穿越斷層隧道振動臺模型試驗研究

方 林，蔣樹屏，林 志，王芳其

（重慶交通科研設(shè)計院，重慶 400067）

1 引 言

“5.12”汶川大地震后，大量的震害調(diào)查顯示，隧道具有良好的抵御地震破壞的能力，但穿越斷層破碎帶隧道則極易遭受地震破壞。此外，隧道對于保證道路暢通有著舉足輕重的作用，如果沿線隧道出現(xiàn)坍塌而喪失功能，這對于爭分奪秒的災(zāi)后救援無疑是致命的。而目前國內(nèi)已開展的隧道振動臺模型試驗大都模擬的是連續(xù)均質(zhì)巖體，尚未針對隧道穿越斷層的情況進行過試驗研究。鑒于此，筆者依托西藏某重大隧道工程，開展了穿越斷層隧道模型試驗研究，本文就具體的試驗方案作了深入的討論，并分析了試驗數(shù)據(jù)和斷層處隧道襯砌的破壞方式。

2 試驗概況

試驗依托的隧道工程位于青藏高原東南部的喜馬拉雅山脈與橫斷山脈的交接處，發(fā)育有眾多大斷裂。其中，有一條次生斷層從隧道進口附近通過，另有其他6條斷層穿過該隧道，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。

隧址區(qū)地震活動強烈，設(shè)計建議本項目工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度。

試驗?zāi)M對象為隧道進口段110 m的范圍，最大埋深為47.5 m。模擬的斷層寬度為10 m，傾角為45°，走向與隧道軸線垂直。試驗的主要目的是：分析地震作用下穿越斷層隧道動力響應(yīng)規(guī)律及特征，觀察其破壞方式，為后續(xù)的隧道抗減震研究奠定基礎(chǔ)。

本次試驗在重慶交通科研設(shè)計院結(jié)構(gòu)動力國家重點實驗室進行，采用大型高性能三軸向地震模擬試驗臺陣系統(tǒng)，由一個固定臺和一個移動臺組成，該系統(tǒng)國內(nèi)惟一，配套的數(shù)據(jù)采集和振動測試分析系統(tǒng)也非常先進（見圖1）。

系統(tǒng)主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)見表 1。本次模型試驗使用的是該臺陣系統(tǒng)中的固定臺。

圖1 三軸向地震模擬試驗臺陣Fig.1 Triaxial shaking table system

表1 地震模擬振動臺系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of shaking table system

3 模型相似比的確定

很多試驗研究表明[1－4]，由于土性狀的復(fù)雜性，在進行動力模型試驗時完全滿足相似定理是很難做到的，可以通過近似相似的方法，根據(jù)試驗?zāi)康募爸饕蛩貋泶_定相似關(guān)系。此外，在現(xiàn)有試驗條件下，采用人工質(zhì)量方法來模擬巖土體的重力效應(yīng)是相當(dāng)困難的，因此，本次試驗采用重力失真模型。

綜合考慮振動臺臺面尺寸、承載力及邊界效應(yīng)影響范圍等因素[5]，確定模型相似比如表2所示。

4 模型箱設(shè)計及邊界處理

本次試驗用模型箱在設(shè)計時考慮了以下因素[5]：

①結(jié)構(gòu)牢固，以免箱體在激振過程中失穩(wěn)破壞；②邊界條件明確；③模型箱自振頻率盡量偏離模型土頻率，以免發(fā)生共振現(xiàn)象；④模型箱尺寸應(yīng)與試驗振動臺尺寸相匹配。

表2 模型相似關(guān)系及相似比Table 2 Similarity relations and ratios of physical parameters

模型箱整體為長方體結(jié)構(gòu)，箱體主要骨架采用矩形專用型鋼和7號等邊角鋼焊接而成，四周側(cè)壁及底部用5 mm厚鋼板固定。在模型箱底部型鋼上預(yù)留一些螺栓孔，螺栓孔的位置與振動臺上螺栓孔的位置吻合，當(dāng)模型箱吊裝到振動臺臺面上時，可通過若干螺栓固定。做成后的模型箱高為2.45 m，沿隧道縱向長度為3.00 m，橫向?qū)挾葹?.70 m。

地下結(jié)構(gòu)模型試驗所研究的土體畢竟是有限的，將處于半無限域中的土體進行有限化，這就涉及到人工邊界處理的問題，很多學(xué)者也對此做過深入研究[7－8]。當(dāng)土體和模型箱箱壁光滑接觸時，接觸面對土體影響很?。划?dāng)模型箱箱壁變得很粗糙時，會對土體的振動產(chǎn)生較大的影響，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在對模型箱邊界進行處理時，應(yīng)該盡可能使其箱壁光滑，減小試驗誤差。而在箱底則攤鋪一層碎石，以增大其摩阻力，防止激振時土體與模型箱底部發(fā)生相對滑移。

