长大隧道穿越断层带拟动力分析模型研究

以秦岭隧道工程为背景,运用拟动力数值模拟,研究了穿越断层的隧道在发生地震时的稳定性与地震响应。通过对拟动力数值计算,分析穿越断层破碎带时,隧道纵向的响应特征。得出以下主要结论:基于超前地质预报信息,获得数值模拟计算参数,建立了用于模拟发震断层的拟动力计算模型;①由断层错动引起衬砌的内力变化主要集中在活动断层附近,距离断层破碎带越远,衬砌所受断层影响越小,内力也越小;②所建模型基于静力计算,较动力计算更为便捷。     

减震层对穿越断层隧道地震响应影响分析

隧道本身具有良好的抗震性能,但近年来大量震害研究调查发现,穿越断层破碎带的隧道很容易遭受严重破坏,开展穿越断层破碎带隧道动力响应和减震措施研究具有重大现实意义。基于数值计算并结合雅泸高速公路某隧道工程,研究隧道减震层厚度和刚度对穿越断层隧道地震响应的影响。     

近断层隧道结构的地震响应分析

以穿越发震断层的高黎贡山段隧道工程为背景,采用数值模拟方法分析了隧道跨越发震断层以及在近场地震动作用下的地震响应。结果表明:隧道在地表永久位移的作用下会产生向斜上方的错动,沿纵向呈现"Z"字形态;在邻近断层的拱顶处出现最大主应力极值,在拱底处出现最小主应力极值;在近断层地震动的作用下,隧道横断面于拱肩及拱脚处出现内力极值,拱顶及拱底相对安全。     

正断层错动下山岭隧道衬砌结构力学响应分析

以某穿越断层隧道为背景，开展断层错动下高韧性水泥基复合材料(ECC)衬砌与传统钢筋混凝土(RC)衬砌的数值模拟分析，研究了断层错动量、断层倾角、断层宽度及错动形式等参数对隧道衬砌力学响应的影响规律。研究结果表明：正断层错动下，ECC和RC衬砌变形损伤规律相似，衬砌沿隧道轴向呈“S”形分布，损伤主要集中在断层破碎带及活动盘(下盘)范围内。随着错动位移的增加，衬砌损伤程度及范围迅速增大，最终以拱顶及拱肩等典型部位拉裂破坏为特征；随着正断层倾角的增大，衬砌损伤区域逐渐向断层错动面集中，衬砌所能适应的极限错动位移有所增加；随着正断层宽度的增加，衬砌极限错动位移和损伤分布范围呈现出先快速增大后趋于稳定的趋势；衬砌破坏模式和变形适用性随断层错动形式不同而异，正断层错动下表现为张拉破坏，而逆断层错动下以压溃破坏为主；与逆断层错动相比，正断层错动下衬砌所能承受的极限错动位移更小；相同断层参数下，ECC衬砌的变形适应性、抗错性能及损伤容限明显优于RC衬砌，在极端受力情况下抗错断性能更突出。     

穿越断层破碎带隧道减震措施研究

隧道本身具有良好的抗震性能,但是近年来大量震害研究调查发现,穿越断层破碎带的隧道很容易遭受严重破坏,开展穿越断层破碎带隧道动力响应和减震措施研究具有重大现实意义。基于数值计算并结合雅泸高速公路勒不果喇吉隧道,研究了穿越断层破碎带隧道的抗减震措施。结果显示,减震层对穿越断层隧道的减震效果明显;合理减小隧道衬砌刚度,对穿越断层隧道减震是有利的。     

跨断层带隧道结构力学与地震动响应特性研究

通过分析现场实测应力数据,首先对雅康高速跨断层破碎带的紫石隧道进行了支护结构的力学特性研究,然后进一步通过三维数值仿真分析,对紫石隧道进行了地震动力响应研究。研究内容包括地层位移响应、衬砌结构与围岩的加速度响应及二衬结构的内力分布特征等。研究结果表明:穿越断层破碎带隧道二衬需要分担50%～60%围岩压力;内力最大的截面为拱顶和拱脚处;隧道衬砌内力前30d快速增长,30d后增速降低,90～100d后趋于稳定,二衬弯矩在截面上呈"云状"分布;地震作用下,隧道断层破碎带段围岩位移和加速度的动力响应均比普通围岩更为明显;断层破碎带与普通围岩接触面存在较大的位移错动量,且该处加速度响应不同步,容易引起错动破坏;隧道各段衬砌横断面上的内力分布特征基本相同,但断层破碎带段有更大的内力极值,内力极值位于断面共轭45°方向;隧道抗震设防既应考虑断层破碎带段,也应考虑其与普通围岩的过渡段等。     

