斷層走向?qū)λ淼赖卣痦憫绊懙恼駝优_試驗研究

劉禮標， 王永甫， 劉 方， 周 杰

(1. 重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074； 2. 后勤工程學院 軍事土木工程系， 重慶 401311)

斷層走向?qū)λ淼赖卣痦憫绊懙恼駝优_試驗研究

劉禮標1， 王永甫2， 劉 方1， 周 杰1

(1. 重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074； 2. 后勤工程學院 軍事土木工程系， 重慶 401311)

為探討不同斷層走向下隧道在地震作用時的響應規(guī)律及破壞機理，開展了振動臺模型試驗及數(shù)值分析，研究了隧道的加速度反應、動應變及圍巖動土壓力的變化規(guī)律和隧道的動態(tài)破壞形態(tài)。分析結(jié)果表明：地震下隧道襯砌將受較大的拉、壓作用，尤其穿越斷層處隧道襯砌張拉裂縫分布數(shù)量多、復雜，多集中于拱腳、拱肩和仰拱；隧道各部位的加速度和動應變的時程變化規(guī)律與輸入的地震加速度時程曲線基本保持一致，說明隧道在地震過程中保持整體運動性，但斷層對地震動力反應具有一定的放大效應，且隨著斷層走向與隧道夾角減小而更加明顯；動土壓力伴隨地震荷載作用呈現(xiàn)動力時程變化規(guī)律，動土壓力幅值整體呈“兩側(cè)大、頂?shù)仔　钡囊?guī)律，且斷層走向?qū)λ淼绖油翂毫τ绊戄^大。研究結(jié)果可為隧道的抗震設(shè)計和施工提供參考，具有重要的實際工程意義。

隧道工程； 斷層走向； 振動臺模型試驗； 地震響應特性； 破壞形態(tài)

近十幾年來，我國地震災害現(xiàn)象頻發(fā)，據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2005年到2015年間我國大陸地區(qū)共發(fā)生5級以上地震災害123次，使人民群眾的生命財產(chǎn)及國家的基礎(chǔ)設(shè)施蒙受了巨大的損失，其中隧道遭受地震的破壞較為頻繁，震害現(xiàn)象十分明顯。據(jù)1995年日本阪神地震、1999年臺灣集集地震及2008年汶川地震[1-2]等的震后調(diào)查及相關(guān)研究[3-5]均表明，雖然在地震烈度較小、圍巖條件好及埋深較大的情況下，隧道抗震性較好，且明顯優(yōu)于地面結(jié)構(gòu)，但位于斷層破碎帶段的隧道，由于圍巖地質(zhì)條件差、軟硬相互過渡的特點，是隧道震害較集中的部位，因此，必須對穿越斷層段隧道合理的抗震設(shè)計方法和破壞機制給予高度重視。

目前國內(nèi)外學者開展了地震作用下隧道破壞機制、抗震設(shè)計方法以及抗減震措施方面的研究，主要采取4種研究手段：地震原型觀測、模擬試驗[6-11]、理論分析[12-14]和數(shù)值模擬[15-18]，其中，振動臺試驗為研究隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞機制提供了最為直觀的方法。李林等[6]對淺埋偏壓隧道和無偏壓隧道分別采用振動臺試驗和數(shù)值模擬方法進行對比分析，得到有、無偏壓情況下隧道的加速度響應、地層變形及內(nèi)力分布規(guī)律；王帥帥等[7]針對洞口段均質(zhì)圍巖仰坡、含軟弱夾層仰坡和桁架梁加固仰坡3種工況，開展大型振動臺模型試驗，分析了隧道洞口段仰坡模型土體破壞形態(tài)；蔣樹屏等[8]針對嘎隆拉隧道洞口段圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)地震動力響應以及減震層和抗震縫的效果進行了大型振動臺模型試驗研究；耿萍等[9]以某高地震烈度區(qū)穿越斷層破碎帶隧道工程為依托，開展了設(shè)置減震層隧道的振動臺物理模型試驗；信春雷等[10～11]對隧道抗震減震措施進行詳細分析，并對比分析了跨斷層隧道設(shè)置減震縫和套管式可變形支護結(jié)構(gòu)的減震效果；陳慶等[15]利用FLAC3D軟件對花崗巖隧道的地震響應機理及泡沫混凝土減震層的減震效果進行了分析。目前盡管在隧道振動臺試驗研究方面取得了一些進展，得到了一些有益的結(jié)果，但關(guān)于斷層走向?qū)λ淼赖卣痦憫匦杂绊懙难芯课墨I還較少，特別是動力破壞機理還有待進一步深入研究?；诖四康?，本文開展了斷層走向與隧道相對位置的大型振動臺試驗，研究其破壞機制與動力響應，同時建立了與試驗模型采用比例為1:1的數(shù)值模型互相驗證，以便研究結(jié)果能為跨斷層隧道抗震設(shè)計和施工提供參考。

