跨斷層隧道動(dòng)力特性大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

劉　云， 高　峰

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶　400074；2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與環(huán)境工程學(xué)院，重慶　401120)

跨斷層隧道動(dòng)力特性大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

劉云1,2， 高峰1

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074；2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與環(huán)境工程學(xué)院，重慶401120)

通過與普通隧道進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，探討了跨斷層隧道的地震響應(yīng)規(guī)律及破壞特點(diǎn)，分析了襯砌裂縫的發(fā)展過程、加速度響應(yīng)、應(yīng)變大小以及圍巖動(dòng)土壓力分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：① 從應(yīng)變和破壞現(xiàn)象上看，斷層隧道的橫斷面破壞程度遠(yuǎn)大于縱向；② 強(qiáng)地震作用下斷層隧道接縫處將產(chǎn)生較大的錯(cuò)動(dòng)，接縫的錯(cuò)動(dòng)極大影響隧道安全；③ 襯砌圍巖動(dòng)土壓力具有兩側(cè)大、上下小的特點(diǎn)，臨近破壞時(shí)隧道加速度響應(yīng)將發(fā)生突變；④ 襯砌不同位置裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展方向并不相同，頂部和底部由內(nèi)向外發(fā)展，腰部兩側(cè)由外向內(nèi)發(fā)展。以上試驗(yàn)研究結(jié)果可為斷層隧道的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

斷層隧道；裂縫；加速度響應(yīng)；應(yīng)變；圍巖動(dòng)土壓力

受圍巖的約束作用，隧道結(jié)構(gòu)通常具有較好的抗震性能[1]，然而大量事實(shí)表明，在遭遇強(qiáng)地震時(shí)位于斷層破碎帶附近的地下結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重[2-3]。同時(shí)受斷層高地應(yīng)力影響，結(jié)構(gòu)剪切變形較大，當(dāng)穿越含水豐富的地區(qū)，將會(huì)引起隧道災(zāi)難性的破壞。目前，斷層隧道的抗震設(shè)計(jì)已成為熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題，許多學(xué)者開展相關(guān)研究。其中，何川等[4]通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬，研究了斷層隧道的內(nèi)力分布規(guī)律和變形特點(diǎn); Moradi等[5]通過離心機(jī)試驗(yàn)得出增加地下結(jié)構(gòu)厚度和降低圍巖的剛度，有利于防止結(jié)構(gòu)的剪切破壞；王錚錚等[6]建立了靜-動(dòng)力聯(lián)合分析模型，研究了高烈度斷層隧道的損傷反應(yīng)特征；崔光耀等[7]通過試驗(yàn)探討了斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)時(shí)隧道在初襯和二襯間設(shè)置減震層的相關(guān)要求；蔣樹屏等[8]依據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，采用數(shù)值分析法對(duì)不同埋深的隧道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析。

盡管取得一些成果，但主要集中于某些特定工程，尚不足完全揭示斷層隧道的破壞機(jī)理和動(dòng)力響應(yīng)特性；同時(shí)我國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于遭遇斷層的隧道多為定性描述，主要是基于避讓原則加以規(guī)定，可操作性不強(qiáng)。由于隧道通常為生命線工程，保障斷層隧道安全對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)意義特別重大，需要深入研究。因此，通過斷層隧道與普通隧道的振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，分析了斷層隧道襯砌裂縫的發(fā)展過程、加速度響應(yīng)、應(yīng)變大小以及圍巖動(dòng)土壓力分布特點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果為穿越斷層隧道的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ突厩闆r

隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在哈爾濱工程力學(xué)研究所的地震模擬振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，其基本參數(shù)為：振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為5 m×5 m，最大負(fù)荷質(zhì)量25 t；最大位移：X,Y向均為100 mm，Z向50 mm；三個(gè)方向的最大速度為50 cm/s；X,Y向最大加速度為1.5 g，Z向最大加速度為0.7 g；振動(dòng)臺(tái)的正常工作頻率范圍為0.5～50.0 Hz。試驗(yàn)箱為普通剛性模型箱，考慮到模型箱需與振動(dòng)臺(tái)尺寸相互匹配，同時(shí)便于隧道模型的安置，其尺寸高×寬×長為3.5 m×1.5 m×1.8 m，試驗(yàn)隧道高度為0.25 m，寬度為0.3 m。每個(gè)管段長度為0.5 m，管段之間采用柔性連接，為得到跨斷層隧道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，在2#管段與3#管段間設(shè)置斷層，斷層傾角90°，走向與隧道軸向夾角為30°。在5#管段與6#管段間也設(shè)置斷層，斷層傾角90°，走向與隧道軸向夾角為45°，具體布置見圖1。