逆断层黏滑错动对跨断层隧道影响机制的模型试验研究

为指导隧道穿越活动断层时的抗错断设计,避免逆断层黏滑错动造成跨断层隧道结构的严重破坏,以棋盘石隧道为工程背 景,通过 1 ∶ 50 相似模型试验,研究逆断层黏滑错动所引起的山岭隧道破坏模式,分析隧道和地层变形过程及破坏特征,得到以下 结论: 1)逆断层错动在断层迹线附近地层形成剪切带,剪切带沿着断层线略微凸向试验装置上盘的弧线方向发展。2)断层错动对 试验装置上盘内隧道变形破坏的影响大于下盘,最大土压力和最大纵向应变主要分布在上盘隧道中; 土压力和纵向应变变化规律 相似,均随错动位移的增加而不断增加。3)隧道最终破坏为逆断层下的剪切破坏,局部伴随张拉破坏,剪切破坏主要表现为变形缝 两侧隧道衬砌脱落和纵向裂缝;断层错动对隧道影响区域主要集中在断层破碎带及附近2D(D 为隧道洞径)区域,尤其是试验装置 上盘部分,在跨断层隧道的设计阶段需引起足够重视。     

大跨地铁隧道组合工法穿越断层时的围岩变形控制分析

以深圳轨道交通2号线新莲区间隧道为工程背景，针对大跨地铁隧道穿越断层的围岩变形与控制问题，采用FLAC3D数值模拟，分析双侧壁导坑工法与CD工法不同组合穿越断层的围岩变形规律与注浆控制效果。结果表明： 1）隧道穿越断层破碎带时，Ⅳ、Ⅴ级围岩交界并与断层相交的拱顶处以及Ⅴ级围岩与断层相交的拱腰处的围岩位移最大，是变形控制的关键部位； 2）双侧壁导坑法穿越断层对大跨地铁隧道的围岩变形控制较好，工程实际工法组合下围岩变形的最大影响范围为12.4 m，围岩位移控制较好，工法组合合理有效； 3）注浆加固对断层破碎带处围岩变形模式的影响与控制作用明显，注浆后围岩变形区域由未注浆的“枣核形”变为较均匀的“椭圆形”； 4）提出位移控制率均值的概念，以定量描述围岩的注浆效果，隧道穿越断层时3 m厚度注浆的围岩位移控制率均值达51%，围岩变形控制效果较优。     

穿越次级断层隧道地震动力响应及减震层效果分析

为研究地震动荷载作用下次级断层对隧道衬砌应力、变形及加速度等动力响应的影响,找出穿越次级断层隧道结构抗震设防的思路及重点部位,以高烈度区典型穿越次级断层隧道为依托,通过有限差分软件FLAC3D对隧道穿越次级断层的动力响应进行计算分析,并建立在隧道初支及二衬之间设置6 cm,8 cm,10 cm三种厚度减震层的计算模型,对比分析减震层厚度与减震效果的关系。计算结果表明:次级断层与隧道相交位置沿轴向前后各20 m范围的衬砌地震动力响应有明显放大,为抗震设防重点位置;设置减震层能够明显减小隧道衬砌位移及应力响应,但随着减震层厚度的增加,衬砌加速度响应有所增加,建议穿越次级断层隧道采用厚度为6 cm~8 cm的减震层为宜。研究成果能够为穿越次级断层隧道的抗震设防提供参考。     

云桂铁路高填方段路基下伏断层错动数值模拟研究

云桂铁路高填方段路堤DK707+800~+990存在两条次生活动断层，在地震作用下，下伏断层错动往往将会直接损害断层上修建的路基，可能造成断道等灾害。由于工程的复杂性，利用数值模拟对其进行原型建模。首先对其进行静力分析，包括瞬时重力加载与分步施工模拟，模拟发现经过灌注桩群加固后，该结构在自重下是稳定的，然后对其进行了动力分析模拟断层水平错动对该路基结构的影响；最后通过Abaqus面面接触模型，建立夹砂褥垫层模型，以此来模拟该路基在减隔震措施下的动力响应特性，并与未设褥垫层时进行了对比。     

