基于地基梁理论的断层非线性错动下隧道纵向响应研究

为研究走滑断层错动作用下隧道结构的纵向响应,采用Pasternak双参数地基和弹性梁理论,建立穿越多破裂面断层隧道在断层强制位错作用下的纵向响应微分方程,通过数学方法求解获得隧道结构在断层位错作用下的纵向变形、内力响应,并通过模型试验和数值模拟对理论解析模型的有效性进行验证。在此基础上,采用理论解析模型对隧道结构纵向响应的影响因素进行敏感性分析。主要得出以下结论:1)理论解析模型计算得到的隧道纵向变形和弯矩变化趋势与模型试验和数值模拟结果完全一致,但数值上趋于保守;2)断层错动的位移形式和围岩-隧道结构的刚度匹配关系对隧道结构纵向响应的影响较大,应根据具体的断层破碎带形式选择合适的断层错动位移函数;3)随着围岩-隧道结构刚度比的增大,围岩对隧道结构的约束作用随之增大,隧道结构纵向内力集中现象增加,但受断层错动影响的范围减小,在具体工程设计中应结合施工成本、抢通时间等来选择合适的围岩-隧道结构刚度匹配关系。

穿越多断层破碎带隧道自适应结构走滑错动特性研究

在活动断裂构造带地区,断层运动往往是沿断层带发生,自活动盘到破碎带错动位移表现出逐级传递的特征,因此穿越活动断裂带的隧道结构应力、变形特征也受到断层错动形式的影响。依托西部高烈度区某穿越大型活动断裂带的公路隧道工程,通过数值模拟分析穿越多断层隧道结构在断层多级走滑错动下的位移、应力响应规律,得出隧道结构纵向基于多断层蠕滑错动的影响分区;建立基于柔性初支、刚性二衬和节段铰接的穿越蠕滑断层隧道自适应结构,探究在错动区和缓冲区内设置隧道自适应结构的抗错性能。研究表明:隧道围岩性质的差异是影响穿越断层破碎带隧道结构变形和应力的最重要因素,隧道自适应结构在蠕滑错动过程中,柔性初支能够吸收部分围岩传递至隧道结构的变形,柔性接头的剪切变形和衬砌节段的刚性转动能够承担较大的位错,随着隧道衬砌节段长度的减小、接头数量的增加,各个接头的剪切变形角和衬砌节段偏转角都将减小,大幅提升结构的抗错安全性。

不同断层错动因素对隧道影响研究分析

山岭隧道穿越活动断层时,断层错动对隧道造成较大影响。通过数值模拟,研究分析不同断层错动因素对隧道的影响,主要包括断层错动速度、断层破碎带宽度以及断层错动倾角。研究表明断层错动速度对隧道影响取决于断层错动量;断层宽度成倍增加时,断层错动对隧道结构影响不是正比例增加,但是会是线性增加。修建隧道时应该尽可能使隧道与断层成90°倾角通过。

正断层错动作用下矿山法隧道受力变形机理的模型试验研究

为研究正断层错动作用下矿山法隧道的受力变形机理,以胶州湾第二海底隧道穿越沧口断裂为工程背景,采用自研的大比尺穿越断层隧道结构破坏加载试验装置,针对设置柔性连接变形缝和变形缝间距对隧道结构抗错断效果的影响,开展几何相似比为1∶40的矿山法隧道穿越倾角70°的正断层错动模型试验,对错动试验过程中的隧道变形、应变分布、围岩接触压力和破坏特性等关键指标进行监测,分析获得了正断层错动作用下隧道变形和力学响应规律。研究结果表明:(1)隧道在正断层错动作用下,呈现纵向拉弯+竖向挤压的受荷模式,在下盘邻近断层面处拱顶部位和上盘邻近断层面处仰拱部位出现脱空区;(2)隧道开裂主要以纵向贯通裂缝为主,近断层面处衬砌还出现了部分斜向裂缝和环向裂缝;(3)节段间的连接形式和节段长度不会根本上改变隧道在断层错动作用下的受荷模式和变形模式,但节段间刚度越小,节段长度越小,结构对于地层强制位错的适应性就更好;(4)相比于刚性连接,节段间的柔性连接吸收了大部分地层强制位错,有效降低衬砌节段的荷载和变形,使结构趋于安全。

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.

