地震动作用下隧道洞口段破坏特征试验研究_梁庆国.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023地震动作用下隧道洞口段破坏特征试验研究梁庆国1，2，陈克霖1，2，熊玉莲1，2，王丽丽3（1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070；3.中国地震局兰州地震所黄土地震工程重点实验室，甘肃 兰州 730000）摘要:为研究山岭隧道洞口段在地震动力作用下对边坡变形特征及其二者之间的相互影响，以宝兰客专某黄土隧道为工程背景，开展了大比例尺的黄土隧道洞口段大型振动台模型试验，输入不同类型的地震动参数，分析在地震动力作用下黄土隧道洞口段的动力响应及变形破坏特征。结果表明：（1）随着地震动强度的增大，模型表观和内部经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段；（2）阿里亚斯强度（Arias Intensity）的水平与垂直分量的放大系数云图呈现颜色区域互补状态，能量衰减区集中在洞口拱顶附近的围岩，仰拱底部 14.50倍洞径和拱顶 2.504倍洞径围岩范围则为能量加强区；（3）不同地震波形、相同加载方向，加速度水平、垂直分量的峰值连线线形相似，个别测点的加速度峰值突出到线形之外，峰值出现时刻明显提前或滞后，说明围岩发生较大的塑性变形或破坏；（4）单向加载时，拱顶、仰拱底部围岩沿隧道进深方向的加速度放大效应基本一样，沿垂直方向的放大系数连线的台阶式变化更为明显。双向耦合加载时，拱顶、仰拱底部围岩的放大系数连线的台阶式变化都较为明显。关键词:黄土隧道；洞口仰坡；地震波；动力响应；振动台模型试验中图分类号:TU43；X951 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01012210Experimental Study on Failure Characteristics of Tunnel Portal under Ground MotionLIANG Qingguo1,2，CHEN Kelin1,2，XIONG Yulian1,2，WANG Lili3(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China；2.Key Laboratory of Road&Bridge and Underground Engineering of Gansu Province,Lanzhou 730070,China；3.Key Laboratory of Loess Earthquake Engineering,Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,China)Abstract:In order to study the slope deformation characteristics and mutual influence between the entrance section of the mountain tunnel under the action of seismic dynamics，a large-scale shaking table model test was conducted with a loess tunnel of Bao-Lan passenger dedicated line as the engineering background.During the test，seismic waves of different waveforms，loading directions and peak ground accelerations were applied to study the dynamic response，deformation，and failure characteristics of the loess tunnel and slope system.The test results indicated that：（1）with the increase of seismic intensity，the apparent and internal longitudinal sections of the model have experienced the elastic stage，elastic-plastic stage，and failure stage.（2）The contour lines of horizontal and vertical components of the Arias Intensity showed a complementary trend in colors.The local energy degradation arDOI：10.13409/ki.jdpme.20210722004收稿日期：2021-07-22；修回日期：2021-08-26基金项目：国家自然科学基金项目（51968041,41562013）、兰州交通大学“百名青年优秀人才培养计划”（2017150）资助作者简介：梁庆国（1976），男，教授，博导，博士。主要从事岩土与隧道工程方面的研究。E-mail:lqg_122ea was mainly concentrated in the surrounding rocks near the arch of the portal，while the energy concentration area was mainly distributed beneath the inverted arch about 14.50 times of the tunnel radius and above the vault about 2.504.50 times of the tunnel radius.