地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性

基于混凝土材料的动力损伤特性,建立了其弹塑性损伤本构模型,将该模型应用于强震区某大断面隧道工程,分析了不同地震波入射方向、地震波强度和围岩条件下隧道结构的地震响应与动力损伤规律,探讨了大断面隧道结构的地震损伤特性和破坏机理。研究结果表明：地震波垂直、水平两种入射条件下两者衬砌的压主应力、加速度响应形态相似,但水平入射条件下衬砌结构的应力、加速度响应相较于垂直入射条件更加剧烈;水平入射时衬砌的动力损伤远大于垂直入射时的动力损伤,且动力损伤主要集中于拱腰与墙脚处;围岩条件对隧道衬砌结构的拉主应力响应以及动力损伤有显著影响,V级围岩条件下衬砌结构的最大拉应力是IV级围岩下的5.7倍;隧道结构的地震响应与动力损伤特性也受地震波强度的影响,随着地震波强度增大,应力、加速度响应峰值以及最大动力损伤量均呈现非线性增大趋势,动力损伤随之加剧且由拱腰和墙脚处逐渐向外扩展;在强震区软岩隧道抗震设计以及运营期间震后加固修复应着重注意动力损伤集中的部位。     

复杂软土盾构隧道横断面抗震时程分析

为研究复杂软土场地中盾构隧道的地震响应,以天津Z2线一期工程为例,结合地质勘察报告和地震安全性评价报告,建立复杂软土场地中盾构隧道横断面抗震计算的ABAQUS模型,并编制了用于土体材料参数非线性迭代的Python程序.计算模型边界采用黏弹性边界,地震动采用等效结点力的形式输入,土体材料的非线性采用等价线性方法考虑,混凝土材料采用塑性损伤模型.计算并提取了隧道管片弯矩最大时刻对应的管片内力,分析了安评地震波作用下的盾构管片横截面内力响应特征.研究表明,小震和中震作用下管片受到的静力荷载起主要控制作用,大震的地震作用对管片内力分布形式具有较大的影响;初始地应力对盾构管片内力大小和分布具有重要影响;在初始地应力和地震联合作用下,盾构管片的最大正弯矩出现在拱底邻近位置,最大负弯矩出现在两侧拱腰邻近位置;盾构管片设计时应当加强对两侧拱腰、拱顶和拱底的构造措施.     

地铁营运期盾构隧道管片块位移响应分析

采用FLAC3D三维动力计算软件,充分考虑接缝、管片分块和复杂地层等因素,对广州某埋置于软硬交错地层之中的盾构隧道在地铁营运列车振动荷载作用下各管片块位移响应问题进行深入分析.结果表明,地铁列车一组组轮对的滚过所产生的加卸荷和振动效应导致各管片块的位移响应出现起伏波动现象,环底附近的管片块位移响应最大,自环底向环顶逐渐减弱,管片整环发生轻微垂向椭变响应.管片块位移响应强度与其所处地层的性质紧密相关,在软土地层中管片环位移响应最大,其椭变最明显.     

地铁运行振动诱发地层和地表动力响应分析

采用FLAC3D三维弹塑性动力有限差分模型,综合考虑地层和地表受振相互效应现象,对广州地铁某区间隧道运行列车振动诱发的地层和地表动力响应进行了分析。结果表明,在地铁运行振动作用下,地层的位移响应和速度响应向下和两侧衰减较快,但向上衰减较慢,对地表产生了较大范围的影响;地表振动加速度在隧道正上方强度最大,往两侧逐渐减弱,而在离开隧道轴线一定距离部位出现了一加强区。计算结果与现场实测数据吻合良好。     