基于ANSYS模拟桥梁支座的弹簧单元刚度系数率定与振动台试验验证

支座刚度系数的取值对桥梁结构的动力响应有较大影响,选取合理的刚度系数可以优化桥梁的抗震性能。通过大型有限元软件ANSYS使用Combine14弹簧单元来模拟桥梁支座,选取0.1倍,1倍,10倍,20倍,50倍,100倍,200倍的初始法向刚度和切向刚度,通过数值计算所得的加速度、位移及应变峰值与振动台试验实测值的对比来进行取值率定。结果表明,当取100倍的初始刚度系数时为较合理取值。通过增大地震动峰值加速度将数值模拟值与试验实测值进行误差比较,误差都在5%左右,验证了弹簧单元刚度系数率定的准确性。率定及验证过程可为类似工程的刚度系数计算提供参考。     

近断层地震作用下城市轨道交通隧道及道床结构力学响应分析

依托乌鲁木齐轨道交通2号线工程,针对近断层修建城市轨道交通隧道工程时地震作用引起道床结构动力响应问题,采用有限差分法模拟分析明挖法双线箱形曲拱形地铁隧道道床结构在地震作用下的位移及速度响应,并探讨了地震作用对隧道下部结构及道床的作用特性。研究结果表明:地震作用下,隧道结构各部位位移及速度响应时程曲线高度重合,力学响应规律一致,但响应幅值略有差异,道床的响应幅值最小,拱顶响应幅值最大,为重点设防部位。地震发生后,隧道结构未发生严重的扭转变形,道床结构也未发生明显塑性变形。     

活断层错动位移下变形缝间距对隧道内力的影响

以活动断裂带为工程背景,探究变形缝间距对跨断层隧道内力的影响。运用ABAQUS有限元分析软件,建立穿越活动断裂带的隧道模型,分析断层错动下不同节段长度隧道围岩压力分布情况、二次衬砌最大轴向应力变化情况以及隧道塑性应变发展规律。结果表明:隧道节段长度越短,二次衬砌最大轴向应力越小,最大塑性应变越大;断层错动的影响主要集中在断层带内左侧区域的隧道,拱腰和拱脚部位受力和塑性变形明显。     

跨越断层路堤减隔震措施研究

为研究跨断层路堤的减隔震措施，基于Abaqus软件建立三维路堤数值模拟，研究断层错动过程中路堤在加和不加筏板基础两种工况的动力响应，并进一步讨论在加筏板基础情况下，筏板位置对路基减隔震效果的影响。研究结果表明:第一，合理放置筏板基础可阻断断层从上覆土层向路堤顶面的传递，使断层在路堤中的传播倾角变小，破裂带分散，起到耗散能量的作用，最后达到减小路面竖向位移的目的，起到减隔震的作用；第二，路堤高度的增加可以减小断层错动对路面变形的影响，使断层带上的路面变形曲率减小，增加路面的平稳性。     

行波激励下穿越断层隧道的地震响应分析

从土—结构相互作用模型出发,运用数值分析方法对行波作用下跨不同断层宽度的隧道结构进行了三维弹塑性分析,以研究其地震动力响应特性.从计算结果可得,在断层影响范围内隧道的水平位移、竖向位移和最大主应力均出现明显增大的现象;随着断层宽度的增加,其水平位移和竖向位移均变大,其两侧影响范围也变大,而其最大主应力变化不明显.     

断层破碎带隧道地震反应规律的数值模拟研究

基于土—结构相互作用理论,对高烈度地震区跨断层破碎带公路隧道进行了抗震计算,分析得出了隧道结构各控制点的位移、加速度及应力响应的一般规律,同时分析了不同断层倾角对隧道纵向稳定性的影响。结果表明:在地震作用下,断层破碎带隧道拱部、墙脚为抗震薄弱位置;结构振动加速度波形与输入波形相似;断层倾角越小,隧道结构受力越不安全。这些结果可为地震区断层破碎带隧道结构设计提供参考。     

跨断层独塔斜拉桥的非线性地震响应特性研究

跨越活动断层的桥梁结构面临地震时断层错动的严重威胁。为合理模拟跨断层地震动的滑冲效应脉冲，基于近断层脉冲型地震动的分解-叠加方法，发展了一种可体现场地高频特征的跨断层地震动合成方法。首次采用最大位移与永久位移之比作为波形参数，基于搜集的96条包含永久位移的地震记录，建立了波形参数与脉冲参数之间的联系。结果表明：所建议方法可以准确地对实际跨断层地震动进行模拟。选取某引桥跨越断层的深水独塔斜拉桥为对象，研究了三向地震动作用下断层跨越角度、断层永久位移、断层最大位移对斜拉桥非线性动力响应的影响规律。结果表明：断层跨越角度对斜拉桥及其引桥地震响应的影响显著，90°左右（60°~105°）跨越断层时主塔的整体安全性更高，这是由于此时脉冲效应主要方向与主塔底抗弯能力较强的方向相一致，主塔的受力分配更为合理，可避免塔底进入强烈的双向非线性受弯状态；同时，90°左右跨越时，跨断层跨的落梁风险最小；随着断层永久位移的增大，主塔响应小幅增长，而墩梁相对位移则明显增大；最大位移与永久位移比表征了平行断层地面运动动力分量与拟静力分量的比例，主塔塔底响应及墩梁位移均随其增大而明显增大，且小角度跨越时跨断层简支梁具有较大的落梁风险。     