有压引水隧洞多层柔性叠合衬砌对断层蠕滑错动的适应性研究

长距离输水隧洞工程建设很难避免穿越活动断层的问题,有压隧洞采用何种衬砌结构型式穿越活动断层迄今为止研究还不够深入。针对目前隧洞过活断层常用抗断措施存在的问题,结合有压引水隧洞自身的特点,提出了一种适合有压引水隧洞穿越活动断层的多层柔性叠合衬砌结构型式。依托某工程的实践情况,采用有限元数值分析方法论证了多层柔性叠合衬砌结构的可行性和合理性;同时分析了垫层厚度、垫层弹模对隧洞结构内力响应和抗断性能的影响。计算结果表明:垫层厚度越大,伸缩节总变形量越大,对于隧洞衬砌适应断层错动越有利;但当垫层厚度过大时,将对衬砌的受力产生不利影响,因此建议根据工程设防的断层错动量选择合适厚度的垫层,不必采用过厚的垫层。垫层弹模的变化对钢管应力的影响较为显著,综合考虑钢衬应力、混凝土损伤以及对断层错动的适应性能,建议选取3~5 MPa的垫层弹模最为合适。研究结果可为有压输水隧洞应对断层蠕滑变形时的结构设计提供参考。

基于Abaqus对断层错动下高速铁路隧道衬砌受力变形模拟研究

以杭温高速铁路某区间隧道为研究对象,采用Abaqus软件建立三维分析模型。通过对断层上、下盘强制施加位移边界条件,分析断层错动下铁路隧道衬砌结构受力变形机制,探究不同断层位错量、断层宽度及倾角下衬砌结构弯矩、应力和竖向位移的变化规律。结果表明,由于断层上下盘的相对错动导致隧道衬砌结构的弯矩、应力和竖向位移变化都会在断层破碎带附近发生激烈波动;衬砌左、右拱腰处主应力峰值在围岩与断层破碎带交界处出现最大和最小值,且其值随着断层位错量的增大而进一步增大;在一定的断层宽度和位错量下,衬砌拱腰处会产生拉应力和压应力,导致衬砌结构极易发生弯曲变形以及拉扭破坏。

考虑破碎带节理分布特征的隧道开挖诱发近断层错动随机性分析

隧道开挖往往会引起邻近断层错动,并进一步诱发岩爆、地震等灾害。然而,断层破碎带内部岩体物理力学特征复杂,不仅表现出非连续性、非线性和各向异性,还存在节理随机分布特征,隧道开挖诱发近断层错动机制仍不清晰。基于连续-离散耦合分析方法建立了含断层工程场地多尺度力学模型,采用基于离散单元法的人工合成岩体模型模拟断层破碎带,采用有限差分法描述断层上、下盘及内部隧道开挖影响下的宏观动力特征。开展了近断层隧道开挖多因素模拟,探究了断层岩体节理随机分布特征对近断层隧道开挖的影响规律。分析结果表明:破碎带内部节理随机性对隧道开挖诱发近断层错动影响显著;节理倾角均值越接近断层倾角,隧道开挖导致的近断层错动量越大;正交试验情况下,断层节理倾角方差对最终错动量均值大小影响较小;节理长度的均值和方差越大,断层破碎带越容易发生错动;节理密度越大,破碎带介质越破碎,断层带整体的强度和刚度越低,抵抗错动的能力也越弱。通过对比分析得出节理分布特征参数对断层错动量均值影响程度的排序分布:节理密度>节理倾角均值>节理长度均值>节理长度标准差>节理倾角标准差;且当显著性水平为0.05时,节理密度对断层错动量的影响达到显著水平(p<0.05)。