（3）With different seismic waveforms and the same loading direction，the peak value line of horizontal and vertical components of acceleration was similar.However，the peak values of acceleration of some measuring points protruded out of the line，and the peak value appeared obviously in advance or lag，indicating that the surrounding rock experienced large plastic deformation or failure.（4）Under unidirectional loading，the acceleration amplification effect of the surrounding rock at the top and bottom of the invert was basically the same along the tunnel deepening direction.The step change along the vertical amplification coefficient line was more obvious.When the two-way coupling loading was applied，the step-by-step variation of the amplification coefficient of the surrounding rock at the top and bottom of the arch was obvious.Keywords:loess tunnel；front slope；seismic wave；dynamic response；shaking table model test0引言我国是一个地震多发国家，尤其西南山岭地区是高烈度地震的频发区和聚集区，许多铁路、公路建设都要穿越山岭地区，如兰渝铁路、成兰铁路、武罐高速公路等。历史地震造成的交通工程破坏不仅造成直接损失，还对灾后抢险救援和恢复重建带来严重影响。尤其是 2008年汶川地震，有多座公路和铁路隧道震害严重，引起国内外学者广泛关注和研究，其中关于隧道震害特征调研与破坏机理分析1、保通修复技术2和抗震减震措施及防灾技术36等方面的著述也随之大量发表。既有研究表明：隧道洞口段是受损最严重的部位，因此不少学者把研究的重点都放在了洞口段的抗震问题上，同时也较为关注隧道洞口边仰坡的地震动力稳定性。黄土高原是我国强震多发、特大地质灾害频发的主要地区之一，距 1920 年宁夏海原 8.5 级大地震7和 1927年甘肃古浪 8级地震89发生已有将近百年。正所谓“宁可千日无震、不可一日不防”，依据震害调查显示，隧道洞口段是隧道震害的易发部位，且黄土具有动力易损的力学特性。因此关于地震作用下的黄土地区隧道洞口段动力响应特征及其抗震性能研究显得尤为重要。理论分析、数值模拟和振动台模型试验等是研究土工构筑物地震动力特性及抗减震技术的主要方法。其中数值模拟是不可或缺的主要方法之一，取得了丰硕的成果1013，但是由于在计算模型、参数和地震动输入等方面存在局限性，尚需试验及实际案例的验证。振动台模型试验作为研究工程结构地震动力响应特性的有效手段之一，许多学者1417已经进行了相关研究，如王猛等18考虑黄土隧道在边坡上的进洞高程不同，通过振动台模型试验方法研究了黄土隧道洞口段及边仰坡的动力响应特征。上述研究中，将模型边坡的表观特征与内部的变形破坏、加速度时空响应及分布等与台面地震动输入、隧道进洞高程等进行相关性分析，但从能量角度探讨地震动作用下隧道和边坡变形破坏及其二者相互间的影响还有待深入。本文在前述研究的基础上以宝兰客专高边坡黄土隧道为工程背景，以45 度坡角、2/3 坡高处进洞的黄土隧道边仰坡大型振动台模型试验为例，尝试用量化的能量指标并结合地震动加速度放大效应，探讨地震作用下的模型内外部的变形破坏特征，借助三维图形及其投影研究坡面土体和隧道围岩的地震动加速度时空响应特征及其对隧道结构的影响。1 模型试验设计与参数1.1 振动台与模型箱设计本文振动台模型试验以宝兰客运专线王家沟隧道为工程背景，隧道位于甘肃省兰州市榆中县，海拔高程 1 8702 100 m，全长 2 621 m。模型试验在中国地震局兰州地震研究所的大型电伺服式地震振动台上完成18，其台面尺寸为 4 m6 m，频率范围，水平：0.170 Hz，双向联动：0.150 Hz，垂直向由 16台 22 kW 的 AC 伺服电机驱动，水平向由 12台 37 kW 水冷式伺服电机驱动。所用模型箱尺寸为 2.8 m1.4 m1.9 m，模型箱实物如图 1 所示。123两侧为 3 cm 厚的有机玻璃板，玻璃板外用碳钢加固；底部采用 50个六角螺钉组 M1660固定在振动台台面上。为更好地模拟地震时的实际情况，对模型箱做了如下的边界处理：底部铺设了鹅卵石并用水泥砂浆粘结，以模拟底部基岩；后侧布置聚乙烯闭孔泡沫板来吸收地震波，以减少地震波反射。1.2 相似关系和材料选择本次模型试验几何相似比 CL=80，C=1，振动加速度相似常数 C=1，其它关键物理量的相似系数见表 1。为了满足材料相似比的要求，必须对原状黄土掺加其他成分进行配制，本次试验计划掺加重晶石粉和锯末并加水配合搅拌，最终确定以原状黄土重晶石粉锯末水=0.835 0.04 0.015 0.11的配比进行重塑黄土的配制18