1 振動臺模型試驗方案設(shè)計

1.1模型試驗概況及相似比

本次試驗在中國地震局工程力學研究所的地震工程與工程振動開放實驗室進行。地震模擬振動臺系電液伺服驅(qū)動式，可同時或單獨模擬三向地震動。振動臺臺面尺寸為5 m×5 m，最大負荷質(zhì)量30 t，最大傾覆力矩75 t·m；最大位移：X和Y方向為±8 cm，Z方向為±5 cm；最大速度：單向振動時為60 cm/s，三向振動時30 cm/s；最大加速度：X和Y方向為1 g，在Z方向為0.7 g；工作頻率范圍：0.5～40.0 Hz。

以雙車道隧道的尺寸為原型，高為9.8 m，跨度為11.6 m，襯砌厚度為0.6 m，隧道頂部到自由面的高度為30 m，擬定兩條斷層破碎帶厚度為2.0 m，斷層1和斷層2走向與隧道軸向(行車方向)夾角分別為30°和45°，且穿過隧道接縫處。根據(jù)隧道原型尺寸、振動臺臺面尺寸及ANSYS數(shù)值計算結(jié)果，確定試驗幾何相似比取為1∶40，根據(jù)Bukingham原理[19]，推導其他物理量的相似關(guān)系見表1。

按照幾何相似比縮尺可得：隧道模型跨度為30 cm，隧道高度為24.5 cm，襯砌厚度為1.5 cm，斷層破碎帶厚度為5 cm，共設(shè)置7節(jié)襯砌，每節(jié)長50 cm，每段襯砌間用環(huán)氧樹脂植筋膠黏接成整體，模型箱尺寸為3.5 m×1.5 m×1.8 m(長×寬×高)，隧道與斷層相對位置關(guān)系圖見圖1，試驗模型現(xiàn)場照片見圖2。

表1 模型試驗相似關(guān)系與相似比

圖1 斷層與隧道相對位置關(guān)系圖

1.2模型材料選取

由于巖土體特性的復雜性，動力模型試驗很難完全滿足相似定理，本文相似材料選擇考慮的主要力學參數(shù)有：圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和容重及襯砌混凝土的彈性模量等。圍巖的相似材料采用一定比例的標準砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水泥，水等的混合物模擬，配合比為70%∶11.3%∶8%∶0.25%∶0.25%∶10.2%，并通過直剪儀和壓力儀核定其容重和彈性模量等力學參數(shù)；隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用砂漿混凝土模擬，并內(nèi)置?0.6 mm鋼絲網(wǎng)進行模擬；考慮到斷層破碎帶的實際情況，斷層采用砂礫石模擬。其模型和原型的物理力學參數(shù)見表2。

