地震动空间差动效应下软土中长大隧道的动力响应规律及其灾变机理

In recent years, earthquakes occur frequently around the world. Potential earthquake disasters have become serious threat to the safety of modern tunnels, such as river-or-sea-crossing projects. In view of this, the application will adopt the advanced dynamic centrifuge model test and high perfromance numerical simulation technology comprehensively to investigate the disaster mechanism of long-distance and large-scale tunnel structures in soft soils under strong earthquakes. Firstly, considering the features of large-scale tunnels, dynamic centrifuge model tests are conducted on tunnels with large-scale cross section and normal cross section respectively to clarify the influences of tunnel structures' failure models resulting from the effects of soft soil and the weaken of structural cross section-stiffness due to the size changing. Secondly, basing on the high performance simulation platform, the 3D fine hybrid numerical simulation method, which takes the scale effect into account, will be established and verified. Then, considering the features of long-distance tunnels, nonlinear seismic analyses are performed on the large-scale soft-soil-tunnel-structure full system, to clarify the influences of wave passage effect and local site effect on dynamic responses of such large-scale long-distance tunnels. The positive results of the project will promote Geological Engineering, Tunnel Engineering, Earthquake Engineering and Computational Science to mix together, and to improve seismic performance and disaster prevention capacity of major transport infrastructures in the future.

近年来全球地震频发，潜在的地震灾害对以跨海越江通道工程为代表的现代隧道结构安全构成了严重威胁。鉴于此，本项目拟综合采用先进动态离心模型试验和高性能数值仿真技术，开展软土中长大隧道的强震灾变机理研究。针对特大断面的隧道结构特点，开展软土大断面/常规断面隧道结构的动态离心模型对照试验，研究软土介质及断面尺寸对结构横向刚度的削弱和隧道结构地震失效模式的影响；其次，基于高性能仿真平台，建立考虑跨尺度效应的三维精细化混合建模方法，并完成其验证；在此基础上，针对超长距离的隧道结构特点，开展大规模软土-隧道结构全系统非线性地震响应分析，揭示以行波效应和局部场地效应为主要特点的地震动空间差动效应对超长特大隧道动力响应的影响规律。本项目研究成果将促进工程地质、隧道工程、地震工程和计算力学的交叉融合，为进一步提高我国重大交通基础设施的抗震防灾水平提供科学支撑。

近年来全球地震频发，潜在的地震灾害对以跨海越江通道工程为代表的现代隧道结构安全构成了严重威胁。鉴于此，本项目以软土中长大隧道结构为研究对象，综合采用先进动态离心模型试验和三维精细化数值仿真技术，揭示了地震动空间差动效应下软土中长大隧道在纵向和横向两个方向上的动力响应规律及其灾变机理。.本项目按项目计划书要求完成全部预定研究内容。已取得的主要研究成果包括：1）针对特大断面的隧道结构特点，开展软土大断面/常规断面隧道结构的动态离心模型对照试验，研究软土介质及断面尺寸对结构横向刚度的削弱和隧道结构地震失效模式的影响，总结了隧道结构横向动力响应特征，揭示了强震作用下隧道结构的灾变过程主要受到周围土层变形控制的致灾机理，明确了特大断面隧道结构的横向地震失效模式；2）基于高性能仿真平台，建立考虑跨尺度效应的三维精细化混合建模方法，并完成了验证，克服了传统弹簧-质量模型无法模拟管节接头变形、土结间相对滑移等关键问题，提出了面向沉管隧道性能设计的三维精细化建模方法；3）在此基础上，针对超长距离的隧道结构特点，建立了大规模软土—隧道结构全系统非线性地震响应分析模型，并开展了参数分析工作，重点研究了以行波效应和局部场地效应为特点的地震动空间差动效应下软土超长特大隧道纵向动力响应规律，揭示了灾变机理。并在此成果上，进一步提出了非一致地震动相对位移谱比绝对值作为非一致最不利地震动的判别准则。. 本项目从纵向和横向两个视角，对地震动差动效应下软土长大隧道结构的动力响应规律及其灾变机理进行了全面、系统地阐述。研究成果将促进工程地质、隧道工程、地震工程和计算力学的交叉融合，为进一步提高我国重大交通基础设施的抗震防灾水平提供科学支撑。研究成果已发表SCI收录学术论文7篇（均为第一作者或通讯作者）、其他论文9篇；参编著作1部；授权国家发明专利2项；获教育部自然科学二等奖1项（排名第2）。