文摘
揭示活跃断层运动下隧道结构的破坏机理,基于pseudostatic弹塑性有限元方法,隧道衬砌的破坏模式进行了研究在不同运动的比率与走滑断层和逆冲断层45°倾角用数值模拟。结果表明,重大衬里失败部分的范围可以根据任何方向确定耦合断层运动的分解方向,和破坏效应是由整体运动的耦合故障。的重大损害区域作用下衬砌的变形耦合故障的面积是一样的,主要表现为拉伸断裂。压缩失败发生在断裂带之间的边界区域和上盘和下盘。区域的塑性应变是最大的拱腰和拱底相交。的发展,隧道衬砌塑性区耦合故障下从上拱和拱底拱腰的两边。塑性区在活断层的发展主要取决于断层的形式有一个很大的比例。研究结果可以提供一个参考的设计和安全评价隧道穿越活动断裂。
1。介绍
地下结构具有更好的抗震性能围岩的压力下,但相关的研究表明1- - - - - -4)的隧道结构跨越一个活跃的故障会导致更多灾难性的损害在活断层的运动,甚至导致结构崩溃(5- - - - - -7),这将造成严重的经济损失。在隧道工程建设,相关法规规定断层部分基于回避的原则。然而,隧道的方向路线现在更倾向于对交通的需求函数,导致增加部分隧道不可避免地穿越活动断裂带[8,9]。
目前,国内外专家和学者的研究取得了一些有意义的结果通过活性断层隧道。陈(10)建立了断层错动引起的地表破裂带的长度在台湾地区,东部和西部的中国、日本和印度。两个统计回归公式建立了裂缝长度和大小来估算地表破裂带的长度通过大小和估计级表面裂缝的长度。井和铜匠[11]收集244相对完整的地震记录的统计分析,建立了大小和表面之间的关系,全球地下裂缝长度和表面运动。科尔和装载(12]给出一个简化的模型预测地面裂缝的形状和分布引起的基岩运动通过砂箱试验和理论分析,总结了产生影响的三个关键因素:土壤厚度、剪胀角和断层倾角。Bransby et al。13,14模拟正常和逆断层的断层倾角60°通过离心机测试,考虑改变负载的影响的上部土层和改变的位置刚性地基土层的破裂。林等。15,17)模拟隧道的变形和破坏特性受断层逆冲断层运动通过设计测试装置,研究了相关参数对隧道结构的影响,并通过数值模拟验证了实验的结论。Sabagh和Ghalandarzadeh18)利用一系列有限元数值模型来评估隧道和反向断层路口的行为。60°的数值模拟结果逆断层在自由场模式和隧道模式是通过离心试验来验证。一个et al。19)提出了一种两级断层位错的设计方法,建立了三维有限元模型来估计隧道响应下断层位错。Zhang et al。20.)建立了一个三维地质模型的缺点,使用区域反演方法获得故障条件下的区域应力场分布,并使用数理统计方法获得的初始应力场Daxiangling隧道。的斜井Muzhailing公路隧道为工程背景,陶等。21)评价的支持效果炭质板岩和围岩的变形通过模型试验。
上述研究成果具有重要意义的建设隧道穿越活动断裂,但也面临一些复杂的问题。例如,统计数据的初步工作是复杂的,和数据众多,断层断裂的机理更为复杂,测试结果的色散很大,数值模拟有其局限性等。目前的研究需要进一步深入指导工程实践和抗震设计。总结之前的研究的基础上,本文使用pseudostatic弹塑性有限元分析方法基于国内隧道工程和估计的结构性破坏衬砌的变形机制,最大主应力分布和塑性区发展通过大量的计算,和衬砌的破坏机理复杂的耦合作用下的断层。
2。三维有限元数值模型的建立和参数的选择
依赖于一个实际的隧道在中国,基于三维有限元软件ABAQUS,本文建立了三维有限元模型的断裂带与45°倾角不同的走滑和推力比率。分段装配期间,根据调查数据模型破裂带的宽度是40米和180米前后断裂带是建立活断层隧道计算模型耦合。隧道的横截面形状与一个中心圆画类似于实际的项目。的最大内径10米,高7米,衬壁厚0.5米,隧道埋深是28米。国内隧道施工实践经验认为,当横截面大小是5 - 10倍的隧道断面尺寸、人工边界对计算结果影响不大(22]。因此,模型的截面大小是70,这是10倍隧道的高度和宽度的7倍。模型的大小是400×70×70,和模型计算图如图1。