逆断层错动诱发铁路路基变形演化机制

针对断裂带震间蠕滑及同震黏滑错动会导致穿越活动断裂带铁路路基出现不均匀变形与裂缝的问题,通过自主研发的多角度、速率可控的L形边界断层错动室内模型试验装置以及数值仿真计算,分析考虑岩土体黏聚力与抗拉强度损失的联合损伤因子,揭示了不同断裂带倾角、不同断裂带与线路走向夹角情况下逆断层错动诱发路基及地基变形演化机制。结果表明:逆断层错动影响下,路基顶面竖向出现S形隆起,水平方向上路基整体呈现向断层固定盘方向的推覆变形;根据路基边坡变形特点,可将边坡划分为推覆变形区、推覆-鼓胀变形区、潜在不稳定区;逆断层错动下,断层错动盘上方破裂属张拉破裂,断层固定盘上方大面积破裂既由张拉变形所导致,也由剪切变形所导致,属拉-剪混合型破裂;对于地基深部静止区与楔形剪切区之间的弧形破裂,随着破裂逐渐向地表延伸,破裂性质逐渐由剪切破裂向拉-剪混合型破裂转化。

断层错动作用下盾构隧道结构易损性研究

为了研究活动断层错动导致盾构隧道结构失效概率模型,考虑断层属性、隧道几何特征以及断层与隧道位置关系等因素对盾构隧道力学响应的影响,以环缝接头变形及管片直径收敛变形率作为结构性能指标,通过一系列跨断层隧道拟静力数值分析以及回归分析,建立盾构隧道各性能指标与地面永久位移的关系,提出跨断层盾构隧道结构易损性分析流程,评估盾构隧道不同性能水准的超越概率,并和已有试验易损性及经验易损性曲线进行对比分析。结果表明:1)隧道与断层的位置关系、隧道所在地层变形模量对跨断层盾构隧道变形破坏程度的影响较大,其中穿越断层工况盾构隧道极易发生变形破坏,其次是上跨断层硬土工况,上跨断层软土工况中盾构隧道抵抗断层错动能力最强;2)针对跨断层盾构隧道结构失效特征,建议在开展结构易损性研究时以环缝接头变形作为主要性能指标。研究结果可为跨活动断层盾构隧道灾害评估及减灾技术提供理论指导。

跨活断层隧道组合支护结构断层错动响应模型试验研究

依托某穿越活断层隧道工程,研发1︰25比例尺多功能断层错动模拟试验装置,开展跨活断层隧道组合支护结构的逆断层错动响应模型试验,针对不同的断层错动位移,研究逆断层错动下隧道组合支护结构的力学响应和破坏特征。试验结果表明:逆断层错动下,隧道结构竖向位移沿纵向呈“S”形分布,结构竖向位移及收敛变形主要分布在断层破碎带及其临近区域,主要影响范围约3.1L(L为隧道衬砌节段长度,480 mm)。随着错动位移的增加,衬砌节段位移差以及竖向相对位移均呈非线性增大,错台现象更加明显。结构应变、结构与围岩的接触压力主要集中在断层破碎带区域,在错动面处发生突变,应变和接触应力峰值均与断层错动位移呈正相关。隧道拱顶纵向应变以外侧受拉、内侧受压为主,仰拱则以外侧受压、内侧受拉为主,且仰拱受断层错动的影响以及对断层错动位移的敏感性均高于拱顶。隧道环向应变沿隧道轴向的分布因结构部位不同而有所差异,整体表现为竖向的向内挤压变形和横向的被动向外变形。结构各区段的接触压力分布规律有所不同,在错动面及断层区域,衬砌与围岩之间存在明显挤压作用,而远离断层错动面的衬砌节段,衬砌与围岩之间存在相互脱离的趋势。隧道组合支护结构断错破坏具体表现为错台、开裂和局部剥落等特征,主要集中于错动面附近的破碎带及上盘区域,主要位于仰拱、墙脚以及边墙等部位。