為了盡可能模擬地震時土體在半無限域中的變形和彈性恢復(fù)能力，在箱壁四周設(shè)置了一層聚苯乙烯泡沫板，在其他參數(shù)相同的條件下，泡沫板質(zhì)量越輕越好。先根據(jù)三維黏彈性人工邊界方程確定邊界物理參數(shù)——剛度和阻尼，通過這些參數(shù)選擇合適范圍的聚苯乙烯泡沫板。對于聚苯乙烯泡沫材料，可使用 Soong[9]建立的等效剛度和等效阻尼模型，通過試驗方法測定其等效剛度kd和等效阻尼cd。

式中：G′為聚苯乙烯泡沫材料儲存剪切模量；G′為損耗剪切模量；h為聚苯乙烯泡沫板的厚度；V為體積；ω為模型箱及土體的自振頻率。

由此確定試驗用聚苯乙烯泡沫板的厚度為22.5 cm。

5 圍巖相似材料及模型的制作

經(jīng)過大量的配比試驗，最終選擇石膏、BaSO4、石英砂、氧化鋅、甘油和水作為圍巖相似材料，襯砌的相似材料為素石膏和水，鋼筋用直徑為0.4 mm的細鋼絲來模擬。

對于斷層的合理模擬是模型制作的重點。根據(jù)地勘報告中斷層的力學(xué)參數(shù)，通過配比試驗確定斷層的相似材料與一般圍巖相同，但配合比是不同的。斷層和圍巖的接觸面則使用石英砂、BaSO4和機油作為相似材料，以模擬地震時斷層上下盤的位移。

因為選擇了石膏作為圍巖及襯砌相似材料，而石膏受空氣濕度及溫度的影響非常明顯，特別是濕度，不同的天氣條件下，測出的石膏試件物理參數(shù)差異很大。為了避免這種情況，嚴(yán)格控制石膏試件的養(yǎng)護條件，盡量做到在相同環(huán)境條件下測試，對于養(yǎng)護好的試件，會涂刷一薄層清漆進行保護。此外，不同批次和型號的相似材料，物理參數(shù)也會存在較大的誤差，因此，必須在試驗中進行有效控制。

考慮到木模遇水變形大，且不利于循環(huán)利用，襯砌采用鋼模澆筑。為此，特地制作了一套鋼模，內(nèi)側(cè)設(shè)置3個楔形體，外側(cè)設(shè)套箍，以方便拆卸。實物如圖2所示。

圖2 襯砌澆筑鋼模Fig.2 Steel formwork of lining model making

6 測試元件及測點布置

因為本次試驗?zāi)M的對象為穿越斷層隧道的洞口段部分，所以洞口及斷層段襯砌為觀察的重點。鑒于汶川地震中，很多隧道洞口邊坡破壞嚴(yán)重，試驗將洞口仰坡同樣作為重點研究對象，仰坡角度取45°臨界值。

采集的數(shù)據(jù)包括激振過程中襯砌結(jié)構(gòu)的加速度、應(yīng)變和位移值、圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)間的接觸壓力值、洞口邊坡的加速度值以及隧道正上方地表的加速度和位移值[10]。選用的傳感器有：BY-3型微型電阻應(yīng)變式土壓力計、電阻應(yīng)變傳感器，CA-YD-152型壓電式加速度傳感器和位移傳感器。

將襯砌結(jié)構(gòu)劃分為9個典型觀測斷面，每個觀測斷面有針對性的布置傳感器，另在洞口仰坡和地表布置了加速度及位移傳感器（見圖3）。

圖3 振動臺模型試驗測點布置Fig.3 Arrangement of sensors at shaking table testing model

模型共布置15個加速度計、42片應(yīng)變片、11個土壓力盒、9個位移計，并在洞口布置了一臺MotionXtra HG-LE高速攝像機，用于捕捉洞口襯砌的破壞情況。此外，還在洞口仰坡、斷層段襯砌及洞口進尺25 cm處安裝了3個高分辨率攝像頭，用以記錄振動時的裂紋發(fā)展。

7 加載方案

試驗輸入的地震波為西藏自治區(qū)地震局及中國地震局地球物理研究所針對該隧道工程場地擬合的人工波，分別對應(yīng)于50年超越概率63%、10%、2%。根據(jù)以往經(jīng)驗[11－16]，試驗采用多次加載的方式，加載方案考慮單向和組合向加載，如表3所示。

表3 振動臺試驗加載方案Table 3 Loading scheme of shaking table test

8 試驗結(jié)果分析

本次模型試驗測點布置及加載工況較多，限于篇幅，本文只列出對應(yīng)10%超越概率下具有代表性測點的記錄數(shù)據(jù)，地震波輸入方向為X向，其他詳細結(jié)果另文分析。