圖1　隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠DFig.1 Tunnel model diagram for shaking table test

1.2試驗(yàn)相似比

需指出，本次試驗(yàn)?zāi)康臑檠芯靠鐢鄬铀淼赖膭?dòng)力特性及破壞機(jī)制，并不針對(duì)某一特定工程，假設(shè)存在試驗(yàn)?zāi)Ｐ头糯?0倍的工程原型,采用重力相似律及量綱分析法[9-11]進(jìn)行分析，選取密度、加速度、長度作為基本控制量，其中Cρ=1，Cl=20，由于原型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ投继幱谕蛔灾貓鱿拢始铀俣认嗨票菴a=1，其余物理量利用π定理導(dǎo)出(見表1)。值得指出的是：縮放試驗(yàn)(含振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)等)的尺寸效應(yīng)還難以消除，原型縮放不易過大，以降低尺寸效應(yīng)的影響；同時(shí)由于土體的復(fù)雜性，原型按照相似理論進(jìn)行縮放后，很難找到完全滿足所有相似比的試驗(yàn)材料，需根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行判斷，文章重點(diǎn)在于研究隧道的動(dòng)力響應(yīng)和裂縫的演化發(fā)展過程，側(cè)重強(qiáng)度相似，彈性模量只是近似滿足。

表1　模型主要相似常數(shù)

1.3材料最終的配合比及監(jiān)測點(diǎn)布置

1.3.1材料配合比

試驗(yàn)中隧道圍巖采用標(biāo)準(zhǔn)砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水泥，水的混合材料，配合比為70.2%∶11.8%∶7.2%∶0.03%∶0.57%∶10.2%，斷層寬3 cm，采用松散的中砂填充，通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，得到圍巖、斷層及襯砌的力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2　模型材料物理力學(xué)參數(shù)

注：*為經(jīng)驗(yàn)值

1.3.2監(jiān)測點(diǎn)布置

為得到隧道襯砌的加速度、動(dòng)土壓力、應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律，在1#、3#及5#管段襯砌四周設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)，其具體位置見圖2，其中應(yīng)變片(環(huán)向及縱向)均貼著襯砌內(nèi)側(cè)，動(dòng)土壓力盒緊貼著襯砌外側(cè)。

圖2　傳感器布置圖(cm)Fig.2 Layout of acceleration meter (cm)

2模型邊界條件及試驗(yàn)工況

2.1模型箱邊界處理

在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中模型箱效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，為盡量消除這種不利影響，保證模型箱能再現(xiàn)自由場結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律，課題組在模型箱內(nèi)壁四周添加聚苯乙烯泡沫柔性材料吸收邊界波，以此消除隧道相應(yīng)的邊界效應(yīng)[12]，根據(jù)Soong[13]建立的等效阻尼Cd及等效剛度kd模型，通過試驗(yàn)方法進(jìn)行測定。

Cd=G″V/ωh2，kd=G′V/h2

(1)

式中：V為體積；G′為柔性材料的存儲(chǔ)剪切模量；h為柔性材料厚度；G″為柔性材料損耗剪切模量；ω為土體和模型箱的自震頻率。通過計(jì)算最終得到聚苯乙烯泡沫柔性填充材料的厚度為18.5 cm。

2.2輸入地震波和加載工況

本次試驗(yàn)選擇2008年的汶川-臥龍波作為地震激勵(lì)，利用0.05 g白噪聲得到結(jié)構(gòu)體的基本振動(dòng)特性，試驗(yàn)中汶川-臥龍波從0.2 g開始逐級(jí)施加，直至加載到1.0 g，輸入的地震波工況見表3。當(dāng)?shù)卣鸩铀俣葹殡p向或三向輸入時(shí)， 輸入的地震波均為監(jiān)測站記錄的實(shí)際地震波，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明地震時(shí)豎向加速度峰值與水平向峰值比值接近1/3～2/3[14]，因此試驗(yàn)豎向加速度峰值(Z向)按水平向(Y向)峰值的1/3后加載，其中圖3顯示的為模型試驗(yàn)輸入0.8 g地震波時(shí)的水平向加速度曲線。

表3　地震波輸入工況

圖3　模型試驗(yàn)輸入的水平向加速度曲線(0.8 g)Fig.3 Input horizontal seismic acceleration-time curve in model test(0.8 g)

