强震作用下洞口软硬岩层接触带隧道震害机理研究
批准号:
52079134
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
赵武胜
依托单位:
学科分类:
水工岩土工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵武胜
中文摘要
强震作用下洞口软硬岩层接触带隧道极易发生严重破坏,揭示该部位隧道的震害机理并构建高效的抗减震措施是隧道安全运营的重要保障。由于软硬岩层动力特性差异较大,地震作用下软岩-硬岩界面非连续变形行为显著,软硬复合岩体-衬砌动力相互作用极为复杂,导致软硬岩层接触带隧道的震害机理尚不清晰。本项目拟开展软硬岩石的动态压缩及软岩-硬岩界面的循环剪切试验,研究岩石的动力特性及循环剪切过程中界面的磨损演化机理,建立软岩-硬岩界面的动态本构模型;开展软硬岩层接触带场地地震响应的数值仿真技术研究,开发软岩-硬岩界面动力特性的数值模拟程序,提出考虑界面与行波效应的非一致地震动输入方法;结合依托工程,开展多台联动振动台试验与数值仿真,探究地形、地质及地震动条件对隧道响应的影响规律,揭示软硬岩层接触带隧道不同震害形式的力学机理,评价隧道抗震与减震措施的适应性,为强震区隧道洞口的抗震设计提供理论指导与技术支撑。
英文摘要
Seismic damages to tunnels are likely to occur at the contact zone of soft and hard rock layers, and effective countermeasures are essential to ensure the safety of tunnels in near-fault regions. For the mechanical properties of soft and hard rocks differ sharply, the discontinuous deformation behavior of the interface between soft rock and hard rock is remarkable. The dynamic interaction between surrounding rock and tunnel is extremely complex. As a result, the damage mechanism of tunnels at this position is still unclear and a better understanding about the damage process is needed. In view of this problem, first, dynamic compression tests on intact rocks and cyclic shear tests on the soft rock - hard rock interface will be conducted, and the dynamic properties of intact rocks and cyclic shear behaviors of the rock interface will be investigated. Based on the test results, a dynamic constitutive model of the rock interface will be established. Second, the numerical simulation technique for the site seismic response at the contact region will be studied. A numerical simulation program for the dynamic characteristics of the soft rock - hard rock interface will be established. Considering the impact of rock interfaces and the travelling wave effect, an input method of spatial non-uniform ground motions will be proposed. Based on a typical tunnel, several shaking table tests and a series of numerical calculations will be conducted to study the influences of the topography, geology and ground motions on the seismic response of the tunnel. The mechanism of seismic damages to tunnels at the contact zone of soft - hard rock layers will be revealed. At last, the applicability of common strengthening and isolation measures will be evaluated, and the reasonable countermeasures will be presented to relieve the seismic damages to tunnels. This study can provide both the scientific basis and technical support for the seismic design of tunnels in near-fault regions.
强震作用下隧道洞口软硬岩层接触带极易遭受衬砌开裂、错台、坍塌等严重震害,隧道洞口的震害防控是高烈度区隧道建设中不可回避的技术难题。项目采用试验研究、理论推演、数值分析和工程应用相结合的方法,研究了洞口软硬围岩接触带隧道动力响应分析方法、震害机制与防控技术,主要研究工作及成果如下:(a)开展了地震冲击荷载作用下含贯穿节理岩体的动态压缩试验,发现了含贯穿节理的岩体破坏模式(岩石劈裂、界面滑移、岩石劈裂-界面滑移),揭示了岩石开裂与界面滑移对岩体宏观力学性质的影响规律。(b)开展了软岩-硬岩界面的循环剪切试验,发现了界面破坏模式包括界面脱粘、软岩破裂、软岩磨损,阐明了初始静态剪应力水平、动态剪应力幅值、频率、次数等因素对界面宏观力学参数的影响机制,建立了软岩-硬岩界面的动态本构模型,实现了软硬围岩界面力学行为的表征。(c)提出了层状岩体中地震波传播的隐式时域分析方法,该方法可考虑岩体地应力场与岩层层面的四种状态(连续、张开、粘结、滑移),且较已有时域分析方法具有更好的稳定性;基于该分析方法,研究了层状岩体中地震波的传播规律,提出了层状岩体中非一致地震动的输入方法。(d)开展了地震作用下洞口软硬围岩接触带隧道动力响应的振动台试验与数值计算,揭示了衬砌剪切错台、衬砌开裂、底板隆起等震害的力学机制,提出了“围岩加固层-减震层-衬砌减震缝”隧道多级抗减震结构型式。.研究成果已在乌尉高速天山胜利隧道中成功应用,并正在青岛胶州湾第二海底隧道推广使用,提升了工程的抗震减灾能力,为高烈度地震区隧道的抗减震设计奠定了理论基础与技术支撑。在该项目的资助下,已发表SCI/EI论文15篇,授权发明专利5项、软件著作权1项,成果获2024年度湖北省自然科学一等奖1项、2023年度青海省科技进步一等奖1项,培养博士研究生3名、硕士研究生2名。
强震区泡沫混凝土隧道减震层动力特性与减震机理研究
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批准号:51409245
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2014
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负责人:赵武胜
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依托单位:
国内基金
海外基金