断层走向对隧道地震响应影响的振动台试验研究

2017-11-30刘礼标王永甫

振动与冲击 2017年21期

关键词：振动台模型试验断层

刘礼标，王永甫，刘方，周杰

(1. 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074； 2. 后勤工程学院军事土木工程系，重庆 401311)

断层走向对隧道地震响应影响的振动台试验研究

刘礼标1，王永甫2，刘方1，周杰1

(1. 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074； 2. 后勤工程学院军事土木工程系，重庆 401311)

为探讨不同断层走向下隧道在地震作用时的响应规律及破坏机理，开展了振动台模型试验及数值分析，研究了隧道的加速度反应、动应变及围岩动土压力的变化规律和隧道的动态破坏形态。分析结果表明：地震下隧道衬砌将受较大的拉、压作用，尤其穿越断层处隧道衬砌张拉裂缝分布数量多、复杂，多集中于拱脚、拱肩和仰拱；隧道各部位的加速度和动应变的时程变化规律与输入的地震加速度时程曲线基本保持一致，说明隧道在地震过程中保持整体运动性，但断层对地震动力反应具有一定的放大效应，且随着断层走向与隧道夹角减小而更加明显；动土压力伴随地震荷载作用呈现动力时程变化规律，动土压力幅值整体呈“两侧大、顶底小”的规律，且断层走向对隧道动土压力影响较大。研究结果可为隧道的抗震设计和施工提供参考，具有重要的实际工程意义。

隧道工程；断层走向；振动台模型试验；地震响应特性；破坏形态

近十几年来，我国地震灾害现象频发，据国家统计局发布的数据，2005年到2015年间我国大陆地区共发生5级以上地震灾害123次，使人民群众的生命财产及国家的基础设施蒙受了巨大的损失，其中隧道遭受地震的破坏较为频繁，震害现象十分明显。据1995年日本阪神地震、1999年台湾集集地震及2008年汶川地震[1-2]等的震后调查及相关研究[3-5]均表明，虽然在地震烈度较小、围岩条件好及埋深较大的情况下，隧道抗震性较好，且明显优于地面结构，但位于断层破碎带段的隧道，由于围岩地质条件差、软硬相互过渡的特点，是隧道震害较集中的部位，因此，必须对穿越断层段隧道合理的抗震设计方法和破坏机制给予高度重视。

目前国内外学者开展了地震作用下隧道破坏机制、抗震设计方法以及抗减震措施方面的研究，主要采取4种研究手段：地震原型观测、模拟试验[6-11]、理论分析[12-14]和数值模拟[15-18]，其中，振动台试验为研究隧道结构的抗震性能和破坏机制提供了最为直观的方法。李林等[6]对浅埋偏压隧道和无偏压隧道分别采用振动台试验和数值模拟方法进行对比分析，得到有、无偏压情况下隧道的加速度响应、地层变形及内力分布规律；王帅帅等[7]针对洞口段均质围岩仰坡、含软弱夹层仰坡和桁架梁加固仰坡3种工况，开展大型振动台模型试验，分析了隧道洞口段仰坡模型土体破坏形态；蒋树屏等[8]针对嘎隆拉隧道洞口段围岩、衬砌结构地震动力响应以及减震层和抗震缝的效果进行了大型振动台模型试验研究；耿萍等[9]以某高地震烈度区穿越断层破碎带隧道工程为依托，开展了设置减震层隧道的振动台物理模型试验；信春雷等[10～11]对隧道抗震减震措施进行详细分析，并对比分析了跨断层隧道设置减震缝和套管式可变形支护结构的减震效果；陈庆等[15]利用FLAC3D软件对花岗岩隧道的地震响应机理及泡沫混凝土减震层的减震效果进行了分析。目前尽管在隧道振动台试验研究方面取得了一些进展，得到了一些有益的结果，但关于断层走向对隧道地震响应特性影响的研究文献还较少，特别是动力破坏机理还有待进一步深入研究。基于此目的，本文开展了断层走向与隧道相对位置的大型振动台试验，研究其破坏机制与动力响应，同时建立了与试验模型采用比例为1:1的数值模型互相验证，以便研究结果能为跨断层隧道抗震设计和施工提供参考。

