断层位错与近断层地震动共同作用下地下结构的破坏机理研究

The route trend of rail transit is mainly determined by the demand of traffic function. When the rail transit facilities are built in cities with active faults, it is difficult to avoid and there will inevitably be the case that subway underground structure spans active faults, such as Urumqi Metro Line 1 and 2, Beijing Metro Line 17, etc. The cross-fault underground structure may be damaged by the joint action of the near-fault ground motion with large velocity impulse and fault dislocation, which brings very prominent safety issues. In this project, the cross-fault underground structure damage will be studied under the joint action of fault dislocation and near-fault ground earthquake. During the research, the FLAC-PFC coupling method and the extended finite element module XFEM in ABAQUS will be used with nonlinear large deformation function, and the similar model test will be done, among which the slider crank mechanism simulated fault dislocation and the shaking table test simulating near-fault ground motions. By these studies, the deformation and damage development process of underground structure will be demonstrated, and the failure mechanism and the failure mode of the underground structure will be revealed, and the key factors affecting underground structure damages will be analyzed, and the underground structure risk mitigation methods and principles will be explored. The research results may provide guidelines for the construction of cross-fracture underground structures.

在有活动断裂的城市修建轨道交通设施时，地铁地下工程因很难避让而不可避免跨越活动断裂带，如乌鲁木齐地铁1、2号线，北京地铁17号线等。跨活动断裂的地下结构可能因受到大速度脉冲的近断层地震动以及断层位错的共同作用而发生严重破坏,所以结构安全问题十分突出。本项目以跨活动断裂的地下结构为研究对象，采用FLAC-PFC耦合方法与有限元软件ABAQUS中的XFEM（扩展有限元）分析模块进行非线性大变形数值模拟，使用曲柄滑块机构和振动台分别模拟断层位错与近断层地震动进行相似模型试验，开展断层位错与近断层地震动共同作用下地下结构破坏研究，展现地下结构变形演化与破坏发展过程，揭示地下结构破坏机理与破坏模式，分析地下结构破坏的关键影响因素及其影响规律，探讨地下结构抗断减灾工程方法及作用原理，为跨活动断裂地下结构的建造提供理论依据。

随着我国城市地铁隧道和综合管廊系统的大规模发展，地下结构工程不可避免的穿越活断层，将受断层错动和地震的作用而出现严重破坏。本文通过理论分析、模型试验和数值模拟研究断层位错与近断层地震动作用下地下结构的力学行为，并揭示其破坏机理和破坏模式；其次，系统分析关键因素对地下结构破坏的影响规律和影响机理；最后，提出了基于耗能让压原理的变截面设计方法和适用于断层错动的两阶段设计方法。主要完成的工作及成果如下：.（1）开展了断层错动作用下地下结构的模型试验研究。分析发现逆断层错动作用下，整体式圆形断面地铁隧道主要发生剪切和受压破坏，而铰接式综合管廊以受压破坏为主。整体式隧道的主要和次要影响区域长度分别为8.8m和35.2m，而铰接式隧道的影响区域长度为19.2m。基于损伤因子建立4级受损程度等级，发现铰接式综合管廊结构仅在局部区域出现破坏。.（2）推导了基于Pasternak地基模型的断层错动下管线结构纵向响应的解析解，并深入分析地基剪切刚度、地基反力系数和断层倾角对地下管线结构纵向响应的影响。建立正断层粘滑错动对隧道结构影响的三维土层-结构模型，与模型试验中的土层位移与结构应变对比分析，验证了数值模型的合理性。结果表明结构响应随断层位移的增加而增加，但增长变化率逐渐降低，而土与隧道之间的塑性区逐渐扩大；结构响应随土-隧道摩擦系数和隧道埋深的增加而增大。.（3）提出了基于耗能让压原理的变截面设计方法，通过减少结构厚度的方式降低刚度以发挥了柔性接头的作用。然后，提出了适用于断层错动的两阶段设计方法，明确了两阶段设计内容和分析流程，分析步骤为：整体式隧道变形及损伤破坏分析-抗断设计方法-第一阶段变形及塑性损伤分析-第二阶段变形及塑性损伤分析。两阶段设计目标为在百年内超越概率为10%的设防错动量分析时，应保证结构处于弹性状态或部分处于弹塑性状态；在进行百年内超越概率为3%-2%的罕遇错动量分析时，应保证结构的破坏控制在局部区域内，防止结构整体倒塌。