圖4～6為相對于振動臺臺面輸入地震波的襯砌、洞口仰坡和地表加速度時程，其中，襯砌和洞口仰坡測點位于斷層的下盤，地表測點位于斷層的上盤。

圖4 襯砌與臺面加速度時程Fig.4 Acceleration time history of monitoring points at lining

圖5 洞口仰坡與臺面加速度時程Fig.5 Acceleration time history of monitoring points at front slope

圖6 地表與臺面加速度時程Fig.6 Acceleration time history of monitoring points at surface

此工況下，襯砌測點（見圖 4）加速度峰值為0.26 g，對應(yīng)時刻為8.75 s；洞口仰坡測點（見圖5）加速度峰值為0.47 g，對應(yīng)時刻為7.53 s；地表測點（見圖6）加速度峰值為0.66 g，對應(yīng)時刻為5.74 s?？梢?，洞口仰坡及坡頂?shù)乇韺Φ卣疠斎爰铀俣扔忻黠@的放大作用，對應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)則有減小的趨勢，這在一定程度說明了地下結(jié)構(gòu)本身具有良好的抗震性能。

此外，對比襯砌、洞口仰坡和地表處的加速度記錄可發(fā)現(xiàn)，前兩個測點記錄的加速度波形和輸入地震波波形趨勢比較吻合，而地表測點記錄的加速度波形則存在一定的差異?？梢?，斷層對地震波在巖土體內(nèi)的傳播有一定影響。

如圖 7所示，襯砌測點記錄的位移峰值為6.41 mm，對應(yīng)時刻為6.48 s，地表測點記錄的位移峰值為7.33 mm，對應(yīng)的峰值時刻為4.97 s。受圍巖的約束作用，在地震作用下隧道和圍巖的變形具有基本相同的趨勢。但可能因為斷層的存在，周圍巖體的不連續(xù)性會導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的錯斷。

如圖8所示，襯砌仰拱測點記錄的土壓力峰值為7.6 kPa，對應(yīng)時刻為14.11 s。

圖7 襯砌與地表位移時程Fig.7 Displacement time histories of monitoring points at lining and surface

圖8 襯砌動土壓力時程Fig.8 Soil-pressure time history of monitoring points at lining

圖9是模擬的斷層段襯砌破壞情況，從圖中可以看出，襯砌右拱腰位置破壞較為嚴(yán)重，左拱腰和仰拱底板位置也出現(xiàn)了縱向裂紋，且貫通該段襯砌，其主要原因是斷層上下盤的錯動，致使相鄰段襯砌相互擠壓所致。圖10為洞口仰坡破壞情況，出現(xiàn)的裂紋基本沿坡面水平向和豎直向延伸，且大多集中在洞室上方，這與一些實際震害現(xiàn)象是吻合的。

圖9 斷層處襯砌破壞Fig.9 Damaged lining in faults

圖10 洞口仰坡處裂紋Fig.10 Cracks on front slope

9 結(jié) 語

本文以西藏某重大隧道工程為依托，開展了穿越斷層隧道振動臺模型試驗研究，試驗注重細節(jié)處理，在試驗方案的設(shè)計，如相似材料的配置、模型箱的設(shè)計、模型邊界的處理及測試儀器的布置等方面，做到了有理可循、有據(jù)可依。對襯砌、洞口仰坡和地表測點記錄的數(shù)據(jù)以及震害現(xiàn)象分析后發(fā)現(xiàn)：

（1）穿越斷層隧道與均質(zhì)圍巖隧道地震動力響應(yīng)規(guī)律有相似的地方，隨著地震波的向上傳播，巖土體地震響應(yīng)增大；

（2）因為地震時斷層上下盤相互位移，導(dǎo)致斷層處襯砌破壞嚴(yán)重，拱部和底板出現(xiàn)縱向貫通裂縫，給隧道結(jié)構(gòu)安全帶來嚴(yán)重隱患，很可能出現(xiàn)塌方致使交通中斷；

（3）斷層對地震波在巖土體內(nèi)的傳播規(guī)律有一定影響，主要是因為斷層破碎帶段巖性與周圍巖體存在差異，但地震波傳播方向與斷層走向及傾角的關(guān)系可能也是影響的重要因素之一，應(yīng)進一步研究。

（4）隧道洞口仰坡出現(xiàn)較多裂紋，且集中在洞室上方，因此，對于高烈度地震區(qū)隧道應(yīng)做好邊仰坡的抗震措施。

[1]尚守平, 劉方成, 盧華喜, 等. 振動臺試驗?zāi)Ｐ偷鼗恋脑O(shè)計與試驗研究[J]. 地震工程與工程振動, 2006,26(4): 199－204.SHANG Shou-ping, LIU Fang-cheng, LU Hua-xi, et al.Design and experimental study of a model soil used for shaking table test[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2006, 26(4): 199－204.