1.3傳感器布置原則

本系列試驗主要采集數(shù)據(jù)：加速度、軸向和環(huán)向應變、土壓力，測試傳感器布置之前參照有關(guān)山嶺隧道動力響應規(guī)律的已有研究成果[20-21]，并對試驗模型系統(tǒng)進行了細致的三維數(shù)值模擬，明確了跨斷層隧道結(jié)構(gòu)在地震過程中受力較為不利與變形較大的部位。試驗時有針對性的在這些部位布設(shè)傳感器，并在襯砌內(nèi)部安置2個攝像頭，監(jiān)測襯砌內(nèi)部裂紋的開展及走向?？v斷面布置3個測量截面(A—A、B—B、C—C)，每個截面的加速度傳感器及土壓力盒見圖3、應變片布置見圖4。其中，A—A截面為斷層走向與隧道軸向成30°、B—B截面未設(shè)置斷層和C—C截面斷層走向與隧道軸向成45°。

(a) 襯砌模型圖

(b) 斷層位置圖

(c) 模型箱整體圖

材料類型重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)圍巖原型模型22．022．01．3×10332．540010．02727斷層原型模型19．519．540010802．02626襯砌原型模型25．025．029．5×103737．5213053．2551．651．6

圖3 加速度計和土壓力盒布置圖(cm)

圖4 應變片布置圖(cm)

1.4試驗加載方案

為較好地消除模型箱端部對試驗的影響，在模型箱的四周都貼上厚的軟墊層來消除這種不利影響[22]。本次試驗選擇汶川臥龍波作為地震激勵，按照加速度幅值范圍0.2 g～1.0 g，每級0.1 g逐級加載，共考慮20種加載工況。為獲取盡量多的實測數(shù)據(jù)，考慮了單向、雙向或三向輸入，其中：X向(水平垂直隧道軸線，即橫向)、Y向(平行隧道軸線，即縱向)、Z向(豎向垂直隧道軸線)。當?shù)卣鸩铀俣葹殡p向或三向輸入時，輸入的地震波為監(jiān)測站記錄的實際地震波，據(jù)統(tǒng)計資料表明地震時豎向加速度峰值與水平向峰值比值接近1/3-2/3，因此試驗豎向加速度峰值(Z向)按水平橫向(X向)峰值的1/3加載。圖5為模型試驗輸入1.0 g地震波時臺面加速度時程曲線。

2 試驗結(jié)果分析

本系列模型試驗測點布置及加載工況較多，限于篇幅，本文僅列出地震波加速度峰值為1.0 g的XZ向加載情況下具有代表性測點的記錄數(shù)據(jù)，其他詳細結(jié)果另文分析。同時建立了與試驗模型采用比例為1∶1的數(shù)值模型，材料物理力學參數(shù)采用試驗參數(shù)，邊界條件采用黏彈性邊界條件。截取振動臺試驗臺面加速度監(jiān)測值的3.0～21.0 s共18.0 s作為數(shù)值模擬輸入的地震荷載值。

(a) 水平方向加速度時程曲線

(b) 垂直方向加速度時程曲線

2.1地震加速度響應分析

通過比較3個截面加速度數(shù)據(jù)來分析斷層走向與隧道軸向夾角對隧道的影響(見表3)，振動臺試驗得到的部分典型加速度時程曲線如圖6所示，其他測點也具有類似規(guī)律。

表3 地震加速度響應統(tǒng)計結(jié)果

(a) A-A截面右拱腳加速度時程曲線

(b) B-B截面右拱腳加速度時程曲線

(c) C-C截面右拱腳加速度時程曲線

對比分析表3的加速度放大系數(shù)和圖6的加速度時程曲線，可知隧道內(nèi)各測點的加速度時程曲線與地震動荷載基本保持一致的運動時程規(guī)律；斷層處隧道加速度峰值較普通段隧道大，且斷層走向與隧道軸向成30°角更為明顯，普通段隧道測點的放大系數(shù)基本接近1，其中C-C截面右拱腳加速度峰值最大主要是因為加速度傳感器傾斜的原因。表明了斷層的存在加劇了跨斷層處隧道的動力響應，但是圍巖整體的振動特性基本不改變。

