地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析

为研究层状岩体对隧洞地震响应的影响,考虑地震动斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性,建立一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法.首先,基于三维黏弹性人工边界条件和波场分解理论,将地震动转化为作用于人工边界上的等效节点力,建立了一种层状岩体中地震动三维空间斜入射输入方法.其次,针对地震作用下层状岩体层间动力相互作用特点,建立了一种考虑接触面黏结滑移特性的动接触力算法.将该模拟方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算,对比分析地震动竖直入射、地震动斜入射、地震动斜入射且考虑动接触3种工况的计算结果,结果表明,地震作用下隧洞结构的应力和位移响应受地震动入射角影响明显;层间剪切、挤压破碎带的存在加剧了隧洞的地震反应,接触面附近破坏区发展较大;考虑接触作用后,衬砌腰部的应力和位移响应相比顶拱较大,首先发生开裂损伤破坏,成为水工隧洞衬砌结构抗震设计的薄弱部位,隧洞结构的损伤区主要分布于软岩穿过部位和层间接触部位.     

强震区隧洞洞口段地震响应数值模拟研究

假定地震波为垂直入射的弹性平面波,探讨隧洞洞口段平面波输入方法;基于拉、压条件下混凝土不同的损伤演化过程,建立适于编程的混凝土衬砌弹性动力损伤本构模型;针对地震作用下衬砌与围岩相互作用特点,建立衬砌与围岩联合承载分析模型;以处于强震区的滇中引水隧洞某出口段为实例,分析平面P波和SH波同时作用下洞口段的地震响应特性。研究结果表明:衬砌各部位位移与地震波的振动方向有关,峰值位移随着与洞口距离增大而减小,并在48 m处趋于稳定;在地震作用下,衬砌的损伤破坏以拉损为主,损伤系数随时间逐渐增大;衬砌中脱开区、滑移区的分布与其震损较严重区域的分布基本一致,主要分布于距洞口21 m之内的拱肩、拱腰和拱脚部位。     

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.     

近断层地震下城市隧道动力响应与衬砌选型

为掌握不同形式隧道结构在近断层地震下动力响应特性,同时给隧道衬砌选型提供依据。以乌鲁木齐轨道交通2号线穿越九家湾近断层为背景,通过建立马蹄形和箱型曲拱隧道结构的三维动力分析模型,施加人工合成的地震波,对比两种结构形式在近断层地震作用下位移、速度、应力响应特性及安全储备,明确其动力响应特性。结果表明：两种衬砌结构在近断层地震作用下均保持完整,但箱型曲拱结构速度峰值及位移幅值略大;地震作用下隧道衬砌结构各部位速度响应基本一致,且主要取决于地震动特性;对于穿越断层破碎带的衬砌结构,其地震作用下的应力响应明显增加,破碎围岩对地震动效应有放大作用;两种衬砌形式在地震作用下的安全性能均满足要求,实际工程中应结合适应性条件合理选用。     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

浅埋泥岩隧道仰拱底鼓力学特性

为了研究浅埋泥岩隧道仰拱底鼓变形特征,提出一种新的模型试验法,以强制位移的加载方式模拟基底围岩的膨胀作用,对隧道基底围岩膨胀引起的衬砌与围岩受力变形破坏特征进行了系统分析。结果表明：泥岩隧道因基底膨胀作用发生仰拱底鼓后,衬砌的应力及洞周围岩压力分布发生显著变化;拱脚外侧和仰拱内侧表现为环向拉应力,容易出现受拉破坏;相较于衬砌的其他部位而言,拱脚和仰拱对基底膨胀的力学响应更为明显,且随着膨胀作用的增强,拱脚和仰拱之间的应力差值逐渐增大;按照围岩的失稳状态,将围岩压力的变化状态分为初期增长、中期稳定和末期快速增长3个阶段,在末期快速增长阶段,隧道竖向收敛值快速增加,衬砌应力增长速率变大,加剧了仰拱的破坏;基底膨胀作用下使得隧道两侧围岩容易失稳。研究结果可为泥岩隧道结构设计优化提供有益参考。     

跨逆断层隧道应力影响因素的数值模拟分析

采用MIDAS-GTS数值模拟软件来研究断层错动对跨断层隧道的影响。考虑断层倾角、断层破碎带宽度、围岩级别和衬砌级别4个影响因素。采用正交试验法设计数值模拟试验,模拟隧道的位移和应力变化,对所得数据采用极差分析方法进行分析,得到以下结论：影响跨断层隧道拉应力的主要因素为断层破碎带宽度;影响跨断层隧道压应力的主要因素为围岩级别。     

考虑应力路径的深埋高地温隧洞黏弹-塑性围岩解析解

高地温深埋水工隧洞黏弹—塑性岩体中,由于高温环境的影响和隧洞降温等,致使围岩产生一定的温度应力。因此研究高地温隧洞围岩解析解时必须研究温度应力对围岩塑性区以及应力应变的影响。基于广义Kelvin模型与Bingham模型组成的高地温深埋水工隧洞黏弹塑性围岩力学模型,并在考虑应力路径对围岩与支护的影响下,结合高地温环境中温度应力对围岩与衬砌的影响,进而推导高地温环境热力耦合作用下围岩应力、应变、洞壁位移以及围岩塑性区半径的解析解。基于新疆某高地温水工隧洞工程进行分析与计算,对温度、围岩应力应变及塑性区半径的关系展开理论计算与分析。结果表明,考虑温度应力后计算得到的围岩位移更小。当隧洞内温度变化到达一定量时,所产生的温度应力可能会对围岩与衬砌相互作用的稳定性产生影响。     

隧道穿越高烈度地震区断层带围岩地震响应分析

考虑地震荷载特征及隧道特点,运用多点同时激振的动力时程分析方法,采用结构面单元与实体单元组合模拟断层带的方法,研究了某穿越断层破碎带铁路隧道在未支护条件下的动力响应特性。分析了沿隧道横向、纵向和竖向激振地震动工况下与断层破碎带接触部位所产生的位移差、加速度放大倍率和屈服单元等。结果表明：结构面单元与实体单元组合合理模拟了断层破碎带的地震响应特性;地震运动引起断层破碎带接触部位产生明显的位移差,横向输入地震动时位移差值最大,达到51.8 mm,而沿纵向和竖向输入时,位移差值仅为横向输入的44.3%和23.1%;同一高程处断裂带的加速度放大倍率明显大于混合花岗岩;断裂带与混合花岗岩过渡段出现明显的剪切屈服区域,且横向、竖向输入地震动时尤其突出;断层破碎带对隧道在地震动作用下的响应规律影响显著,穿越断裂带隧道的断裂带部位与过渡段为抗震设计控制性区域,应深入加强抗震措施研究。     

基于Interface改进算法的水工隧洞衬砌受力分析

针对水工隧洞不同外荷载工况下衬砌与围岩的接触特性,考虑衬砌与围岩之间有无初始缝隙,基于FLAC3D提出Interface改进模型,分别用厚壁圆筒弹性和弹塑性解析解验证算法的正确性,并应用到某水工隧洞衬砌结构计算中.结果表明:改进后的Interface接触面模拟结果与解析解非常接近;施工期自重工况、运行期内水工况和检修期外水工况衬砌结构受力各不相同,围岩与衬砌可能产生接触或脱离,内水工况下结构处于欠安全或带裂缝工作状态.该模型反映了衬砌结构在不同外荷载作用下与围岩有条件联合承载的各种受力机制.