隧道横穿高烈度地震区滑坡衬砌减震效果评估方法试验研究

为评价高烈度地震区滑坡隧道减震结构的减震效果,利用振动台模型试验测试,得到不同强度地震波作用下试验模型的加速度和动应变等数据信息;结合试验模型宏观灾变变形特征,采用多指标评估方法,揭示隧道减震结构区域性空间动力响应特征;基于弹塑性效应定义隧道结构塑性减震系数(PDC),阐明隧道结构的损伤演化规律。研究结果表明:(1)滑坡体破坏表现出区域性损伤破坏的连续性,隧道结构的损伤部位存在区域性差异;(2)隧道结构不同位置的加速度、速度和位移到达峰值的次数和时间存在差异,隧道结构局部及整体的动态响应受不同频段地震波的影响;(3)海绵橡胶材料作为隧道衬砌减震层具有良好的减震效果,但不会改变隧道结构受损变化的形式和频谱响应特性;(4)隧道结构的损伤破坏具有明显的累积效应,整个过程可分为弹性变形阶段、弹塑性变形阶段和塑性变形阶段,实际隧道工程抗减震设计应防止隧道结构过早进入塑性变形阶段。研究成果可为高烈度地震区隧道穿越滑坡区的变形机理及防控措施设计提供一定的理论参考。

碎石桩加固风积沙地基液化规律及频响特征试验研究

为解决我国铁路线路不可避免地穿越风积沙河谷地区遇到的地基液化问题,通过振动台试验探究了碎石桩加固风积沙地层的液化规律及频响特征。研究结果表明,在EL Centro地震波作用下:(1)碎石桩能有效抵抗风积沙地基沉降,大幅度增强其抗液化能力,尤其是地基中部(3/5桩长),并且能将液化易发部位从中部转移到浅层,有利于对液化场地采取加固措施;(2)碎石桩充当优良的排水路径,能弱化桩间土的剪胀剪缩循环活动性,使孔压保持稳态增长;(3)通过相关性分析发现,当地震烈度过高时,碎石桩的排水效果会达到极限,地基深处的部分孔隙水将从桩间土渗流至地表,导致路径上孔压增长的相互影响性显著增强;(4)碎石桩加固后的风积沙地基在低频段(0~10 Hz)的响应集中且最为强烈,在高频域(25~30 Hz)的响应具有高程放大效应,而液化的地层会弱化地基原有的能量传递效果;(5)通过希尔波特谱可知,随着地震波从下往上传播,碎石桩地基的响应主频段会向高频(≥22 Hz)扩展与迁移,而发生液化的土层具有高频过滤作用。

地震高烈度区软岩隧道结构动力响应特性研究

研究目的:为研究地震作用下地震高烈度区软岩隧道加速度动态响应的基本规律,以拉林铁路杰德秀2号隧道工程为背景,设计进行了1∶50比例隧道结构模型的振动台试验。通过输入白噪声、EL波和汶川波,测试模型结构的动力响应,分析各个测点峰值加速度的放大系数随高程变化和不同地震烈度条件下的变化规律,并通过快速傅里叶变化得到功率谱频谱曲线,分析模型结构的加速度动力特性,对比各个加载工况下加速度频域响应曲线,研究模型结构频域动力响应的基本规律。研究结论:(1)地震高烈度区软岩隧道其场地高程效应的表现形式与一般场地表现不同;(2)随着地震动幅值的增大,各测点峰值加速度放大系数呈减小趋势,在0.15g加速度激励下表现出最大值,且不同频率特征地震波激励对高程效应形态的影响基本一致,仰拱处地震响应最大,在进行隧道抗震设防时,应加强对仰拱部位的抗震措施;(3)围岩土体对加速度放大效应较为显著,而隧道衬砌结构对加速度的放大效应效果不太明显,地层的响应特性在很大程度上决定着衬砌结构的地震响应特性;(4)功率谱密度曲线显示出不同地震波激励下模型结构响应峰值相差不大,但峰值所对应的频率值不同,高频段地震波对衬砌结构影响较小,低频段地震波对衬砌结构影响较大;(5)本研究成果可为地震高烈度区隧道抗震设计建设提供一定的理论参考。

列车动载激励下长短桩复合地基振动能量传递特性及易损性评估

为了深入研究一种螺杆桩+水泥土挤密桩新型长短桩复合地基在长期列车荷载作用下的动力特性与变形特征,开展长短桩复合地基室内动力模型试验,分析振动响应信号的时频域特征、子频带能量分布以及能量衰减规律,揭示长短桩复合地基振动能量的空间传递特征。基于小波包能量分析的方法,建立一种复合地基易损性判别指标ΔERMS,并通过桩体动应变响应及桩间土体位移响应对ΔERMS指标的易损性识别效果进行评价。结果表明:(1)螺杆桩+水泥土挤密桩长短桩复合地基振动信号的频率主要分布在0~25Hz范围,引起峰值振动响应的特征频率主要集中在列车自振频率附近。(2)振动波沿桩间土体介质传播过程中一部分高频被过滤掉,低频部分继续传播,在距离地基表层较远处振动能量主要集中在低频。(3)桩体及桩间土体振动能量在地基浅层衰减速率较快,但随着地基深度增加,振动能量衰减速率逐渐变缓。(4)ΔERMS指标值对桩体的易损性具有良好的判识效果,长桩及短桩中间部位易损性程度最大,属抗振薄弱部位;(5)桩间土体位移随振次增大呈现渐进式增长的趋势。ΔERMS指标值无法对土体的损伤变形程度进行有效的判别。研究成果对于长短桩复合地基在列车荷载下的工程设计具有一定参考意义。

基于能量分析滑坡–隧道减震优化地震破坏特性试验研究

为探讨地震作用下隧道横穿滑坡区隧道结构的损伤变形特性,通过采用减震层来改善隧道结构的抗震性能,首次开展隧道下穿主滑面减震优化设计振动台对比试验。根据隧道结构加速度动态响应规律,提出一种基于希尔伯特–黄变换(HHT)和边际谱的能量识别方法来讨论隧道结构的地震损伤变形特性,并通过峰值傅里叶谱振幅(PFSA)对该方法的有效性进行验证。研究结果表明:(1)地震希尔伯特谱和边际谱能量的变化可以用来识别隧道结构的整体和局部变形,隧道结构的希尔伯特谱峰值区间的地震波频率为15~17Hz,而边际谱峰值区间的地震波频率为10~30 Hz。(2)减震层在低强度地震作用下减震效果明显,但随地震强度增大,减震层作用效果下降,且减震层对希尔伯特谱峰值空间分布态势影响较大,而对时间和频率的影响较小。(3)隧道结构首先在拱顶区域发生渐进累积损伤破坏,随地震强度增大,损伤部位向拱脚和仰拱区域发展,表现出区域性损伤破坏的空间耦合变形连续效应。(4)高频分量(>30 Hz)的地震希尔伯特能量主要引起隧道结构的局部损伤,低频分量(10~30 Hz)的边际谱能量放大了地表边坡的地震响应。(5)与希尔伯特能谱相比,边际谱代表各本征模态函数中一定的希尔伯特谱,具有丰富的频率分量和较高的识别度,可以清楚地反映隧道结构的能量传递和局部地震损伤特征。研究成果可为地震高烈度区隧道–滑坡的变形破坏模式预测及隧道抗减震技术设计提供理论参考。