2.2襯砌應變響應分析

為了更好研究襯砌動力特性，本文選取監(jiān)測斷面襯砌動應變幅值作為研究對象。振動臺試驗過程分別測試3個斷面的拱頂、拱腳及仰拱處的環(huán)向應變和軸向應變，其中部分軸向應變片發(fā)生損壞，但已有研究均表明軸向應變較小，因此本文僅通過分析環(huán)向應變變化規(guī)律，以進一步分析斷層走向?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)的影響，襯砌各部位應變幅值如圖7所示。

圖7 襯砌環(huán)向應變幅值

由圖7分析可知：振動臺試驗與數(shù)值計算所得的環(huán)向應變幅值變化規(guī)律一致，隧道襯砌左、右拱腳處環(huán)向動應變幅值最大，且跨斷層段隧道結(jié)構(gòu)明顯大于普通段隧道結(jié)構(gòu)，特別是拱腳處環(huán)向應變幅值遠大于普通段襯砌結(jié)構(gòu)，因此，跨斷層隧道襯砌需要加強襯砌的設(shè)計；斷層走向與隧道軸向成30°角時環(huán)向應變幅值最大，同時結(jié)合斷層處隧道加速度峰值放大系數(shù)，表明斷層的存在加劇了隧道的動力響應，且隨著斷層走向與隧道軸向的夾角減小而更加明顯。

2.3動土壓力分析

通過輸入汶川臥龍地震波動力時程曲線，測定模型動土壓力，部分測點動土壓力時程曲線如圖8所示及各觀測點的試驗值及數(shù)值模擬計算值的最大動土壓力峰值如圖9所示。但由于試驗時，輸入地震幅值由小到大，為避免這種累積效應帶來的影響，所列圖表的數(shù)值大小都為扣除上一步加載工況后的值。

分析測試結(jié)果表明：在地震荷載作用下，動土壓力與地震荷載保持基本一致的運動時程，表現(xiàn)為隨地震荷載的施加，各測點的動土壓力由初始動土壓力0值開始隨地震荷載的施加呈動態(tài)變化；隧道各監(jiān)測斷面最大的動土壓力峰值位于右拱腳或右拱肩處，數(shù)值模擬與試驗動土壓力規(guī)律大致相似，總體來看，動土壓力呈“兩側(cè)大、頂?shù)仔　钡囊?guī)律。

(a) A-A截面右拱腳土壓力時程曲線

(b) B-B截面右拱腳土壓力時程曲線

(c) C-C截面右拱腳土壓力時程曲線

圖9 各測點動土壓力幅值

2.4襯砌結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象分析

本次試驗主要采取了如下措施來分析隧道模型的破壞狀況。首先，在管節(jié)內(nèi)部布置了攝像頭，主要記錄了20種地震波組合作用下隧道模型某些區(qū)域的破壞全過程；最后，試驗結(jié)束后用肉眼觀測隧道模型各管節(jié)的破壞情況。攝像頭1記錄的是第3節(jié)段隧道頂部區(qū)域的情況，可以看到在整個加載過程中第3節(jié)段隧道頂部區(qū)域內(nèi)模型基本未出現(xiàn)任何裂縫。攝像頭2記錄了第4、5節(jié)段隧道底部區(qū)域的破壞情況，如圖10所示。當?shù)卣鸩ǚ逯导铀俣仍?.4 g以前，隧道底部未出現(xiàn)裂縫，見圖10(a)；當?shù)卣鸩ǚ逯导铀俣冗_到0.5 g時，第4、5節(jié)段隧道底部襯砌開始出現(xiàn)裂縫，見圖10(b)；隨地震波峰值加速度繼續(xù)增大，裂縫越來越大；0.8 g以后，最大裂縫寬度達到2 mm，但并未坍塌破壞，見圖10(c)。

(a) 底部裂縫未出現(xiàn)

(b) 底部裂縫開始出現(xiàn)