[2]樓夢麟, 王文劍, 馬恒春, 等. 土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用體系的振動臺模型試驗[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報, 2001, 29(7):763－768.LOU Meng-lin, WANG Wen-jian, MA Heng-chun, et al.Study on soil-pile-structure interaction system by shaking table model test[J]. Journal of Tongji University, 2001,29(7): 763－768.

[3]陶連金, 王沛霖, 邊金. 典型地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2006, 32(9): 798－801.TAO Lian-jin, WANG Pei-lin, BIAN Jin. A shaking table method on the representative subway station structure[J].Journal of Beijing University of Technology, 2006,32(9): 798－801.

[4]陳國興, 莊海洋, 杜修力, 等. 土-地鐵車站結(jié)構(gòu)動力相互作用大型振動臺模型試驗研究[J]. 地震工程與工程振動, 2007, 27(2): 171－176.CHEN Guo-xing, ZHUANG Hai-yang, DU Xiu-li, et al.Analysis of large-scale shaking table test of dynamic soil-subway station interaction[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2007, 27(2):171－176.

[5]林皋, 朱彤, 林蓓. 結(jié)構(gòu)動力模型試驗的相似技巧[J].大連理工大學(xué)學(xué)報, 2000, 40(1): 1－8.LIN Gao, ZHU Tong, LIN Bei. Similarity technique for dynamic structural model test[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2000, 40(1): 1－8.

[6]楊林德, 季倩倩, 鄭永來, 等. 地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺試驗中模型箱設(shè)計的研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2004, 26(1):75－78.YANG Lin-de, JI Qian-qian, ZHENG Yong-lai, et al.Study on design of test box in shaking table test for subway station structure in soft soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(1): 75－78.

[7]樓夢麟, 王文劍, 朱彤, 等. 土-結(jié)構(gòu)體系振動臺模型試驗中土層邊界影響問題[J]. 地震工程與工程振動, 2000,20(4): 30－36.LOU Meng-lin, WANG Wen-jian, ZHU Tong, et al. Soil lateral boundary effect in shaking table model test of soil-structure system[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2000, 20(4): 30－36.

[8]陳清軍, 趙云峰, 王漢東, 等. 振動臺模型試驗中地基土域的數(shù)值模擬[J]. 力學(xué)季刊, 2002, 23(3): 407－411.CHEN Qing-jun, ZHAO Yun-feng, WANG Han-dong,et al. Numerical simulation for soil domain in shaking table model test[J]. Chinese Quarterly of Mechanics,2002, 23(3): 407－411.

[9]吳波, 李惠. 建筑結(jié)構(gòu)被動控制的理論與應(yīng)用[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1997.

[10]楊林德, 季倩倩, 楊超, 等. 地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺試驗中傳感器位置的優(yōu)選[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(4): 619－623.YANG Lin-de, JI Qian-qian, YANG Chao, et al.Optimization of positions of sensors in shaking table test for subway station structure in soft soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(4): 619－623.

[11]季倩倩. 地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗研究[D]. 上海:同濟大學(xué), 2002.

[12]袁文忠. 相似理論與靜力學(xué)模型試驗[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 1998.

[13]莊海洋. 土-地下結(jié)構(gòu)非線性動力相互作用及其大型振動臺試驗研究[D]. 南京: 南京工業(yè)大學(xué), 2006.

[14]徐志英, 施善云. 土與地下結(jié)構(gòu)動力相互作用的大型振動臺試驗與計算[J]. 巖土工程學(xué)報, 1993, (4): 1－7.XU Zhi-ying, SHI Shan-yun. Large-sized shaking table test and calculation for soil-substructure dynamic interaction[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1993, (4): 1－7.

[15]左熹, 陳國興, 王志華, 等. 近遠場地震動作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)地基液化效應(yīng)的振動臺試驗[J]. 巖土力學(xué),2010, 31(12): 3733－3740.ZUO Xi, CHEN Guo-xing, WANG Zhi-hua, et al.Shaking table test on ground liquefaction effect of soil-metro station structure under near-and-far field ground motions[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010,31(12): 3733－3740.

[16]蔣良濰, 姚令侃, 吳偉, 等. 傳遞函數(shù)分析在邊坡振動臺模型試驗的應(yīng)用探討[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(5):1368－1374.JIANG Liang-wei, YAO Ling-kan, WU Wei, et al.Transfer function analysis of earthquake simulation shaking table model test of side slopes[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(5): 1368－1374.