3隧道動(dòng)力響應(yīng)及破壞機(jī)制分析

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，文章主要針對(duì)1#和過斷層的5#管段進(jìn)行比較，分別得到普通隧道和斷層傾角90°、走向與隧道軸向夾角為45°的斷層隧道的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)。為敘述方便，將1#管段稱為普通隧道，將5#管段稱為斷層隧道。需指出：由于試驗(yàn)時(shí)輸入地震幅值由小到大，加速度響應(yīng)、應(yīng)變、動(dòng)土壓力等均有累積效應(yīng)，為避免這種效應(yīng)帶來的影響，本文所列圖表的數(shù)值大小都為扣除上一步加載工況后的數(shù)值。

3.1模型接縫處情況對(duì)比

圖4為地震結(jié)束后各隧道接縫處的變形情況，可以看出普通隧道接縫錯(cuò)動(dòng)很小，大約為1 mm，而斷層隧道接縫錯(cuò)動(dòng)明顯，達(dá)到6 mm。試驗(yàn)可知，當(dāng)斷層隧道穿越含水豐富地區(qū)(如跨海隧道、跨河隧道)，在遭遇大地震時(shí)，接縫處的錯(cuò)動(dòng)使水可能從接縫處涌入，對(duì)隧道安全造成巨大威脅，這點(diǎn)應(yīng)引起工程部門重視。

3.2隧道襯砌破壞狀態(tài)對(duì)比

3.2.1普通隧道

從普通隧道地震下最終破壞圖(見圖5)，只有襯砌腰側(cè)外部產(chǎn)生細(xì)小裂縫，其余部分未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，隧道的抗震性能較好，這和多次地震現(xiàn)象吻合。

3.2.2跨斷層隧道

圖6為跨斷層隧道地震下最終破壞圖，可看出在襯砌的頂部、腰部以及底部均出現(xiàn)裂縫。頂部和底部為內(nèi)側(cè)大外側(cè)小，裂縫由內(nèi)向外發(fā)展；而腰側(cè)裂縫外側(cè)大內(nèi)側(cè)小，裂縫由外向內(nèi)發(fā)展，這點(diǎn)同普通隧道相同(見圖5)。

3.3隧道加速度響應(yīng)對(duì)比

圖7為輸入水平地震波峰值為0.2 g時(shí)，普通隧道與斷層隧道監(jiān)測點(diǎn)3的水平加速度響應(yīng)對(duì)比圖。圖示表明監(jiān)測點(diǎn)加速度具有一定的放大效應(yīng)，普通隧道要略小于斷層隧道。

圖4 隧道接縫處錯(cuò)動(dòng)Fig.4Faultmovementtunnelsjointing圖5 普通隧道地震下最終破壞圖Fig.5Finalfailurediagramofcommontunnel

圖6 跨斷層隧道地震下最終破壞圖Fig.6Failurediagramofcross-faulttunnelsunderearthquake

圖7　加速度響應(yīng)時(shí)程曲線對(duì)比Fig.7 Time history contrast curve of acceleration response

由于數(shù)據(jù)較多，將各工況的監(jiān)測點(diǎn)水平加速度峰值統(tǒng)計(jì)見圖8?？梢钥闯?，在0.2～0.6 g隧道襯砌的加速度放大系數(shù)變化不大，除少數(shù)數(shù)據(jù)外，斷層隧道數(shù)值均大于普通隧道；當(dāng)輸入加速度為0.8 g時(shí)，斷層隧道監(jiān)測點(diǎn)的水平加速度響應(yīng)更加明顯，襯砌動(dòng)力特性變化巨大，推測與強(qiáng)地震下裂縫快速發(fā)展、隧道臨近破壞有關(guān)。

圖8　水平加速度放大效應(yīng)對(duì)比Fig.8 Comparison of horizontal acceleration magnified effect

3.4隧道周圍土壓力對(duì)比

圖9為輸入0.6 g(YZ向輸入)汶川地震波時(shí)斷層隧道監(jiān)測點(diǎn)1的動(dòng)土壓力時(shí)程曲線，可以看出圍巖動(dòng)土壓力隨著地震作用變化而不斷變化，在地震作用的峰值時(shí)刻達(dá)到最大值。為保證隧道動(dòng)力設(shè)計(jì)的安全，將圍巖動(dòng)土壓力峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖10。

圖9　斷層隧道測點(diǎn)1動(dòng)土壓力時(shí)程曲線(0.6 g)Fig.9 Time history curve ofdynamic earth pressure of key point 1 (0.6 g)

圖10　襯砌圍巖峰值動(dòng)土壓力對(duì)比Fig.10 Comparison of surrounding rock peak pressure at lining

