物理建模和数值模拟的地面裂缝附近的地铁隧道地震反应活跃

文摘

地下地面裂缝构成严重危害,以及地上结构。在地下铁路,附近地面裂缝,甚至更高,因为隧道面临潜在的灾害威胁裂缝活动。确定隧道之间的交互和地面裂缝的地震,实地调查和数据分析应用研究活动和损害引起的裂缝。振动台试验和数值模拟模型被用来理解裂缝站点和隧道的动力响应。裂缝网站有一个清晰的挂壁效应,加速度放大是更大的比下盘表面上和在中间的裂缝。欧元区的影响也是广泛的挂墙上。加速度放大倍数增加埋深和峰值加速度输入的地震。峰值地面加速度(PGA)减少裂缝的两边的埋藏深度。最伟大的PGA系数得到表面的网站。垂直土压力影响的地铁隧道和裂缝。 The vertical soil pressure was larger in the hanging wall, especially in the zone near the fissure, but was less near the tunnel. The horizontal soil pressure above the tunnel was less than that near the fissure. The results of this study are essential for the safe design of underground railway systems.

1。介绍

地面裂缝是一个全球地质灾害,研究了自历史时代。查尔斯·莱尔描述了不同类型的裂缝及其起源元素的地质在19^th世纪。在美国,第一个发现了地面裂缝鹅溪德克萨斯油田1918年,与第二个裂缝Picaho盆地发现的1927年亚利桑那州。从那时起,地面裂缝被发现在亚利桑那州,加利福尼亚州、德克萨斯州、内华达、新墨西哥、美国和其他国家(1]。地面裂缝也被观察到在其他国家,如墨西哥;保加利亚;Chamoli、印度;伊朗;日本;和中国(2- - - - - -7]。

监测方法使用集成的全球定位系统(GPS)和干涉合成孔径雷达(InSAR)发现这些地面裂缝的活动和发展趋势(8]。地裂缝的形成模式研究在过去几十年。构造动力学、流体力学和灾难机制有着密切的关系,裂缝的起源和活动9]。构造力量是由地壳应力控制地面裂缝的形成。水动力的力量加强和恢复地裂缝活动。Fenwei盆地的研究已经显示,地面裂缝有清晰的同生断层特性。主地裂缝是一种潜在的露头结构破裂,其位置和活动通常是由底层控制的缺点。此外,他们的活动通常是由垂直位移,即。,扭转和拉伸对活动的影响(9,10]。

到目前为止,已经有超过6000名地面裂缝在中国发现(9]。Fenwei盆地,有195个裂缝,主要分布在西安、咸阳、渭南。第一个裂缝在西安西北大学校园在1959年被发现。自那时以来,14地面裂缝,总长度160公里,被发现在西安。占地面积大约是250公里²。这些裂缝,称为 ,…,从北到南,位于Fenwei盆地。他们沿着Chang 'an-Lingtong开发活动断裂和地下水萧条的边缘锥8,9]。

西安是中国西北部最大的城市,是中国的古都之一。西安地裂缝造成严重破坏的城市。在受灾地区,道路已经截止,管道坏了,农田被摧毁,和建筑物损坏,包括具有历史意义的建筑。例如,钟楼,达扬塔塔,地标有几千年的历史,已经明显受到地面裂缝;前了395毫米,而后者是1100毫米的西北倾斜。从金融的角度来看,地裂缝造成的损害导致损失金额超过100亿元在西安10,11]。

西安的发展受限于这些地面裂缝。城市地下铁路发展计划23但所有14地面裂缝相交,威胁安全的地下铁路。尽管已经采取了若干措施,以避免和减轻地面裂缝的负面影响在设计铁路的同时,研究仍很有必要,以确保地铁在裂缝区域的安全。

确定地铁隧道的变形和力学影响地面裂缝,大型物理模拟和数值模拟被用来模拟地下铁路穿越地裂缝地区。地铁隧道和地面裂缝是在靠近铁路,即。,this short distance will influence the safety of the tunnel, especially during earthquakes. This study was conducted with the objective of determining the influence that ground fissures have on various factors that affect the design of railway tunnels. The results of this study may help in the effective implementation of ground fissure mitigation technologies for underground railways and other buildings in fissure-prone areas.