长大隧道地震响应分析与试验方法新进展

隧道抗震研究是当今地下工程防灾领域重要的研究方向之一。目前在隧道发展建设规模化、结构空间尺度大型化和局部节点构造形式复杂化的新形势下,针对长大隧道抗震研究所面临的纵向抗震设计理论、大规模地震响应分析方法、非一致地震激励效应等科学难题,在分析国内外隧道抗震研究现状的基础上,聚焦基础设施建设的重大需求,系统阐述长大隧道地震响应分析与试验方法新进展。介绍面向长大隧道纵向抗震设计的几种简化分析模型,推导任意动载作用下长大隧道纵向动力响应解析解,退化出行波效应下长大隧道纵向响应的理论解,直观地给出各参数之间相互关联的解析表达,并基于多质点-弹簧-梁模型进一步提出面向长大隧道纵向抗震设计的快速简化分析方法;建立长大隧道-地层大规模地震响应模拟的多尺度动力耦合分析方法,同时获得隧道-地层的整体宏观响应与隧道各组件细观动态演化,且不需要任何附加过滤和阻尼即可有效消除宏-细观多尺度界面的高频波虚假反射;提出长大隧道多点非一致激励振动台模型试验方法,推导模拟基岩面多个离散输入与连续输入的关联性,研制节段型模型箱及其联动装置,构建振动台阵多个独立台面分区多点输入的非一致激励隧道地震试验平台。以港珠澳大桥沉管隧道等实际重大工程为应用案例,阐述所建立长大隧道非一致地震响应分析原理和试验方法的适用性。最后介绍隧道关键节点的减震控制方法。研究结果在一定程度上反映了目前长大隧道纵向抗震设计和分析的发展水平,同时也为今后抗震工作的研究重点指明了方向。     

隧道断层突水突泥前兆信息演化规律数值模拟研究

为研究隧道穿越断层突水突泥灾害发生机制，在分析渗流诱发断层突水突泥机制的基础上，依托江西永莲隧道断层破碎带突水突泥灾害工程实例，采用数值模拟方法，建立可模拟隧道动态开挖穿越断层带过程的有限元计算模型，分析隧道开挖过程中渗流场、应力场、隧道涌水量、塑性区分布等灾害前兆信息的演化规律。研究结果表明，当掌子面接近断层时，应力场、位移场、渗流场、塑性区分布等前兆信息均发生了突变。主要表现在： 1）应力集中现象达到最大，增幅接近1倍，高应力集中极易导致隧道施工至断层附近区域围岩失稳； 2）隧道围岩位移包括拱顶沉降与拱底隆起急剧性、突变性增大； 3）渗流速度急剧增大，地下水更容易向洞内渗透，地下水对围岩的蚀溃破坏作用加大； 4）围岩塑性区范围覆盖了整个洞周范围并且屈服深度有所增加； 5）隧道开挖接近断层时极易造成突水突泥灾害，施工中应积极采取有效的防控措施。     

基于LS-DYNA公路桥梁车桥耦合振动模型

基于LS-DYNA程序,采用线弹性的橡胶及钢材模拟车轮并定义轮胎内气压,运用转动约束关节和圆柱形约束关节实现车轮转动特性;结合车辆悬架系统动力特性,运用弹簧阻尼单元及梁单元仿真实现悬架动力特性;调整质量单元的大小及分布,实现车体质量分布与实际一致.以某三轴重型车辆为例,建立了用于研究车桥耦合振动响应的精细车辆模型.对比车辆有限元模型的轴载、自振频率理论值与实测值,验证车辆模型的有效性.以某一简支梁桥为例,采用LS-DYNA有限元模拟和MATLAB数值分析移动弹簧-质量-阻尼振动系统,对比研究车辆匀速通过简支梁桥时,各片梁的振动响应.研究结果表明,运用LS-DYNA精细有限元模型能准确分析车桥耦合振动响应,但计算工作量大.