

走滑断层作用下埋地充液钢质管道接口应变特性的试验

目的研究走滑断层作用下埋地充液管道不同接口的力学性能,保证埋地管道的安全运行,并为埋地管道抗震设计提供参考.方法利用自行研发的场地变形模拟箱体和千斤顶等设备,对走滑断层作用下埋地管道不同接口的力学性能进行试验.将接口形式分为焊接、螺纹连接、法兰连接,接口位置分别在断层处与非断层处(距离断层处500 mm)的管道埋于箱体内,并向管道内充入常温自来水,保持管内压力,再利用试验设备模拟走滑断层作用.结果通过测量管道各处应变,箱体及管道位移和管内水压变化,得出只有焊接接口应变比相同位置直管段应变小;管道上最大应变出现在断层附近(试验中为距断层300 mm处);与螺纹连接管道相比,当断层错动量小时,焊接管道在断层处位移大,而断层错动量大时管道位移小;只有法兰连接管道内的水压有所下降.结论走滑断层条件下,埋地管道接口适合用焊接,不适合用法兰连接;埋地管道接口在断层错动量小时适合采用螺纹连接,错动量大时适合采用焊接;在断层两侧一定距离处管道最容易破坏,埋地管道接口不宜设在此处.     

埋地管道断层错动反应分析

跨断层埋地管道在断层错动下力学模型设计和受力分析一直是生命线工程的前沿问题.弹簧-管道-土体模型中,断层每侧沿管道方向的近断层土体采用实体建模,此范围内的土体与管道相互作用采用接触进行模拟,远离断层的管道与土体相互作用采用等效非线性弹簧模拟.采用有限元分析软件对模型进行实现,有限元模型考虑了管道与土体的材料非线性、几何非线性,管道采用四节点壳单元.分析了断层破碎带宽度、断层错距、管道埋深、直径,壁厚对管道的受力影响,得出一些有益结论.     

正断层错动致地铁变形计算模型

针对正断层错动引起的地铁隧道变形破坏仍缺乏有效的理论预测模型的情况,基于不排水条件下上覆土体的变形机理,建立地铁隧道变形的计算方法.理论模型表明,影响隧道衬砌纵向线应变的参数有隧道半径、土层厚度、基岩断层错动量、断层倾角、隧道埋置深度和形状参数.正断层错动影响下,隧道拱顶衬砌分别在基岩下盘和基岩上盘一侧出现受拉区和受压区.而隧道拱底衬砌则分别在基岩下盘和基岩上盘一侧出现受压区和受拉区.随着隧道埋深的增加,需要进行拉裂破坏加固的范围逐渐缩小,并向基岩断层附近趋于集中.而随着基岩断层倾角的增加,隧道拉裂破坏加固区域则往基岩上盘一侧偏移,但加固区域的大小范围受断层倾角的影响并不显著.     

沉积层厚度对逆冲断层破裂扩展特征影响数值模拟

为了深入揭示逆断层活动过程中沉积层的破裂扩展特征,采用数值模拟方法,研究断层倾角为45°时不同沉积层厚度对逆冲断层破裂特征的影响,得到以下主要结论:(1)随沉积层厚度的增加,断层活动对沉积层的作用力沿断层倾角方向从沉积层底部向上渐衰传递,接触点作用力最大,产生的变形随厚度增加在垂向上降低,并转化为横向传递,且横向影响范围逐渐增大。(2)逆冲断层破裂在两个临界沉积层厚度δ1,δ2的区分下存在三种扩展形式;沉积层厚度小于δ1时,基岩断层可扩展至沉积层表面并在表面形成破裂带;沉积层厚度大于δ2时,断层破裂只扩展到沉积层底部,其位移被沉积层内部的变形所吸收;沉积层厚度在δ1与δ2之间,基岩断层扩展到沉积层底部,并在表面形成张拉破裂带。研究结果表明:沉积层厚度是影响逆冲断层破裂扩展的重要因素之一,研究结果有助于进一步认识逆断层发震的地表变形特征。     

埋地分段管线在地震断层作用下的破坏模式研究

为研究埋地分段管线在地震断层作用下的破坏机制,本文以承插式PVC管为例,建立了埋地分段管线在断层作用下的有限元模型.通过改变断层与管线的交角、断层通过管线的位置,逐步施加断层位移量,对管线的破坏模式进行归纳,结果表明:当30°≤β≤45°时,管线的破坏模式主要为接口拉脱破坏;当60°≤β≤90°时,管线的破坏模式主要为管体拉伸破坏;当105°≤β≤150°时,管线的破坏模式有管体破坏、接口弯曲破坏和接口压裂破坏.研究认为,当75°≤β≤90°时,管线在受拉伸的情形下,能抵御较大的断层地面变形.     