如图1,abcd段的顶壁区域活跃的错,和efgh段是活断层的下盘区域。断层运动实现通过应用约束边界条件,应用位移加载边界条件。这种计算模型模拟衬砌的失败在不同断层位移和不同比例的两个位移。断层位移的耦合是由逆断层,和最大位移为4.0 m。考虑最不利的影响,计算模型设置较低的运动速度,和每个分析步运动是0.1米;即模拟运动速度是0.1米/秒,使围岩足够的变形和最大化隧道衬砌的损伤(15,16,23]。探索损伤机制的耦合作用下隧道衬砌结构的活动断裂,衬里的本构关系计算模型采用混凝土结构损伤本构,C55混凝土衬砌材料,应力-应变关系是按照定义的代码(24),如表所示1。挂壁和脚的活断层和断裂区采用莫尔-库仑本构关系。的原因断裂带的断层运动沿滑动面是断裂带强度较低,容易损坏。因此,计算模型适当降低破裂带的强度安全系数为0.8。具体的计算参数如表所示2。模型设计考虑了材料属性和衬砌和围岩之间的差异并定义两者之间的接触摩擦,摩擦参数是0.4 [25]。
模型计算三个步骤进行。初始地应力是应用于unexcavated岩石和土壤,所以它不会变形在重力的作用下,这下模拟了岩石和土壤长期整合。初始地应力平衡后,隧道开挖和衬砌的施工模拟。围岩压力作用于衬砌和衬砌将不再被变形。后,衬砌和围岩达到平衡的状态,位移加载应用于走滑方向(Y方向)和推力方向(Z挂墙的方向)的活动断裂实现耦合和活断层的运动。下盘的边界条件保持不变,和载荷边界条件如图2。
土壤元素和衬砌计算模型采用六面体的元素的元素。网格是人口分为断裂带和隧道衬砌周围的岩体,边界附近的土壤网格稀疏,这保证了计算结果的准确性和可靠性,计算的效率。网格如图3。
(一)
(b)
(c)
3所示。隧道衬砌的安全分析与不同运动耦合作用下的活动断裂
走向滑动断层运动下,挂墙和脚墙沿断裂表面横向移动。断层运动的压力源是双方的剪切作用。表面是光滑的,运动和剪切的效果是显而易见的26]。推力的缺点与大排量的距离向前的缺点,表现出强烈的压缩(27]。因为断层运动的计算模型是由推力的缺点,本文选择了隧道衬砌拱拱顶测量分在不同的运动的走向滑动断层逆冲断层比1:2进行安全分析。
断层运动分为粘滑运动运动和爬行运动。粘滑运动运动是一种快速断裂运动和爬行运动是一个缓慢的运动发生。研究表明,断层的缓慢运动使土壤足够的变形过程,和失败形式大于粘滑运动运动(28]。探索运动的影响量的耦合作用下隧道衬砌上的活动断裂,本文以粘膜反应时连续运动的耦合断层的逆冲断层是0.1米,0.2米,0.3米,0.4米,0.5米和0.6米。和隧道衬砌的破坏机理在不同位移耦合故障的显示通过沿着隧道衬砌的纵向位移分布,最大主应力的分布,分布的发展范围的塑性区。
3.1。隧道衬砌位移响应分析具有不同运动耦合下活断层
自耦合负载应用于断层位移Y方向和Z方向,Y方向和Z方向隧道衬砌拱顶位移分布进行分析。图4(一)衬砌的变形图云当断层位移为0.4 m,和图吗4 (b)显示了Y方向位移分布曲线的衬砌在不同位移时走向滑动断层和逆冲断层之间的耦合系数是1:2和图4 (c)是Z衬里的方向位移分布曲线。
(一)
(b)
(c)
综合分析的图4表明,断层运动的耦合驱动衬顶壁区域将在相同的形式走滑方向和推力方向。沿着内壁位移曲线运动平台出现在隧道的纵向方向,平台的范围是大致相同的,挂墙的错。耦合故障1:2的Y- - -Z方向和衬砌位移响应大约是1:2,衬砌位移值的投影在两个方向的位移载荷值是一致的。衬砌位移曲线的形状在两个方向的耦合故障运动是“S”形分布,和变形急剧下降断裂带的底部投射区沿纵向方向。自倾角45°,断裂带的断层投影面积在110∼220的范围之内。的增加运动的活跃的断层,弯曲的平台继续上升,在急剧下降部分曲线的斜率逐渐增加,但这个平台的范围和位置没有明显改变。的急剧下降部分Y方向曲线大致140∼200米的范围内,和的急剧下降部分Z方向曲线是大约140∼200米的范围内。因此,耦合下的衬砌的重大损害区域活动断裂大致位于断裂带。与活断层的运动的增加,损伤范围没有显著变化,但损害效应显著增加。的显著变形部分衬里可以判断根据的位移曲线的投影方向断层运动的耦合。