2。的地面裂缝

2.1。活动的地面裂缝

的地面裂缝是14裂缝,并有很强的活动在西安7]。开始从北方岭西南的城市,裂缝穿过Xiaozhai Xiying路,在东北Fangzhi区结束。全长28公里,13公里的长度,可见部分地面裂缝的最长14地面裂缝。图1显示了地面裂缝。

(一)

(b)

GPS与InSAR监测方法已经应用于确定的分布和活动地面裂缝。根据测定分析,由于地面裂缝已经重新激活三次抽水在过去50年10]。图2描绘了年平均位移的自1960年以来的裂缝。有三个时期严重位移发生根据记录数据。第一个时期从1960年到1989年,平均位移3.2毫米/年。的裂缝是在此期间。活动大幅增加到35.00毫米/年的第二个时期从1990年到1996年。地下水迁移的主要原因是大位移在此期间。在第三个时期,从1997年到2005年,平均活动下降到15.00毫米/年的禁令地下水删除(11]。最大的位移,在50毫米/年,发生在1980年代的结束。基于平均位移,积累的总位移地面裂缝在第一期是97.00毫米,在第二个时期,竞争增加到245.0毫米,然后,第三时期下降到135.00毫米。平均年度(图2)和累积位移表明水动力力量强化和重新激活的活动裂缝(10]。

有六个监测站沿裂缝,位于Xiwan路(M1), Jixiangcun (M2), Xiaozhai (M3), Cuihua路(M4), Houcui (M5)和Xiying路(M6)从西向东(图1(一))。图3描述了数据记录的累积位移从1989年到2007年。最大累积位移在M1是20.10毫米,24.51毫米在M4、M5的417.43毫米,309.83毫米在M6期间从1989年到2007年。这两个监测站(M5和M6)位于东南区域的裂缝位移记录高于其他四个站。M5和M6监测站位于地下水萧条的边缘锥。位移有密切的关系与该地区地下水位12]。

基于监测数据的分析从M6站从2001年到2007年7,10- - - - - -12),我们观察到的位移由垂直位移、拉伸和扭曲。裂缝延伸的平均0.436毫米/年。转折是主要针对剩下的平均值1.38毫米/年。垂直位移记录在车站M6主要是因为挂墙沉降,平均结算2.032毫米/年。三种类型的位移之间的比率是如下:垂直位移:转折:拉伸= 1:0.68:0。22。垂直位移确定的关键因素,影响裂缝的位移,即。通常,垂直位移为主地裂运动。

2.2。地震和之间的关系地面裂缝

近年来,西安城市和邻近地区定期经历过地震。例如,地震,强度3.0毫秒的Yanliang区东北部的部分发生在西安6月13日,2018年。另一个地震(5.3 Ms)发生在太阳岭镇9月13日,2018年。有密切地裂缝活动与地震发生之间的关系。例如,M6监测站突然定居在2008年汶川地震记录(12]。地震时地面沉降大幅增加,这表明地震影响的活动裂缝。地裂缝活动增加引起的地震通常可以分为三个阶段。第一阶段是一个突然的沉降,对应于地震的发生。第二阶段的特点是温和的解决地震之后,通常会持续好几天。第三阶段几乎没有明显的由持续运动,地震之后通常持续几个月或几年。相关的地震可以激活现有的地面裂缝,由地震引起的地面沉降也会导致新的地面裂缝的发展11]。

2.3。造成的损害地面裂缝

地下结构,诸如水和天然气管道,已经破碎的45倍自1976年以来,由于地面裂缝活动。一项调查显示,超过10管道坏了地裂缝活动于2003年(10]。自西安城市的土壤主要是黄土,水从破裂的管道泄漏导致土壤浸泡和崩溃,从而导致二次损伤,严重的不均匀地面沉降和变形等建筑物和道路(9]。

图4(一)显示了变形造成的M4监测站附近的一条路地裂缝活动。路的中心轴解除导致道路的沉降的肩膀,垂直位移的约200毫米。图4 (b)说明了墙造成的损害M6监测站附近的地面裂缝。墙的一边解除,而另一边消退。类似的例子可以看到整个城市。

(一)

(b)