(c) 底部裂縫擴大

試驗結(jié)束后，通過觀測看到各段隧道發(fā)生了不同程度的裂縫，但均無掉塊和坍塌現(xiàn)象，各段隧道裂縫形態(tài)統(tǒng)計見表4，部分隧道襯砌裂縫形態(tài)見圖11。由圖11和表4可知，跨斷層處襯砌裂縫更寬、更長，且裂縫主要存在拱肩、拱腳和仰拱等不同部位，可見斷層的存在加劇了隧道的動力響應，因此，實際工程中跨斷層處應重點設(shè)防，尤其是拱肩、拱腳和仰拱等應力集中部位。

表4 各隧道管節(jié)裂縫形態(tài)統(tǒng)計表

(a) 3#段襯砌

(b) 4#段襯砌

(c) 5#段襯砌

(d) 6#段襯砌

3 結(jié) 論

采用振動臺試驗分析了穿越斷層隧道的動力響應和破壞機理，并采用數(shù)值方法模擬了隧道振動臺試驗的過程，兩者結(jié)果規(guī)律大致相近，得出以下主要研究結(jié)論：

(1) 可以發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫的破壞位置主要在拱腳、拱肩及仰拱部位，破壞程度隨著斷層走向與隧道軸向夾角減小而趨于嚴重。因此，斷層處隧道結(jié)構(gòu)應重點設(shè)防，尤其是隧道結(jié)構(gòu)的拱腳、拱肩和仰拱等重點部位。

(2) 隧道加速度和動應變時程在幅值上有所變化，跨斷層隧道襯砌加速度峰值和動應變幅值明顯增大，且斷層與隧道夾角越小增大效應越明顯，但是隧道的加速度和動應變的時程變化規(guī)律與輸入的地震加速度時程曲線基本保持一致，表明隧道在地震荷載作用時，保持整體運動性。

(3) 穿越斷層隧道的動土壓力伴隨地震荷載作用呈現(xiàn)動力變化，且與地震荷載保持一致的運動時程規(guī)律，斷層的存在明顯增加了隧道動土壓力幅值，整體上動土壓力呈“兩側(cè)大、頂?shù)仔　钡囊?guī)律。

(4) 本文數(shù)值模擬僅限于試驗的局部范圍，其計算精度受到一定影響。數(shù)值模擬結(jié)論總體上與試驗情況一致，但數(shù)值上還有一些出入，基本上體現(xiàn)地震作用下隧道的響應規(guī)律及破壞機理。因此，在進行復雜隧道的抗震設(shè)計時，開展數(shù)值模擬對提高認知水平很有必要。

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Shakingtablemodeltestsontheinfluenceoffaultstrikeontheseismicresponsesoftunnels

LIULibiao1,WANGYongfu2,LIUFang1,ZHOUJie1

(1. College of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Department of Military and Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

To reveal the seismic response and damage mechanism of a tunnel under different fault strikes, shaking table model tests and numerical analyses were introduced. The research focused on the acceleration, strain, earth pressure and fracture patterns of the tunnel. The test results show that the tunnel lining is subjected to large tensile and compressive stresses, most complex and wider cracks of the lining occur concentratedly on the spandrel, arch foot and invert arch when the tunnel crosses the fault zone. The variation of accelerations and dynamic strains along the tunnel is similar at every point, showing that the tunnel moves as a unity, but the fault strike has significant amplification effect on the seismic responses when the tunnel crosses the fault zone, and the effect becomes more obvious as the angle between the fault strike and tunnel decreases. The dynamic curves of earth pressure show its value and direction changing with the seismic loads. The amplitude distribution of the dynamic earth pressure is big on the both sides and small on the top floor. The results provide references to the earthquake resistant design and the construction of practical projects.

tunneling engineering; fault strike; shaking table model test; seismic response characteristics; destructive pattern

U452

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.21.029

重慶市基礎(chǔ)科學與前沿技術(shù)研究專項資助(cstc2015jcyjA30017)；江西省交通運輸廳科技項目(2014Y0009)；重慶市教委科學技術(shù)研究項目(KJ1500534)

2016-07-06 修改稿收到日期：2016-09-16

劉禮標 男，講師，1985年生