3.2。隧道衬砌应力响应分析具有不同运动耦合下活断层
由于隧道衬砌材料C55混凝土、最大主应力作为衬砌应力响应分析指数研究衬里的结构损伤机制。根据计算结果,内壁的最大主应力分布曲线与不同运动耦合断层作用下如图5。
从图的综合分析5,可以看出,最大主应力曲线的衬里45°倾角下的耦合断裂运动对称分布沿纵向方向的隧道对称轴大约140米。分布曲线的形状的不同位移下的最大主应力衬里大致是相似的。时的推力方向耦合故障偏差是0.1米,挂墙的最大主应力大于其他位移。最大主应力是140前的拉伸应力沿纵向方向的隧道,与纵向距离和应力值逐渐增加。140附近出现的最大拉应力和压应力出现在隧道的纵向方向200米附近,和内壁开始接受压缩失败。的最大主应力衬里下盘地区基本上是0。耦合断裂运动的脚墙衬显示明显的拉伸断裂,和显著增加区域最大主应力位于断裂带的位置。压缩的接触位置发生故障时,下盘和断裂带和衬里的拉伸断裂范围基本一致的位置急剧下降的衬砌位移曲线。因此,可以推断,重要的作用下衬砌的破坏区域的耦合故障是一样的位移变形的重要区域,大约位于断裂带附近,主要表现为拉伸断裂。
3.3。分析隧道衬砌的塑性区发展的耦合效应下的活动断裂具有不同的位移
隧道衬砌的实时监控方法和变形数据的分析和处理有重要的现实意义,以确保隧道的稳定性(29日- - - - - -31日]。衬砌结构损伤的重要指标之一,塑料带在隧道施工监测中扮演着重要的角色。图6是云图发展的塑性区耦合故障下的隧道衬砌位移不同的行动。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
综合分析的图6表明,初的耦合故障,塑性区分布在衬砌拱顶和拱底,和分布范围大致集中在十字路口的穹窿顶壁和断裂带和拱底十字路口的下盘和断裂带。随着耦合断裂运动的数量增加,塑性区顶部和底部的拱继续扩张,与双方的拱腰。流离失所的耦合故障时在一定距离的位置的隧道衬砌塑性区变化从顶部和底部两边拱的拱腰。发展的塑性区范围集中在断裂带,和塑性区两侧的拱腰活断层运动的数量增长而增加。云图发展的塑性区散射中心的环境在一个不和谐的形状,和塑性应变是最大的地方拱腰和拱底相交。的发展规律下的隧道衬砌塑性区耦合下的隧道衬砌断层运动类似于逆冲断层运动。因此,塑性区在活断层运动的发展主要是由断层运动的形式与更大的比例。
4所示。隧道衬砌的安全分析与不同的耦合作用下位移比活跃的断层
探讨不同运动比率对隧道衬砌的影响活动断裂的耦合作用下,三种不同比例的走滑和推力运动的比率1:1,1:2和1:3是本文研究的反应衬里的连续位移断层逆冲断层是1.4年的耦合。和隧道衬砌的破坏机理的不同位移耦合,这揭示了断层的纵向位移分布沿着隧道衬砌,最大主应力的分布,分布的发展范围的塑性区。
4.1。隧道衬砌位移响应分析与不同比例下的耦合运动活跃的断层
耦合活动断裂走滑断层和逆断层。因此,有必要研究Y- - -Z方向分别衬砌位移曲线。走滑运动,运动的比率的45°断裂带是1:1,1:2和1:3,如图7。
(一)
(b)
从图可以看出7(一)既然活断层的运动是由逆冲断层,不同运动的数据比例下走向滑动断层和逆冲断层的逆冲断层运动的耦合故障下1.4选择进行分析。因此,Y方向衬砌位移曲线运动平台,平台的范围大致相同的故障挂墙的底部。与断层运动的耦合比的变化,平台的高度Y方向衬砌位移曲线逐渐减少,平台范围没有明显改变。衬砌位移值是大致一样的Y方向位移加载应用价值,衬里和挂墙做同样的运动形式。的Y方向衬砌位移曲线是分布在一个“S”形,有一个急剧下降的投射区断裂带的底部沿纵向方向。与运动比率的增加,不断陡坡段倾角的增加,和伤害效果提高显著,而造成的重大危害范围大致集中在同一范围的断裂带。
从图可以看出7 (b)的耦合故障Z方向有垂直位移荷载的1.4米,和衬砌位移曲线显示了运动平台沿隧道的纵向方向。这个平台的范围是一样的挂壁的底部的错,和位移曲线显示了一个“S”形分布相同的形状。的Z方向位移曲线显示了一个急剧下降沿纵向方向断裂带的隧道,和衬里的重大损害区域45°倾角断裂区大约140∼200。因此,耦合下的衬砌的重大损害区域活动断裂运动大致位于断裂带,和两个方向都是相同的。与运动比率的增加,损伤效果更加明显,而损害范围基本上是不变的。的范围的重大损害部分衬里可以确定根据耦合故障的任何方向运动分解方向,和伤害效果需要取决于断层的整体运动耦合。