3所示。实验设置和建筑工地

3.1。物理描述区域用于模型的原型

3^{理查德·道金斯}西安地铁的运行几乎平行于地面裂缝在几个站点,如图1(一)。Xiaozhai站附近的裂缝和隧道之间的距离只有大约20米。地裂缝活动容易对地铁隧道的影响。因此,在Xiaozhai车站施工现场,相关的地铁隧道,地面裂缝是原型在这项研究。

图1 (b)显示了研究区域的地层剖面基于实地调查。莳萝,Zk9 Zk15,用于获取详细的地层特性。四层之间存在地面表面和底部的地铁隧道:冰河期人工填土( ),上更新世风成黄土( ),残余古土壤( ),和中更新世冲积粉质粘土( )。根据地层剖面、和下盘为每个阶层有不同的深度沿地面裂缝,即。,每一层都是低于下盘。尤其这样的底部中间更新世冲积粉质粘土层,即。高达4.0米,一个区别。这个区域的景观是平的,地面高度409.46 - -441.43米。黄土地貌单元由一个岭和抑郁。地铁隧道之间发生的深度大约10 - 15米,马蹄形状,高度为9.55米。

3.2。模型设计

振动台试验是用来模拟地震模型的原型的网站,包括裂缝和地铁隧道。摇表是一个有用的设备在地震研究中,可以应用动态地震载荷的模型放在桌子上。摇床是用于研究的独特性和复杂性与地铁隧道和地面平行裂缝。摇床是由MTS,电控制权力。地铁隧道的运作机制是必不可少的安全设计。隧道的动力响应加速度和土压力监测,比较,分析。

如图5(一个),摇床的大小是4米×4米,最大容量为30 t和±1.5 g的最大水平加速度。层流剪切模型容器的尺寸如下:3.0米(长度)×1.5米(宽)×1.2米(高度)。容器设计了三种类型的边界,减少边界效应。滑动边界是振动方向平行,柔性边界垂直震动的方向,和摩擦边界模型的底部框(数字5(一个)和5 (b))。

(一)

(b)

(c)

(d)

几何相似比设置为1/30,基于振动台的功能。关键特征用于创建动态模型设计包括几何相似常数,相似常数,密度和弹性模量;基于几何相似比,这些都是30。其他物理特性通过白金汉的决定π定理和量纲分析13- - - - - -17]。土壤中使用的模型得到的建筑工地。土壤都是一层一层地进入容器后,地层剖面的层。我们确保了含水量和土壤密度与这些参数在原来的网站。土壤容重是18.6 kN·m⁻³。填充材料的裂缝是细沙根据实地调查。模型裂缝的宽度是25毫米,倾斜角度80°。模型模拟隧道也按照相似性关系。基于正交法的材料,材料的比例用于构造隧道是石膏:水:重晶石粉= 1:1:3.95。隧道的钢筋模拟使用铝网是基于平等的比强度钢筋模型和原型之间的隧道。隧道是18毫米的厚度模型,按照原型隧道550毫米的厚度。隧道的整体尺寸原型在高度9550毫米和9400毫米宽度与一个马蹄形的概要文件。其他隧道的特点如下:杨氏模量(E3000 .0 MPa),抗压强度为4.97 MPa,密度23.5 kN·m⁻³(16]。图5 (c)显示一个图像模型的隧道。

3.3。数据采集系统

地震模拟振动台测试过程中,确保准确是非常重要的获得可靠的测试结果。合成西安地震波被选为模型实验中,通过特征匹配研究区域的地质特征。此外,两个其他已知的地震波,即。,the El Centro earthquake and Kobe earthquake waves, were applied. The El Centro wave was recorded in Empire Valley, USA in 1940 and the Kobe earthquake wave was recorded in Japan in 1995. The El Centro and Kobe earthquake waves were adjusted in accordance with the geological characteristics of Xi’an. The three earthquake waves were loaded onto the shaking table via the control system with increasing peak accelerations of 0.1, 0.15, and 0.3 g. A white noise with a peak acceleration of 0.03 g was also loaded to confirm the natural vibration frequency of the model box at each event before changing the stage of the earthquake waves.

