长大隧道跨断层段地震响应规律及破坏机理研究

During the strong earthquake events, the faults play an important role in inducing tremendous potential threat to the stability capability of long lined tunnels that through active fault. Therefore, the research on the failure mechanism and design theory of fault-crossing tunnels has an important theoretical and engineering significance. By combining the wave finite element method and the viscous-spring artificial boundary condition, the input of earthquake waves can be realized by converting the wave motions into equivalent nodal forces. In this research, the obliquely incident method of earthquake waves for the 3-D fault ground is deduced firstly, with considering the disturbance of incident wave field induced by the fault. Then, base on the concept of effective stress and the strain equivalence hypothesis, a three-dimension elastic-plastic damage constitutive model of rock mass is conducted. The model employs the nonlinear unified strength model (β model) as the yield function and takes the the geological strength index (GSI) into account. Finially, the finite element model of the long lined tunnel in fault zone is built, with the background of Xiang-Lu montain tunnel. Subsequently, the seismic response of the fault-crossing tunnel is conducted, with different fault parameters, techonic stress and incident angles of seismic waves. The failure mechanisms and deformation behavior of the tunnel are anzyzied, for the desigin and safety evaluation of the tunnel that through fault.

隧道跨断层段作为隧道整体抗震的薄弱环节，在地震作用下常发生严重破坏。开展长大隧道跨断层段的地震灾变机理与抗震设计理论研究具有重大理论和工程意义。首先，基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界理论，采用将输入地震动转化为人工边界面上等效节点力的思想，同时考虑断层截断区域对人工边界面上入射波场的扰动影响，建立一种针对有限断层场地的地震动三维倾斜输入方法。其次，基于应变等效假设和有效应力概念的塑性损伤理论，结合非线性统一强度模型(β模型)，并考虑岩体地质强度参数，建立适用于工程岩体介质的三维弹塑性损伤模型。最终，基于建立的地震动输入方法与岩体本构模型，以滇中引水工程-香炉山隧道为背景，建立长大隧道跨断层段的有限元分析模型，模拟不同断层情况、构造应力条件和地震动输入角度等因素下隧道的地震响应规律，揭示隧道跨断层段在强震作用下的变形特性及破坏机理，为隧道跨断层段的安全评估及抗震设防提供理论指导。

当前随我国经济的持续快速发展和一带一路战略的实施，公路和铁路路网逐渐西部纵深拓展，很多长大隧道的建设不可避免的出现穿越地质断层的情况，时刻面临着强地震作用的风险。隧道跨断层段作为隧道整体抗震的薄弱环节，在地震作用下常发生严重破坏。开展长大隧道跨断层段的地震灾变机理与抗震设计理论研究具有重大的理论和工程意义。本项目基于近场波动有限元方法并结合黏弹性人工边界理论，采用将输入地震动转化为人工边界面上等效节点力的思想，同时考虑断层截断区域对人工边界面上入射波场的扰动影响，建立了一种针对有限断层场地的地震动三维倾斜输入方法，为跨断层隧道地震响应的模拟分析提供了地震动输入手段；结合非线性统一强度理论与H-B强度准则，建立了一种可考虑地质强度指标的岩石/岩体三维非线性强度准则，并进而基于弹塑性损伤理论并结合建立的非线性强度准则，考虑围压对塑性硬化速率和损伤演化速率的影响，最终建立了岩石/岩体介质的三维弹塑性损伤本构模型，为模拟围岩介质的塑性损伤特性提供了本构模型；基于建立的地震动输入方法与围岩弹塑性损伤本构模型，以滇中引水工程-香炉山隧道为背景，开展了跨断层隧道地震破坏响应的模拟分析，探究了断层深度、断层跨度、断层刚度及地震动入射角度对隧道地震响应的影响规律，揭示了隧道跨正断层时的地震破坏机理，研究结果表明：在地震动作用下，由于断层附近的应力集中，断层首先遭受严重的塑性破坏，使断层介质弱化失稳从而失去承载能力，上盘出现明显的向下错动，断层上盘沿破裂面出现“塌落”现象。最后，在断层错动和地震震动共同作用下，隧道结构遭受严重破坏。最后，开展了跨断层隧道抗减震措施研究，提出了一种双层钢板内充柔性泡沫混凝土的抗震措施，并对其抗震效果进行了模拟分析，为隧道跨断层段的安全分析及抗震设防提供理论指导。依托项目共发表相关论文9篇，其中Sci论文3篇、EI论文5篇；获软件著作权3项；协助培养硕士生2名，博士生1名。