4.2。隧道衬砌应力响应分析与不同比例下的耦合运动活跃的断层
探索隧道衬砌上的应力分布的影响在不同的走滑运动比率和推力的缺点,最大主应力分布沿隧道的纵向长度计算根据计算结果,如图8。
综合分析的图8显示的最大主应力曲线衬砌在不同运动比率的45°倾角耦合故障对称分布沿纵向方向的隧道对称轴大约140米。最大主应力分布曲线的形状的衬砌在不同位移比例大致相似,和最大主应力分布曲线显示了一个先增加然后减少的趋势。压力增加区域沿隧道的纵向长度大致位于断裂带附近。最大主应力继续增加在140之前,最大值出现在140,这是拉应力,衬显示了拉伸断裂。压应力发生在衬砌之间的边界断裂带和挂墙和脚墙,和压缩故障。的最大主应力衬里的脚墙基本上是零。衬里断层运动的耦合下拉应力分布面积广,所以衬主要显示了拉伸断裂。衬里的明显的拉伸断裂范围基本一致的位置急剧下降的衬砌位移曲线,显示一致的变化规律。
4.3。分析隧道衬砌的塑性区发展的活动断裂具有不同运动耦合效应下的比率
为了探索的影响发展的塑性区隧道衬砌在不同运动耦合活动断裂的比例,根据计算结果,云图发展的塑性区范围的衬砌在不同耦合故障时运动比率流离失所的45°角1.4,如图9。
(一)
(b)
(c)
综合分析的图9表明,塑性区分布在不同比例下的耦合故障大致集中在断裂带的中间。当断层运动的耦合比例是1:1,塑性区集中在隧道衬砌的拱底部和腰部区域,拱底主要分布,塑性应变值不和形状和散射环境。与运动比率的增加,塑性区的位置的内壁开始扩大拱底拱腰的两边,并相应地增加范围。法律发展的塑性区面积不同比例的运动类似于逆冲断层下隧道衬砌的发展规律。因此,可以推断,衬砌塑性区发展与断层运动形成的主导方向耦合故障,影响和发展法律的发展法律衬砌塑性区在其唯一的行动。衬砌塑性区大致集中在破裂带,这是符合的拉应力分布区域的最大主应力沿隧道纵向方向的衬里。
5。结论
隧道建立三维有限元模型的耦合运动下走滑和推力的缺点,讨论了位移、应力分布、塑性区发展隧道衬砌在不同的运动和运动的耦合故障的比率,并揭示了内壁的损伤机制下活断层运动,和结论如下:(1)断层运动的耦合驱动衬顶壁区域将在相同的形式走滑方向和推力方向。耦合下的衬砌的重大损害区域活动断裂运动大致位于断裂带。的增加运动的活动断裂,破坏效应显著增加。的范围的重大损害部分衬里可以确定根据耦合故障的任何方向运动分解方向,和伤害效果需要取决于断层的整体运动耦合。(2)隧道衬砌的耦合断裂运动显示了明显的拉伸断裂。的显著增长区域位于断裂带,最大主应力和压缩的接触位置发生故障时,下盘和断裂带。衬砌主要显示了拉伸断裂,内壁的明显的拉伸破坏范围基本一致的位置急剧下降的衬砌位移曲线。可以推断,严重破坏区衬作用下的耦合故障是一样的显著的位移变化,大致位于断裂带附近,主要表现为拉伸断裂。(3)在耦合故障的开始,塑性区分布在衬砌拱顶和拱底。与耦合断裂运动的增加,塑性区顶部和底部的拱继续扩大并连接两岸的拱腰。区域的塑性应变是最大的拱腰和拱底相交。塑性区在活断层运动的发展主要是由断层运动的形式与更大的比例。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究的部分支持由科学技术研究与发展计划中国国家铁路有限公司(没有。K2019G009);国家自然科学基金项目(没有。52078426);(没有国家重点研究和发展计划。2018 yfe0207100);四川省科技支撑项目(2019号。2020 yj0253 2020 yfsy0060 jdrc0133,和2019 jdrc0134);中国铁路Eryuan工程集团有限公司有限公司科研项目(KYY2019034(19 - 22日)和KYY2019070(11日));和中国国家铁路集团有限公司有限公司科研项目(nos SY2016G003和N2020T004)。