逆断层错动作用下地铁隧道结构损伤分析

以乌鲁木齐地铁隧道穿越西山活动逆断层工程为例,建立三维弹塑性有限元模型.首先模拟分析了逆断层错动作用下隧道二次衬砌塑性应变发展过程,拉压损伤因子、剪切应变的横向及纵向分布规律,计算了混凝土的裂缝宽度;其次研究了不同错动位移、隧道底部距围岩交界面不同垂直距离及不同破碎带宽度的结构损伤规律,最后进行了设置柔性接头的减灾效果研究.结果表明:二次衬砌结构破坏首先出现在拱顶;然后是拱底,最后在拱腰处累积.破裂面附近拱腰处发生拉压剪的共同破坏;远离破裂面上盘拱顶,破碎带拱底处发生受拉破坏;远离破裂面上盘拱底,破碎带拱顶处发生受压破坏.基于混凝土裂缝得到隧道拉裂破坏的严重与轻微受损区分别为10 m和30 m.错动位移越大,结构受损越严重;隧道底部距围岩交界面垂直距离越大,土层越厚,耗散能量越多,结构受损越轻;破碎带宽度越大,隧道破坏越严重,当破碎带宽度达到26 m时,破碎带宽度对隧道的影响基本保持稳定.设置柔性接头可以显著降低结构的损伤,基本满足在设防错动位移下的设计要求.     

热力耦合作用下直埋热力管道破裂的有限元分析

综合考虑多种影响因素,运用ADINA有限元软件,对跨越断层的直埋热力管道的破坏情况进行了研究,建立基于热力耦合作用的管道、场地的三维有限元模型,首先分析其应力、应变情况,进而分析在热力耦合作用下管道破裂的机理.为预防热力管道破裂及破坏后的损失评估提供依据.     

断层错动形式对输水隧洞的影响

为了研究断层错动下隧洞结构的破坏规律,采用ABAQUS软件建立了数值计算模型,并对计算结果进行了分析,揭示地震破坏机理。首先建立数值模型,研究3种断层错动的形式:逆冲断层错动、走滑断层错动、倾向滑移断层错动,根据工程资料与回归公式选取断层错动的距离,并把错动距离逐级施加在模型上。然后分析了隧洞弯矩、剪力以及衬砌的内力沿隧洞轴向的变化规律,并根据相关规范判断隧洞的安全范围。研究结果表明:随着断层错动,距离断裂面上下盘各10 m,隧洞内力急剧变化,断层错动的影响较为集中和剧烈;在该模型中,走滑断层的影响范围最大,倾向滑移断层的影响范围次之,逆冲断层的影响范围最小;倾向滑移断层错动对隧洞应力的影响介于逆冲断层和走滑断层之间,逆冲断层和走滑断层错动下隧洞的最大主应力峰值出现在拱腰,而倾向滑移断层错动应力峰值出现在隧洞的拱顶和拱底;远离断裂面一定距离后,隧洞的最大主应力逐渐减小并趋近一个较小值,此时衬砌安全,说明断层错动对隧洞的影响范围有限;结合相关规范以及工程背景,发现远离断裂面65 m外的隧洞衬砌安全,这为实际工程提供了参考。     

2008年1月9日西藏改则扎西错Ms6．9级地震的InSAR实测形变场

2008年1月9日西藏自治区改则县以东扎西错附近发生一次Ms6．9级地震,利用欧洲EnviSat雷达遥感卫星资料,获取了该次地震的同震形变场。观测显示地震造成震中区半径30km范围内近东西向升降变形,最大近0．5m。借助均匀弹性半空间位错模型,估计本次地震基本是一次正断破裂过程,其最大倾滑量在2．0—2．4m之间。地震发生在走向N30°E、朝北西向倾滑58°的隐伏正断层,可能没有产生地表破裂。但单一断层的均匀位错不能完全解释InSAR形变场的复杂变化,推测InSAR观测到地表变形是主、余震两次破裂的结果。     

跨活动断裂带城市浅埋地铁隧道结构两阶段设计方法研究

考虑到活动断裂带场地错动危险发生的不确定性,以乌鲁木齐轨道交通2号线工程为例,提出适用于断层错动作用下城市浅埋地铁隧道结构的两阶段设计方法。首先给出错动作用下城市浅埋地铁隧道的两阶段设计内容,其次建立三维弹塑性有限元模型,并按照包络设计原则确定最不利错动面,最后对区间隧道结构进行不同设计阶段的损伤破坏分析。研究结果表明:在错动作用下,两阶段设计水准要求与抗震设防水准保持一致。乌鲁木齐地铁2号线区间隧道上盘与破碎带交界面为最不利错动面;采用柔性接头减灾措施以后,在区间隧道进行100 a内超越概率为10%的错动量分析时,结构处于弹性状态或部分处于弹塑性状态,满足第一阶段设防水准要求。在进行100 a内超越概率为3%～2%的错动量分析时,结构的破坏控制在局部区域内,防止了整体倒塌,满足第二阶段设防水准要求。