地铁车站长距离密贴下穿既有隧道结构的地震响应

为研究长距离密贴下穿地下空间结构的地震响应特征,以某新建地铁车站结构长距离密贴下穿既有隧道结构为对象,基于FLAC3D有限差分软件,建立三维数值计算模型。在输入日本阪神(Kobe)地震波的条件下,分析上部既有隧道结构在有无下穿地铁车站结构时的地震响应。计算结果表明:输入水平方向的地震波,有无地铁车站结构的隧道结构的位移-时程与加速度-时程曲线规律大致相同,均随深度的增加而减小,且变化趋势相似于施加的地震波。隧道顶板与底板的加速度反应时程曲线与基岩输入地震波的形态基本相近,隧道结构顶板的水平加速度峰值大于底板的水平加速度峰值。与单一隧道结构的位移-时程和加速度-时程曲线相比,密贴地铁车站结构对隧道结构的动力响应有减弱效果。下穿地铁车站对上部隧道结构的动力加速度响应有不同程度的减弱效应,且越靠近车站结构减弱幅度越大,下部车站结构的减震耗能现象存在于某一局部范围内。     

考虑土体空间变异性的可液化土层圆形隧道地震响应分析

引入随机场理论,研究可液化土层土体力学参数空间变异性对地铁隧道地震响应的影响.基于FLAC3D有限差分软件建立隧道下方存在可液化土层的数值模型,首先在假设土体为均质的情况下进行计算,发现隧道结构拱顶和拱腰的变形相差较大,且隧道结构在水平方向发生整体偏移;随后进行随机性计算,发现考虑土体参数空间变异性时得到的隧道结构地震响应远大于确定性计算结果,表明传统的均质土体假设高估了隧道结构在地震作用下的安全性.     

正断层错动下地铁盾构隧道变形破坏模型试验研究

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明：在2 cm正断层错动影响下,隧道纵向差异变形呈现非线性增大趋势,环缝接头张开变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,且环缝峰值张开量已超过盾构隧道接缝防水限值;断层延长线与隧道交界处管片直径收敛变形较为严重,该处管片呈现拱腰外侧受拉、拱顶及拱底外侧受压的受力状态;管片与地层之间接触压力受断层错动的影响较大,存在围岩挤压区与围岩松散区,但接触压力峰值相对较小;盾构隧道的主要变形破坏特征为环缝接头拉裂破损、管片纵向开裂及环缝接头变形,管片发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.基于盾构隧道环纵向变形破坏特征,建议将管片环缝变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.基于隧道的变形破坏模式,提出了跨断层盾构隧道结构设计及应对措施的建议.     

地面堆载诱发下盾构管片变形分析

本文依托苏州地铁S1线某区间盾构隧道,针对后期沿线可能出现的堆载问题,采用地层-结构法建立精细化三维数值分析模型,系统地探究了堆载条件下,隧道上覆、穿越和下卧软土地层对盾构管片变形的影响规律。结果表明：在地面堆载作用下,上覆荷载经过土层扩散,使管片变形沿纵向呈“正态分布”,竖向变形最大处位于堆载位置正下方的拱顶处;隧道最大水平位移发生在荷载作用位置正下方管片的左右拱腰处,并且左右拱腰同时产生向外的水平位移;当堆载中心在隧道正上方时,隧道下卧软土层时隧道变形量最大,其次是隧道穿越软土层时,隧道上覆软土层时对隧道竖向变形影响最小;隧道下卧土层的弹性模量对隧道结构变形影响最大,且弹性模量越小,结构变形越明显。     

基于流-固耦合理论的水体下盾构隧道施工渗流规律

借助有限差分软件FLAC~(3D),依托太原地铁2号线双塔西街—大南门站下穿迎泽湖区段盾构隧道工程,基于流-固耦合理论分别建立5,10,20,30 m湖水深度下该区段隧道流-固耦合三维计算模型,对比分析4种湖水深度下盾构隧道开挖过程中地表的沉降量、围岩渗透性和管片内力分布。结果表明:盾构隧道地表沉降量及水平位移随湖水深度的增大而增大;各工况下隧道周围的孔隙水压力随着盾构隧道的开挖而显著减小,水力坡降在隧道拱顶、拱腰两侧明显增大,致使隧道拱顶、拱腰两侧极易发生涌水事故;流-固耦合作用下,盾构管片内力与水头压力呈正相关性,盾构隧道管片配筋设计中应考虑上覆水体水头压力对其产生的显著影响。     