使用加速度传感器和微型土压力传感器在测试期间从土壤中获得数据和隧道。图5 (d)显示设备和传感器的位置。在图5 (d)”,一个“表示一个加速度传感器和“S”代表了土压力传感器。加速度传感器的总数和土压力传感器是24日和14日,分别。

3.4。数值分析模型

连续的快速拉格朗日分析(FLAC 3 d^{3 d})是用于模型的数值模拟。开发模型是基于研究领域裂缝附近的隧道3^{理查德·道金斯}西安地铁。仿真模型的大小是3.0米长,1.2米的深度。土壤层应用于数值模型在相同的使用原型建筑工地。合成西安地震波数值模拟模型中的应用,本研究与峰值加速度的选择对应的振动台试验为0.1,0.15和0.3 g。

数值模拟在动态试验中至关重要。振动台试验是昂贵的和测试的准备工作需要大量的时间。相反,数值模拟模型可以提供有用的数据和更少的时间和成本限制。此外,它是一个重要的方法来比较和分析从模型试验获得的数据。

在数值模拟模型中,计划应变的有限元方法被用来减少计算时间。粘性边界被放置在模型的底部,和声波测井边界两边的设计模型。边界是应用于减少地震波反射。土壤本构模型是基于莫尔-库仑屈服准则。通过薄层裂缝模拟元素。图6显示了使用FLAC数值模拟模型准备^{3 d}软件。

4所示。模型试验和数值模拟的结果

4.1。加速度放大

我们考虑峰值加速度记录的加速度传感器,A0,基本的峰值加速度。在这里,A0是固定到振动台的表面上。峰值加速度的比值从每个传感器的基本峰值加速度被称为加速度放大系数。图7描述了网站的表面加速度放大合成西安地震波加载时,以及科比和埃尔森特罗地震波。数据7(一)- - - - - -7 (c)表明,地震波被放大到振动台的表面,特别是挂墙的表面上。对于大多数监视点,放大系数大于1.0。获得了最大的放大系数从旁边挂墙壁上的裂缝。放大系数曲线下降对双方和下盘。顶壁,减少放大系数成为温和的距离1.0米的裂缝,在下盘,这种现象观察的距离0.5米的裂缝。挂墙的放大因素更大比对称分量的下盘。影响区域的宽度,以及放大系数,更大的挂墙上。这种现象被称为“挂墙效应”在正常的缺点。换句话说,放大了地震比下盘正断层。基于结果如图7,我们观察相同的功能在地上裂区。因此,地面裂缝网站也经历挂墙的效果。

(一)

(b)

(c)

图8描绘了加速度放大系数在505毫米的深度。根据图5 (d),505毫米的埋藏深度对应于隧道拱。加速度传感器是A2-1, A2-2, A2-8(图5 (d))。峰值加速度的比值,从传感器,加速度峰值基本被称为加速度放大系数。除了不同加速度峰值的0.1,0.15,和0.3 g,放大曲线有相似的特征。图8显示放大系数是最大的距离−0.5米的裂缝,即。,the point located next to the right arch tunnel, where the amplification factor decreased towards both sides. The amplification factor decreased with a corresponding increase in the peak acceleration, whose influence was more prominent in response to the synthetic Xi’an earthquake wave. The main reason for this result was that the low-frequency portion of the synthetic Xi’an earthquake wave was larger than that of the two other earthquake waves. The ground fissure site also amplified the acceleration in the hanging wall during the earthquake at a depth of 505 mm. The hanging wall effect was observed at a depth of 505 mm, as well as at the surface of the site.

(一)

(b)

(c)

图9表明加速度放大系数和深度之间的关系沿着挂墙上。加速度放大系数的比例是峰值加速度的峰值加速度基本加速度传感器a_11(即。底部的传感器的模型)。图9说明挂墙的放大系数随深度降低所有三种类型的地震波加速度峰值为0.1,0.15和0.3 g。当地震加速度峰值为0.1 g(图9(一个)),埃尔森特罗的放大系数波动是最大的。这表明放大系数取决于频率和频谱特征的地震以来,小城波有一个比另一个更高频率的电波。三个波的放大是一致的光谱带宽。

(一)

(b)

(c)