1 振动台模型试验方案设计

1.1模型试验概况及相似比

本次试验在中国地震局工程力学研究所的地震工程与工程振动开放实验室进行。地震模拟振动台系电液伺服驱动式，可同时或单独模拟三向地震动。振动台台面尺寸为5 m×5 m，最大负荷质量30 t，最大倾覆力矩75 t·m；最大位移：X和Y方向为±8 cm，Z方向为±5 cm；最大速度：单向振动时为60 cm/s，三向振动时30 cm/s；最大加速度：X和Y方向为1 g，在Z方向为0.7 g；工作频率范围：0.5～40.0 Hz。

以双车道隧道的尺寸为原型，高为9.8 m，跨度为11.6 m，衬砌厚度为0.6 m，隧道顶部到自由面的高度为30 m，拟定两条断层破碎带厚度为2.0 m，断层1和断层2走向与隧道轴向(行车方向)夹角分别为30°和45°，且穿过隧道接缝处。根据隧道原型尺寸、振动台台面尺寸及ANSYS数值计算结果，确定试验几何相似比取为1∶40，根据Bukingham原理[19]，推导其他物理量的相似关系见表1。

按照几何相似比缩尺可得：隧道模型跨度为30 cm，隧道高度为24.5 cm，衬砌厚度为1.5 cm，断层破碎带厚度为5 cm，共设置7节衬砌，每节长50 cm，每段衬砌间用环氧树脂植筋胶黏接成整体，模型箱尺寸为3.5 m×1.5 m×1.8 m(长×宽×高)，隧道与断层相对位置关系图见图1，试验模型现场照片见图2。

表1 模型试验相似关系与相似比

图1 断层与隧道相对位置关系图

1.2模型材料选取

由于岩土体特性的复杂性，动力模型试验很难完全满足相似定理，本文相似材料选择考虑的主要力学参数有：围岩的黏聚力、内摩擦角、弹性模量和容重及衬砌混凝土的弹性模量等。围岩的相似材料采用一定比例的标准砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水泥，水等的混合物模拟，配合比为70%∶11.3%∶8%∶0.25%∶0.25%∶10.2%，并通过直剪仪和压力仪核定其容重和弹性模量等力学参数；隧道的衬砌结构采用砂浆混凝土模拟，并内置∅0.6 mm钢丝网进行模拟；考虑到断层破碎带的实际情况，断层采用砂砾石模拟。其模型和原型的物理力学参数见表2。

1.3传感器布置原则

本系列试验主要采集数据：加速度、轴向和环向应变、土压力，测试传感器布置之前参照有关山岭隧道动力响应规律的已有研究成果[20-21]，并对试验模型系统进行了细致的三维数值模拟，明确了跨断层隧道结构在地震过程中受力较为不利与变形较大的部位。试验时有针对性的在这些部位布设传感器，并在衬砌内部安置2个摄像头，监测衬砌内部裂纹的开展及走向。纵断面布置3个测量截面(A—A、B—B、C—C)，每个截面的加速度传感器及土压力盒见图3、应变片布置见图4。其中，A—A截面为断层走向与隧道轴向成30°、B—B截面未设置断层和C—C截面断层走向与隧道轴向成45°。

(a) 衬砌模型图

(b) 断层位置图

材料类型重度/(kN·m-3)弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)围岩原型模型22．022．01．3×10332．540010．02727断层原型模型19．519．540010802．02626衬砌原型模型25．025．029．5×103737．5213053．2551．651．6

图3 加速度计和土压力盒布置图(cm)

图4 应变片布置图(cm)