顶管上穿施工对既有地铁隧道的影响

以杭州市某污水管道顶管施工上穿既有地铁隧道为背景,利用FLAC3D模拟顶管施工过程,将模拟结果与实测数据进行对比,验证了模型的合理性.通过改变顶管管径、管材及地铁隧道周围土体的特性,分析了不同工况下顶管上穿施工对既有地铁隧道的位移影响.研究结果表明,顶管上穿施工对既有地铁隧道所产生的最大位量均位移于顶管轴线下方的地铁截面处,离顶管轴线越远,变形越小;地铁盾构隧道的变形随顶管的管径的增大而增大,而且对竖直方向位移的影响远大于对水平方向位移的影响;管材的弹性模量越小,地铁隧道的变形越大;地铁隧道周围土体弹性模量越小,顶管施工对隧道位移的影响越大.     

基于损伤和能量指标的隧道结构地震反应分析

采用Hilbert-Huang变换的波谱分析技术,对输入地震波进行波谱分析;并根据能量原理,推导损伤状态下的能量反应方程.基于损伤能量方程对隧道结构进行非线性地震反应分析,讨论了隧道结构的抗震薄弱部位及其渐近破坏过程.研究结果表明：隧道衬砌拱肩和墙脚是隧道抗震的薄弱部位,在一些强震作用下,仰拱也会出现破坏,隧道抗震设计应加强这些部位的抗震措施.研究结果可为隧道结构抗震设计提供依据和指导.     

城市地下管廊结构地震动力响应分析

地震安全问题是城市地下管廊设计中不得不考虑的部分.先使用反应位移法计算地震时管廊结构的内力,得出管廊薄弱部位.接着使用动力时程方法分析管廊的地震响应,建立土体与结构数值模型,在模型底部输入水平地震作用.采用土-结构界面接触单元,重点考虑土与结构之间的相互作用,得出结构与土之间的分离与滑移情况以及管廊在水平地震作用下的位移变形和应力分布.结果发现:地下管廊标准段结构在水平地震作用下发生明显的侧向位移,容易发生弯剪破坏,而水平方向未发生明显位移;管廊结构地震破坏时的薄弱环节在顶板、底板与侧墙的连接部位以及中隔墙的墙端,在抗震设计中需采取加固措施.     

地下水条件下平行双隧道对场地地震反应影响的分析

通过有限元方法建立含有地下水及平行双隧道结构的场地模型,在模型底部输入水平地震波,分析场地表面在均匀土和层状土两种场地条件下的加速度变化规律。研究结果表明:隧道间距大小对地面的地震反应不是单纯的放大或缩小作用,而是影响地表加速度峰值的出现位置;地下水与地下结构的存在使地表不同位置呈现不同的反映情况,且层状土场地的放大效应比均匀土要大;双隧道对地震波的反射叠加作用,场地表面产生竖向加速度,其中隧道内侧的竖向加速度要大于隧道外侧,隧道外侧的竖向加速度要大于隧道上方的竖向加速度。     

地面堆载作用下盾构隧道结构变形分析

影响地铁盾构隧道结构安全的因素有很多,诸如周边基坑工程施工、土体不均匀性、流塑性软土空间分布状态、地面堆载等,其中以地面堆载诱发的隧道安全事故屡见不鲜。因此,探究地面堆载对隧道结构变形的影响规律,对规避安全隐患具有重要意义。以苏州地铁某线某区间盾构隧道为工程实例,利用ABAQUS数值分析软件,采用地层结构法建立隧道三维模型,系统地分析了不同堆载位置下盾构隧道的变形规律。结果表明：地面堆载作用下,隧道变形沿隧道走向呈对称分布,隧道结构变形量随堆载大小的增加逐渐增大,随堆载偏离隧道外边线距离的增加而逐渐减小;当堆载的偏移距离为三倍隧道直径时,隧道竖向位移发生由下向上的方向转变,水平位移发生由右向左的方向转变;隧道正上方的地面堆载导致隧道变形过大,影响隧道安全使用,偏压堆载下隧道变形显著减小,其变形量满足规范要求,隧道处于安全状态。     