当地震峰值加速度是0.15和0.3 g(数字9 (b)和9 (c)分别),加速度放大系数的改变。合成的加速度放大系数西安波是最大的,其次是科比和埃尔森特罗的波。这种差异与土壤暴露在大量的非线性变形。加速度的放大倍数下降与埋藏深度和加速度放大倍数下降的范围不断增加地震加速度峰值。加速度响应的差异逐渐减少。

4.2。规则的峰值地面加速度(PGA)

图10显示峰值地面加速度(PGA)系数曲线在表面和埋藏深度的505毫米基于数值模拟和振动台试验。图10 ()表明,通过两种方法获得的PGA曲线是相似的。面积从0.48−0.4米附近的裂缝有最大的PGA系数。在图所示的区域10 ()包括14米和12米的下盘,这对应于建筑区模型的原型网站主要影响区域。PGA数值模拟的数据都比那些从振动台试验获得,但差异不明显。而隧道上方的区域对PGA系数几乎没有影响,隧道结构在土壤影响地震波的传播,导致散射和反射波在隧道的结构和土壤。这上面的加速度响应减少隧道相比,隧道周围的反应在其他领域和裂缝。

(一)

(b)

如图10 (b),振动台试验和数值仿真模型的结果有很好的一致性。PGA的曲线有一个明显的波峰,放大倍数的右拱,靠近地面裂缝,是最大的两边,逐步减少。的加速度响应和下盘附近地面裂缝是不同的,有挂墙加速度响应大于下盘。

4.3。PGA和深度之间的关系

图11表明,PGA系数随深度的变化和下盘。振动台模型试验所取得数据记录的加速度传感器最接近裂缝两侧:a_11, A2-5, A3-4,和挂墙和A1-3 A4-6 A2-6, A3-5, A4-7下盘。从同一位置获得的数据在数值模型中使用。曲线在数值模拟和相似的振动台试验,在上、下盘。曲线表明,PGA与两岸的裂缝深度降低。最大的PGA系数为2.2,这发生在顶壁的表面。

(一)

(b)

4.4。土压力增量

图12描述了在合成后的土压力增量西安地震加速度峰值为0.1,0.15和0.3。图12(一个)记录显示了垂直土压力增量的微型土压力传感器位于670毫米的埋藏深度。深度大约是一样的隧道模型的底部,如图5 (d)。总共有7个土压力传感器(S1-1 S1-7),有四个传感器和三个传感器的下盘。

(一)

(b)

垂直土压力显示增量与地震强度和下盘。增量在垂直土压力是最小的底部和左侧隧道时更大的下盘,如图12(一个)。结果,由于沉降的挂墙,以及隧道本身的抗沉降在土壤上面,出现了空隙空间隧道。隧道附近的垂直土压力变化不大的挂墙上。在下盘,垂直土压力大,主要是由于地震。

图12 (b)显示了在水平土压力增量合成西安地震波在不同峰值加速度。土压力传感器S2-1 S2-7是位于隧道上方的埋藏深度。隧道上方的水平土压力增量小于压力增量其他地方由于隧道对地震波的影响。水平土压力有较大值左边的隧道和挂墙的裂缝附近。隧道附近的水平土压力增量大幅下降;隧道结构的地震能量损失可能负责这一效应。

5。结论

(1)的分析了地裂缝监测的数据从过去的几十年。位移与抽水和地震有密切的关系。垂直位移比扭转和拉伸位移更占主导地位。(2)地面裂缝网站的特点是一个挂墙的效果。加速度的放大是大于下盘地表和505毫米的埋藏深度。影响带的宽度是30.0米和15.0米的下盘。(3)加速度的放大倍数增加埋深和地震波峰值加速度。(4)PGA系数说明影响区14和12米和下盘,分别。(5)由隧道垂直土压力的影响,在地震裂缝。在挂墙这种压力更大,特别是在裂缝附近的地区。隧道上方的水平土压力低于周边地区。

数据可用性

手稿中的数据得到直接从测试和软件,这样手稿中的数据是直接和可靠的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(41502277,41502277,41877250),矿山地质灾害重点实验室基金机制和控制(2017 kf06),基础科学研究的特别基金中央大学、长安大学(300102269504),中国地质调查局(DD20160264)的基金,中国国家基础研究计划(973计划:2014 cb744700),和自然科学创新的基础教育部门广东省(2016 ktscx001)。所有的支持都是感激地承认。

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