1.4试验加载方案

为较好地消除模型箱端部对试验的影响，在模型箱的四周都贴上厚的软垫层来消除这种不利影响[22]。本次试验选择汶川卧龙波作为地震激励，按照加速度幅值范围0.2 g～1.0 g，每级0.1 g逐级加载，共考虑20种加载工况。为获取尽量多的实测数据，考虑了单向、双向或三向输入，其中：X向(水平垂直隧道轴线，即横向)、Y向(平行隧道轴线，即纵向)、Z向(竖向垂直隧道轴线)。当地震波加速度为双向或三向输入时，输入的地震波为监测站记录的实际地震波，据统计资料表明地震时竖向加速度峰值与水平向峰值比值接近1/3-2/3，因此试验竖向加速度峰值(Z向)按水平横向(X向)峰值的1/3加载。图5为模型试验输入1.0 g地震波时台面加速度时程曲线。

2 试验结果分析

本系列模型试验测点布置及加载工况较多，限于篇幅，本文仅列出地震波加速度峰值为1.0 g的XZ向加载情况下具有代表性测点的记录数据，其他详细结果另文分析。同时建立了与试验模型采用比例为1∶1的数值模型，材料物理力学参数采用试验参数，边界条件采用黏弹性边界条件。截取振动台试验台面加速度监测值的3.0～21.0 s共18.0 s作为数值模拟输入的地震荷载值。

(a) 水平方向加速度时程曲线

(b) 垂直方向加速度时程曲线

2.1地震加速度响应分析

通过比较3个截面加速度数据来分析断层走向与隧道轴向夹角对隧道的影响(见表3)，振动台试验得到的部分典型加速度时程曲线如图6所示，其他测点也具有类似规律。

表3 地震加速度响应统计结果

(a) A-A截面右拱脚加速度时程曲线

(b) B-B截面右拱脚加速度时程曲线

对比分析表3的加速度放大系数和图6的加速度时程曲线，可知隧道内各测点的加速度时程曲线与地震动荷载基本保持一致的运动时程规律；断层处隧道加速度峰值较普通段隧道大，且断层走向与隧道轴向成30°角更为明显，普通段隧道测点的放大系数基本接近1，其中C-C截面右拱脚加速度峰值最大主要是因为加速度传感器倾斜的原因。表明了断层的存在加剧了跨断层处隧道的动力响应，但是围岩整体的振动特性基本不改变。

2.2衬砌应变响应分析

为了更好研究衬砌动力特性，本文选取监测断面衬砌动应变幅值作为研究对象。振动台试验过程分别测试3个断面的拱顶、拱脚及仰拱处的环向应变和轴向应变，其中部分轴向应变片发生损坏，但已有研究均表明轴向应变较小，因此本文仅通过分析环向应变变化规律，以进一步分析断层走向对隧道结构的影响，衬砌各部位应变幅值如图7所示。

图7 衬砌环向应变幅值

由图7分析可知：振动台试验与数值计算所得的环向应变幅值变化规律一致，隧道衬砌左、右拱脚处环向动应变幅值最大，且跨断层段隧道结构明显大于普通段隧道结构，特别是拱脚处环向应变幅值远大于普通段衬砌结构，因此，跨断层隧道衬砌需要加强衬砌的设计；断层走向与隧道轴向成30°角时环向应变幅值最大，同时结合断层处隧道加速度峰值放大系数，表明断层的存在加剧了隧道的动力响应，且随着断层走向与隧道轴向的夹角减小而更加明显。

2.3动土压力分析

通过输入汶川卧龙地震波动力时程曲线，测定模型动土压力，部分测点动土压力时程曲线如图8所示及各观测点的试验值及数值模拟计算值的最大动土压力峰值如图9所示。但由于试验时，输入地震幅值由小到大，为避免这种累积效应带来的影响，所列图表的数值大小都为扣除上一步加载工况后的值。