特大断面隧道断层段地震响应与断层构造关系

针对特大断面隧道断层破碎带地震响应强烈而导致衬砌结构更易遭受破坏的问题,本文采用FLAC 3D仿真计算软件,通过数值模拟,研究特大断面隧道地震与断层宽度、断层倾角的关系,分析衬砌地震响应规律,确定抗震薄弱位置及抗震设防范围。分析结果表明：断层处的衬砌横断面上的拱腰和拱脚处属于抗震薄弱位置,需要在这些位置处重点进行设防;断层上盘位置对地震响应更明显,应加强这些位置上隧道衬砌的抗减震措施;地震时,小倾角,大宽度的断层构造对特大断面隧道的影响大。在本文研究的断层构造范围内,特大断面隧道的抗震设防区域选取应为：断层及断层交界面前后各取25~30m的区域。这些结果可为地震区的特大断面隧道设计建设提供参考。     

隧道爆破地震波作用下砌体建筑物振动响应分析

为研究隧道爆破地震波作用下砌体建筑物的振动响应,以青岛地铁3号线下穿某砌体建筑物爆破施工为背景,通过现场爆破振动监测和有限元数值模拟,对砌体结构的爆破振动速度和主振频率随楼层的变化规律进行研究。结合数值计算,进一步分析隧道埋深、单段最大装药量,装药结构等不同因素下砌体建筑物的振动响应。分析表明:在隧道爆破地震波作用下砌体结构在垂直方向的振动响应强度明显大于水平方向,并且存在一定的高程放大效应,在爆破施工时应加强对砌体结构顶层的防护;隧道下穿砌体建筑物施工时,爆破地震波的主频率主要集中在10～60 Hz内,建筑物自振频率则大多为3.0～3.5 Hz,该砌体建筑物与爆破地震波较难发生共振;砌体结构动力响应强度随着不耦合系数的增加而逐渐降低,随单段最大装药量增加近似呈线性关系,改变装药结构及控制单段最大装药量是控制爆破振动的有效措施;爆破振动速度对隧道的埋深响应敏感,在数值上出现数量级的变化。通过对多层砌体结构振动响应分析,有利于不断提高与完善现有的爆破技术与减振措施。     

双层黄土公路隧道地震反应的分析

本文以兰州市伏龙坪双层黄土公路隧道为研究对象,研究其在8度地震荷载作用下的动力时程反应。计算结果表明:在地震荷载作用下衬砌上应力值较大的部位主要集中在拱腰、拱脚和行车道板等部位,塑性区主要分布在拱顶、拱腰二侧,以及边墙与仰拱相接的拱脚等靠近衬砌的小范围土体上,塑性区开展最大深度接近2.0m,说明在此地震动作用下,塑性区范围内的部分土体会产生松动、变形,在一定程度上影响隧道的整体稳定性。上述结果可作为双层黄土公路隧道抗震设计的参考依据。     

考虑非线性影响的下承式钢拱桥地震响应

 为研究下承式钢拱桥的非线性地震响应和损伤机理,结合徐州京杭运河大桥工程,采用考虑非线性的计算方法,分析了下承式钢拱桥在强震作用下的地震响应和损伤情况。结果表明,下承式钢拱桥具有良好的抗震性能,在强震作用下损伤程度不明显;在考虑几何非线性与材料非线性条件下,拱顶面外弯矩显著增大;考虑非线性对结构横向振动与竖向振动位移响应的影响基本一致;下承式钢拱桥在拱脚、风撑端部及拱肋容易发生损伤;风撑作为连接构件是横向地震作用下的薄弱环节,在地震高烈度地区设计该类桥梁时,对上述薄弱环节应予以重视。