由圖10可知,輸入的地震作用越大，圍巖動(dòng)土壓力越大；相同情況下斷層隧道的圍巖動(dòng)土壓力要大于普通隧道；襯砌兩側(cè)的動(dòng)土壓力要大于頂部和底部，因此進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)襯砌兩側(cè)進(jìn)行加強(qiáng)處理。

3.5隧道襯砌應(yīng)變對(duì)比

將各監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)見表4和表5，由于試驗(yàn)中部分應(yīng)變片損壞(如測點(diǎn)4)，造成部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。從表4的環(huán)向峰值應(yīng)變分析可知：除少數(shù)數(shù)據(jù)外，斷層隧道監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變大于普通隧道；兩種隧道類型都是測點(diǎn)1的應(yīng)變數(shù)值較大，這與隧道襯砌不同位置裂縫發(fā)展方向相吻合，即襯砌頂部裂縫由內(nèi)向外，腰部由外向內(nèi)，緊貼著襯砌內(nèi)側(cè)的測點(diǎn)1的數(shù)值較大(監(jiān)測部位為襯砌頂部)。

表4　環(huán)向峰值應(yīng)變對(duì)比

從縱向峰值應(yīng)變(見表5)分析，其大小也隨地震作用增大而增大，普通隧道同斷層隧道兩者數(shù)值相差不大，同表4比較后可知縱向峰值應(yīng)變要普遍小于環(huán)向應(yīng)變，這與試驗(yàn)中沒發(fā)現(xiàn)橫向裂縫的現(xiàn)象相吻合。

表5　縱向峰值應(yīng)變對(duì)比

4結(jié)論

通過振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)探討了穿越斷層隧道的動(dòng)力響應(yīng)和破壞規(guī)律，得出以下研究結(jié)論：

(1) 當(dāng)遭遇高烈度、強(qiáng)地震作用時(shí)，斷層隧道接縫處易產(chǎn)生較大錯(cuò)動(dòng)，對(duì)隧道安全造成威脅。因此處于地震頻發(fā)地區(qū)的斷層隧道接縫處理，應(yīng)引起工程師重視。

(2) 隧道襯砌在地震作用下存在一定的加速度放大效應(yīng)，相同情況下普通隧道地震響應(yīng)程度要低于斷層隧道；當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)臨近破壞時(shí)，加速度放大效應(yīng)系數(shù)將發(fā)生突變。

(3) 從斷層襯砌裂縫的發(fā)展方向分析得出，頂部和底部裂縫由內(nèi)向外發(fā)展，腰部裂縫由外向內(nèi)發(fā)展；斷層隧道裂縫數(shù)量明顯多于普通隧道，后者抗震性能更好。

(4) 兩種隧道類型的圍巖動(dòng)土壓力都存在兩側(cè)大、上下小的特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)襯砌兩側(cè)進(jìn)行加強(qiáng)處理；相同情況下，斷層隧道的受力及應(yīng)變比普通隧道更大，進(jìn)行隧道抗震設(shè)計(jì)時(shí)須結(jié)合圍巖特點(diǎn)，保證隧道安全。

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Experimental study on the dynamic characteristics of a tunnel-crossing fault using a shake-table test

LIU Yun1,2, GAO Feng1

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2. Faculty of Architechtural and Enviromental Engineering, Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China)

Through comparison by means of shake-table tests between common tunnels and cross-fault tunnels, the seismic response law and failure characteristics of the cross-fault tunnels were discussed. Besides this, the developing process of the lining cracks, the acceleration response, the strain magnitude and the distribution regularities of surrounding rock pressure in these tunnels were investigated. The comparative results show the following characteristics: ① Judging from the strain and damage phenomenon, the cross-sectional extent of the fault tunnel is much larger than that in the longitudinal direction. ② When encountering strong earthquakes, large dislocations will emerge at the construction joints, and joint dislocation will greatly affect the security of the tunnel. ③ The surrounding rock pressure of the lining is bigger at the waist and smaller at the top and bottom, while the acceleration response of the tunnel will occur as a mutation near the destruction. ④ The generation position and development direction of different lining location cracks are not the same. The cracks at the top and bottom will grow from the inside to the outside. However, those at the two sides will grow in the opposite direction. The above analytical results can provide beneficial reference for seismic design of the cross-fault tunnels.

cross-fault tunnels; crack; acceleration response; strain; surrounding rock pressure

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.025

國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目資助(2011CB013600)；國家自然科學(xué)基金資助(51178490)；山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(重慶交通大學(xué))開放基金( CQSLBF-Y14-14);重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB15108);重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(GZY201507-ZK)

2015-06-29修改稿收到日期：2015-11-22

劉云 女，博士生，1988年生

高峰 男，教授，博士生導(dǎo)師，1964年生

U45

A