分析测试结果表明：在地震荷载作用下，动土压力与地震荷载保持基本一致的运动时程，表现为随地震荷载的施加，各测点的动土压力由初始动土压力0值开始随地震荷载的施加呈动态变化；隧道各监测断面最大的动土压力峰值位于右拱脚或右拱肩处，数值模拟与试验动土压力规律大致相似，总体来看，动土压力呈“两侧大、顶底小”的规律。

(a) A-A截面右拱脚土压力时程曲线

(b) B-B截面右拱脚土压力时程曲线

图9 各测点动土压力幅值

2.4衬砌结构破坏现象分析

本次试验主要采取了如下措施来分析隧道模型的破坏状况。首先，在管节内部布置了摄像头，主要记录了20种地震波组合作用下隧道模型某些区域的破坏全过程；最后，试验结束后用肉眼观测隧道模型各管节的破坏情况。摄像头1记录的是第3节段隧道顶部区域的情况，可以看到在整个加载过程中第3节段隧道顶部区域内模型基本未出现任何裂缝。摄像头2记录了第4、5节段隧道底部区域的破坏情况，如图10所示。当地震波峰值加速度在0.4 g以前，隧道底部未出现裂缝，见图10(a)；当地震波峰值加速度达到0.5 g时，第4、5节段隧道底部衬砌开始出现裂缝，见图10(b)；随地震波峰值加速度继续增大，裂缝越来越大；0.8 g以后，最大裂缝宽度达到2 mm，但并未坍塌破坏，见图10(c)。

(a) 底部裂缝未出现

(b) 底部裂缝开始出现

试验结束后，通过观测看到各段隧道发生了不同程度的裂缝，但均无掉块和坍塌现象，各段隧道裂缝形态统计见表4，部分隧道衬砌裂缝形态见图11。由图11和表4可知，跨断层处衬砌裂缝更宽、更长，且裂缝主要存在拱肩、拱脚和仰拱等不同部位，可见断层的存在加剧了隧道的动力响应，因此，实际工程中跨断层处应重点设防，尤其是拱肩、拱脚和仰拱等应力集中部位。

表4 各隧道管节裂缝形态统计表

(a) 3#段衬砌

(b) 4#段衬砌

(d) 6#段衬砌

3 结论

采用振动台试验分析了穿越断层隧道的动力响应和破坏机理，并采用数值方法模拟了隧道振动台试验的过程，两者结果规律大致相近，得出以下主要研究结论：

(1) 可以发现隧道结构容易出现裂缝的破坏位置主要在拱脚、拱肩及仰拱部位，破坏程度随着断层走向与隧道轴向夹角减小而趋于严重。因此，断层处隧道结构应重点设防，尤其是隧道结构的拱脚、拱肩和仰拱等重点部位。

(2) 隧道加速度和动应变时程在幅值上有所变化，跨断层隧道衬砌加速度峰值和动应变幅值明显增大，且断层与隧道夹角越小增大效应越明显，但是隧道的加速度和动应变的时程变化规律与输入的地震加速度时程曲线基本保持一致，表明隧道在地震荷载作用时，保持整体运动性。

(3) 穿越断层隧道的动土压力伴随地震荷载作用呈现动力变化，且与地震荷载保持一致的运动时程规律，断层的存在明显增加了隧道动土压力幅值，整体上动土压力呈“两侧大、顶底小”的规律。

(4) 本文数值模拟仅限于试验的局部范围，其计算精度受到一定影响。数值模拟结论总体上与试验情况一致，但数值上还有一些出入，基本上体现地震作用下隧道的响应规律及破坏机理。因此，在进行复杂隧道的抗震设计时，开展数值模拟对提高认知水平很有必要。

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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

10.13465/j.cnki.jvs.2017.21.029

重庆市基础科学与前沿技术研究专项资助(cstc2015jcyjA30017)；江西省交通运输厅科技项目(2014Y0009)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1500534)

2016-07-06 修改稿收到日期：2016-09-16

刘礼标男，讲师，1985年生