長(zhǎng)大隧道跨斷層段地震響應(yīng)規(guī)律及破壞機(jī)理研究

隧道跨斷層段作為隧道整體抗震的薄弱環(huán)節(jié)，在地震作用下常發(fā)生嚴(yán)重破壞。開展長(zhǎng)大隧道跨斷層段的地震災(zāi)變機(jī)理與抗震設(shè)計(jì)理論研究具有重大理論和工程意義。首先，基于近場(chǎng)波動(dòng)有限元方法并結(jié)合黏彈性人工邊界理論，采用將輸入地震動(dòng)轉(zhuǎn)化為人工邊界面上等效節(jié)點(diǎn)力的思想，同時(shí)考慮斷層截?cái)鄥^(qū)域?qū)θ斯み吔缑嫔先肷洳▓?chǎng)的擾動(dòng)影響，建立一種針對(duì)有限斷層場(chǎng)地的地震動(dòng)三維傾斜輸入方法。其次，基于應(yīng)變等效假設(shè)和有效應(yīng)力概念的塑性損傷理論，結(jié)合非線性統(tǒng)一強(qiáng)度模型(β模型)，并考慮巖體地質(zhì)強(qiáng)度參數(shù)，建立適用于工程巖體介質(zhì)的三維彈塑性損傷模型。最終，基于建立的地震動(dòng)輸入方法與巖體本構(gòu)模型，以滇中引水工程-香爐山隧道為背景，建立長(zhǎng)大隧道跨斷層段的有限元分析模型，模擬不同斷層情況、構(gòu)造應(yīng)力條件和地震動(dòng)輸入角度等因素下隧道的地震響應(yīng)規(guī)律，揭示隧道跨斷層段在強(qiáng)震作用下的變形特性及破壞機(jī)理，為隧道跨斷層段的安全評(píng)估及抗震設(shè)防提供理論指導(dǎo)。 2100433B

斷層錯(cuò)動(dòng)是造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)變形過大甚至破壞的主要因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于斷層錯(cuò)動(dòng)開展了不少研究，但多針對(duì)管線破壞機(jī)理，關(guān)于跨斷層隧道破壞機(jī)理的研究較少。本項(xiàng)目針對(duì)逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)問題，通過案例調(diào)研、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及理論分析等手段，研究錯(cuò)動(dòng)位移下圍巖變形、跨斷層隧道變形破壞特征，分析逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下隧道破壞時(shí)的錯(cuò)動(dòng)位移量以及破壞過程、形態(tài)、區(qū)域，揭示斷層傾角等關(guān)鍵因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)及破壞范圍的影響規(guī)律，提出逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理；對(duì)比分析不同鉸接襯砌節(jié)段長(zhǎng)度、剪切縫寬度等對(duì)結(jié)構(gòu)變形、破壞的影響，提出隧道結(jié)構(gòu)的抗錯(cuò)斷合理設(shè)計(jì)參數(shù)。主要結(jié)論如下： 1）逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)時(shí)圍巖斷裂面為一向下盤發(fā)展的曲面，斷裂起始角與斷層傾角相同，隨錯(cuò)動(dòng)量增加逐漸產(chǎn)生分叉，形成三角剪切帶；斷層水平傳播距離、次斷層發(fā)展高度以及三角剪切帶最大寬度與斷層傾角呈正比關(guān)系，斷層傳播到地表所需的錯(cuò)動(dòng)位移與斷層傾角無關(guān)，不同埋深條件下斷層傳播引起圍巖變形差異不大； 2）隨錯(cuò)動(dòng)量增加上盤圍巖壓力發(fā)生明顯增幅，上盤距斷層線0.8倍斷面高度處圍壓最大、下盤距斷層0.8倍斷面高以外的區(qū)域圍壓趨于穩(wěn)定；埋深越大，上、下盤及斷層帶圍壓差異越明顯，埋深104m隧道拱頂最大土壓力是埋深30m隧道的3.25倍； 3）隧道結(jié)構(gòu)可視為一彈性地基梁，承受彎曲、剪切與擠壓組合作用，頂、底部外側(cè)受壓，拱腰外側(cè)受拉，上盤存在一個(gè)反彎點(diǎn)，受影響區(qū)域?yàn)閿鄬觾蓚?cè)共4.8倍斷面高度范圍；斷層傾角是影響隧道縱向穩(wěn)定性的主要因素，傾角越小，穩(wěn)定性越差； 4）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為直接剪斷型破壞、張拉-擠壓型破壞、張拉-擠壓-剪切破壞三類，斷層傾角由75°變?yōu)?5°時(shí)，結(jié)構(gòu)由直接剪斷型破壞過渡為張拉-擠壓型破壞，破壞區(qū)域分別集中在斷層兩側(cè)1.1倍、1.4倍、1.8倍斷面寬度范圍內(nèi)； 5）依托工程合理抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)參數(shù)：仰拱半徑15m、C25二襯、厚55cm、變形縫間距10m、變形縫寬度0.5m。 6）研究成果已初步應(yīng)用于棋盤石隧道工程。 2100433B

逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)是地震造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的主要因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下管線的破壞機(jī)理、設(shè)計(jì)措施的研究較多，但是一般隧道斷面尺寸相對(duì)管線要大得多，所表現(xiàn)出來的破壞模式也不同，關(guān)于逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下跨斷層隧道破壞機(jī)理的研究較少。課題擬結(jié)合典型地震逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)（如汶川地震、臺(tái)灣集集地震）所引起的山嶺隧道破壞模式，通過1：50物理模型試驗(yàn)和數(shù)值方法研究錯(cuò)動(dòng)位移下地層變形、隧道與圍巖接觸壓力、襯砌表面的環(huán)向、縱向應(yīng)變以及裂縫的發(fā)生、發(fā)展過程，分析逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)變形下上覆山嶺隧道發(fā)生破壞時(shí)的錯(cuò)動(dòng)位移量以及襯砌結(jié)構(gòu)的破壞過程、方式以及區(qū)域，建立逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下上覆隧道的破壞機(jī)制與準(zhǔn)則，提出抗錯(cuò)斷的隧道結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，課題還擬對(duì)斷層傾角、圍巖性質(zhì)、隧道埋深、襯砌剛度、隧道軸線與斷層夾角對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、形態(tài)以及破壞范圍進(jìn)行敏感性分析。

汶川特大地震以及國(guó)內(nèi)外以往大地震后的隧道震害研究表明，隧道穿越活動(dòng)斷層段是破壞高發(fā)區(qū)和抗減震設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)。而目前大量隧道的建設(shè)特別是西部地區(qū)長(zhǎng)大隧道大都面臨直接穿越活動(dòng)斷層問題。本項(xiàng)目擬綜合運(yùn)用調(diào)查研究、理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方法，對(duì)穿越活動(dòng)斷層的隧道地震破壞機(jī)理進(jìn)行深入研究，分析隧道在不同斷層幾何尺度、產(chǎn)狀特征、破裂面物理力學(xué)特性、錯(cuò)動(dòng)位移等條件下地震響應(yīng)規(guī)律。針對(duì)地震中傳統(tǒng)襯砌混凝土材料不吸能、易開裂、斷層錯(cuò)動(dòng)即剪壞的缺陷，研發(fā)新型吸能材料及結(jié)構(gòu)，耦合抗壓材料和抗拉材料共同承擔(dān)荷載并同時(shí)吸收耗散地震能量，并分別通過斷層錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算等方法對(duì)其進(jìn)行吸能水平評(píng)價(jià)，研究其減震效果和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為大規(guī)模建設(shè)的震區(qū)隧道的工程設(shè)計(jì)提供先進(jìn)理論方法、技術(shù)對(duì)策及其計(jì)算模型。