穿越活動斷層的隧道新型吸能材料和減震結(jié)構(gòu)研究

本項目綜合運用調(diào)查研究、理論推導、數(shù)值模擬、模型試驗等方法，對穿越活動斷層的隧道地震破壞機理進行深入研究，主要取得如下成果：（1）開展了隧道地震響應模型試驗箱體設計并對合理性進行驗證，采用擬靜力法試驗結(jié)果均在10%誤差范圍內(nèi)；（2）進行了動靜耦合剪切模型箱的設計分析及試驗驗證，利用該模型試驗箱研究了隧道襯砌的振動響應；（3）設計了一種模擬發(fā)震斷層動力特性的隧道地震試驗方法，試驗裝置能夠模擬活動斷層在不同錯動方向、傾角和錯動量條件下自主發(fā)震，通過改變彈簧組的單個彈簧單元的剛度系數(shù)、彈簧組內(nèi)彈簧單元的個數(shù)等，改變試驗動力響應特征，得到振動頻率-組合彈簧剛度回歸公式和位移-組合彈簧剛度回歸公式。 2100433B

汶川特大地震以及國內(nèi)外以往大地震后的隧道震害研究表明，隧道穿越活動斷層段是破壞高發(fā)區(qū)和抗減震設計薄弱環(huán)節(jié)。而目前大量隧道的建設特別是西部地區(qū)長大隧道大都面臨直接穿越活動斷層問題。本項目擬綜合運用調(diào)查研究、理論推導、數(shù)值模擬、模型試驗等方法，對穿越活動斷層的隧道地震破壞機理進行深入研究，分析隧道在不同斷層幾何尺度、產(chǎn)狀特征、破裂面物理力學特性、錯動位移等條件下地震響應規(guī)律。針對地震中傳統(tǒng)襯砌混凝土材料不吸能、易開裂、斷層錯動即剪壞的缺陷，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荷載并同時吸收耗散地震能量，并分別通過斷層錯動試驗、落錘試驗和數(shù)值模擬計算等方法對其進行吸能水平評價，研究其減震效果和經(jīng)濟指標，為大規(guī)模建設的震區(qū)隧道的工程設計提供先進理論方法、技術(shù)對策及其計算模型。

1)絕大多數(shù)強震震中分布于活動斷層帶內(nèi)。

2)世界上破壞性地震所產(chǎn)生的地表新斷層與原來存在的斷層走向一致或完全重合。

3)在許多活動斷層上都發(fā)現(xiàn)了古地震及其重要現(xiàn)象，重復的時間在幾百年至上萬年。

4）大多數(shù)強震的極震區(qū)和等震線的延長方向與當?shù)財鄬幼呦蛞恢隆?

5）震源力學分析得出，震源錯動面產(chǎn)生狀態(tài)大部分和地表斷層一致?？傊卣饚c活動斷層有著成因上的密切聯(lián)系?；顒訑鄬拥淖饔糜质钱a(chǎn)生地震和地震帶分布的根本因素。

考慮震源-傳播徑路-場地的全過程抗震是隨著對活動斷層的認識而發(fā)展起來的研究理念，依據(jù)活動斷層開展工程抗震研究更具有合理性和確切性。大部分城市所處的堆積盆地本身即由活動構(gòu)造所形成，因此，城市地下結(jié)構(gòu)通常受到其地下或周邊潛在地震的直接威脅。目前，國家組織的關(guān)于城市地區(qū)的活動斷層探測與精確定位研究已經(jīng)取得很大進展，本課題擬將基于活動斷層的地震動場模擬與地下結(jié)構(gòu)的地震反應分析作為一個整體開展研究。首先研究建立包括典型中強度地震的發(fā)震斷層在內(nèi)的廣域模型中耦合包括地下結(jié)構(gòu)在內(nèi)的詳細土-結(jié)分析模型的綜合地震分析模型，并建立基于斷層的長周期地震動理論計算方法與短周期統(tǒng)計學格林函數(shù)法的復合寬頻帶地震動模擬方法，在此基礎(chǔ)上，開展基于活動斷層產(chǎn)生的地震動場計算，研究分析地下結(jié)構(gòu)在三維地震動場中的時-空地震反應過程，把握地下結(jié)構(gòu)的地震反應特征與規(guī)律。通過研究把基于斷層的城市地下工程抗震研究推進一步。

一般認為洞口段是隧道抗震的薄弱部位，但是5.12汶川地震隧道震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)不少隧道洞身段也發(fā)生開裂破壞，甚至倒塌。究其原因，主要是這些隧道穿越地層條件多為斷層破碎帶。項目以西部高烈度地震區(qū)和活動斷裂區(qū)若干隧道工程為研究對象，從隧道動力學、地震工程學及地質(zhì)學等學科基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合汶川地震跨斷層隧道震害調(diào)查資料，采用地震模擬振動臺試驗和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究地震與活動斷層耦合作用下隧道-圍巖-斷層系統(tǒng)的災變機理與控制對策。包括引入損傷理論和能量原理建立隧道抗震安全性評價方法；提出隧道采用柔性接頭形式穿越活動斷層，綜合考慮柔性接頭的可蠕動性與抗震性耦合技術(shù)，實現(xiàn)隧道正常使用階段的安全性與地震發(fā)生時的大變形吸能能力的合理均衡。項目預期將建立隧道安全性評價理論、方法以及災害控制對策。項目的研究對于深入揭示活動斷層區(qū)隧道地震破壞機理具有重要意義，為隧道抗震設計提供科學依據(jù)。