地震动和断层错动联合作用下隧道纵向响应解析解

隧道穿越地震活动断层带时可能遭受严重破坏,以内马铁路一期三标段工程为依托,对地震动和断层错动联合作用下隧道结构纵向响应进行研究。针对穿越断层破碎带的隧道结构,基于地下结构抗震拟静力法,将其简化为弹性地基梁,并将地震动和断层错动位移简化为作用在隧道上的静荷载,建立地震动和断层错动联合作用下隧道纵向响应理论模型并进行求解,利用有限元数值模拟方法验证解析解的正确性。通过解析解进行参数敏感性分析,揭示断层错动位移、两侧围岩地基系数与断层破碎带地基系数比及围岩与隧道结构刚度比对隧道结构纵向响应的影响规律。研究结果表明,断层错动位移增加使隧道结构截面弯矩、剪力峰值接近线性增加,隧道内力沿隧道纵向分布的影响范围不变,且断层破碎带界面出现了截面剪力突变;两侧围岩地基系数与断层破碎带地基系数比对隧道结构截面剪力的影响较大,在地震动和断层错动联合作用下隧道结构剪力在断层破碎带界面急剧减小;随着围岩与隧道结构刚度比的减小,地震动引起的隧道挠度减小,断层错动作用引起的隧道挠度变化范围增大,同时隧道结构内力响应明显增大。

断层错动和地震动共同作用下跨断层隧道的损伤分析

大量的历史实例表明,跨断层隧道在地震中会受到严重的破坏。因此,跨断层隧道在断层错动作用下的破坏机理被广泛研究。然而,对在地震现象中占比最高的构造地震而言,断层错动和地震动是形影相随的,将两者分开考虑存在局限性。文章采用三维有限元模型模拟并量化了断层错动单独作用、地震动单独作用和断层错动-地震动共同作用三种加载方式下隧道结构的损伤情况,结合耗散能指标对断层错动和地震动共同作用对跨断层隧道的影响展开了分析。结果表明,在发生断层错动时,地震动对隧道的影响是不可忽略的,在分析中考虑地震动是必要的;断层错动和地震动共同作用时,由于累积损伤,地震动造成的破坏比地震动单独作用时明显加剧。

层间错动带水力耦合抗剪强度特性演化规律研究

层间错动带具有延伸规模大、物理力学性质较差等特点。水库蓄水后,水位抬升使层间错动带受到较大的水压力。在高水压力作用下,层间错动带的抗剪强度及其演化规律,尚待开展试验研究。采用新研发的HMSS-300型现场结构面水力耦合直剪试验系统,针对溪洛渡水电站的层间错动带进行了不同水压力-应力耦合作用下的直剪试验,探讨了层间错动带水力耦合作用下的抗剪强度特征及其变化规律。研究结果表明:水力耦合作用下,层间错动带抗剪断过程的剪应力-剪切位移曲线具有明显的峰值,法向位移随剪切位移的增加大多表现出先剪胀后剪缩的特征。层间错动带的有效内摩擦角随水压力的升高而降低,二者呈负指数关系;有效黏聚力也随水压力的升高而降低,二者同样呈负指数关系。在0~2.0MPa水压力条件下,层间错动带有效内摩擦角劣化程度为7%~22%,有效黏聚力的劣化程度为32%~93%,表明水压力的增加对层间错动带的有效黏聚力影响更加明显。在不同法向荷载-水压力耦合作用下层间错动带呈现出剪切滑移破坏模式与中、细角砾岩颗粒的剪断-滑移混合破坏模式。在水力耦合条件下,黏土矿物的软化、膨胀与水侵入层间错动的颗粒之间以及黏土矿物的结构单位层之间形成水分子层是导致层间错动带抗剪强度劣化的主要因素。

考虑桩基错动的深水张力腿平台动力响应研究

由于地震、断层、滑坡和沉降等原因,张力腿平台(tension leg platform, TLP)下端的桩基可能发生错动。考虑平台本体有限位移、六自由度运动耦合、瞬时位置和瞬时湿表面、自由表面效应等非线性因素,建立TLP系统的耦合动力学方程。采用变步长龙格库塔算法编写了数值计算程序,得到了波浪作用下平台本体六个自由度运动响应和系泊张力响应。通过文献对比,验证了理论模型和计算程序的正确性。基于南海流花油田一年一遇的设计工况,计算得到桩基下沉0.1 m时16个工况下平台系统的动力响应的时间历程。以正常工况为基准,对比了不同工况中平台本体六个自由度运动、系泊张力的幅值和标准差,研究结果表明:桩基下沉对平台的六自由度响应和张力腿张力幅值产生明显的影响,但不加剧运动响应和张力响应的波动;桩基下沉会破坏平台系统原有的对称性,引起垂荡位移的较大恶化;桩基下沉会引起张力腿张力大幅增大,存在张力腿断裂和系泊失效的风险。

双断层错动下隧道衬砌结构力学响应研究

从隧道穿越活化断层之间不同工况入手,建立穿越双断层隧道三维有限元模型,研究双断层错动(不同错动距离、不同间距)的隧道衬砌结构力学响应,对衬砌损伤定位。研究结果表明:随着双断层错动距离不断增加,隧道衬砌所受最大主应力逐渐增大,衬砌破坏范围不随错动距离增大而变化,破坏范围主要集中在断层面附近45~60 m范围内。在断层破碎带均为20 m的条件下,双断层间距大于或等于120 m以上时,隧道结构破坏仍存在过渡区域,可分区设置防护措施;当间距为90 m时,将会对隧道衬砌产生“叠加影响”,抗错断设防区域需将两断层包含在内。

逆断层错动下隧道衬砌的力学响应

以穿越新疆大旱沟西岸逆断层的拟建隧道为工程依托,采用大比例尺活断层错动加载系统开展室内模型试验,探明在逆断层错动作用下隧道分段衬砌力学响应特征及裂缝形态分布规律。通过建立三维地层-结构模型,模拟分析逆断层错动下不同衬砌分段长度时衬砌的变形特性及力学特征。结果表明:在逆断层错动下,上盘竖向位移随错动距离增大而增大,由逆断层错动导致的衬砌裂缝以纵向裂缝为主,裂缝主要位于边墙、墙脚以及仰拱中心;断层错动后衬砌相邻节段变形不连续,变形缝有利于提高隧道结构的抗错动性能;跨断层中心竖向截面处衬砌第一主应力随断层错动距离增加而近似呈线性增大,且衬砌分段长度越大则衬砌内力越大。

基于FLAC3D的层间错动带对大型地下洞室地震响应影响分析--以白鹤滩水电站为例

为揭示大型地下洞室群地震响应机制,以西南地区白鹤滩水电站大型地下厂房洞室群为研究对象,运用有限差分数值模拟软件FLAC3D,建立了13号机组剖面数值分析模型,基于弹塑性本构关系,采用动力时程分析方法,研究了地下厂房洞室群在有、无层间错动带条件下围岩地震响应的加速度、变形、应力、塑性区等特征。结果表明:①有层间错动带条件相比无层间错动带条件,洞室群围岩的响应加速度峰值和围岩变形值分别增加了2%~34%和18%~63%;②层间错动带对震后围岩应力状态有一定影响,与无层间错动带条件相比,有层间错动带条件下的围岩拉应力区范围明显增大;③在有层间错动条件下,由开挖和地震产生的塑性区面积分别为8684m^(2)和975m^(2),均大于无层间错动带条件的7103m^(2)和888m^(2)。在地下洞室的抗震设计中,层间错动带对大型地下洞室地震响应的影响不可忽视。

断层错动对高速铁路隧道衬砌结构受力变形特性的影响研究

以杭温高速铁路某区间隧道为研究对象,采用Abaqus软件建立三维分析模型。通过对断层上、下盘强制施加位移边界条件,分析断层错动下铁路隧道衬砌结构受力变形机制,探究不同断层位错量、断层宽度及倾角下衬砌结构弯矩、应力和竖向位移的变化规律。结果表明,断层宽度和倾角变化对隧道衬砌竖向位移有重要影响。断层宽度和倾角越大,对衬砌拱底隆起变形影响越大。

深凹露天转地下开采错动界限的数值模拟研究

针对大冶铁矿深凹露天转地下开采的实际情况,考虑岩性、断层和破碎带的影响,建立了错动界限计算模型。利用极限平衡理论和FLAC软件对转地下开采前的边坡稳定性进行了研究,分别分析了不同开采水平,塌陷区回填与不回填两种条件下的应力变化、塑性区分布和位移变化规律,并以地表水平变形为标准来圈定不同开采水平的地表错动范围。结果表明,随着开挖深度的增加错动角逐渐提高,开挖至-120m水平时,不回填条件下,上盘平均错动角为60.9°,下盘平均错动角为63.1°,回填可使下盘错动角提高1°,上盘错动角提高0.3°左右。