强震作用下地裂缝的力学响应及其对地铁隧道的致灾机理研究

地裂缝是汾渭盆地带的一种典型的地质灾害，通过振动台物理模型试验和三维数值模拟技术，研究西安地裂缝在强震作用下的扩展特征、振动特征和应力场特征，总结强震作用下地裂缝的力学响应规律；以强震作用下地裂缝场地动力响应的三维数值计算模型为基础，建立跨地裂缝段地铁隧道衬砌结构动力响应的三维数值计算模型，将现代数值模拟计算与非线性理论相结合，分析强震作用下跨地裂缝段衬砌结构的变形破坏模式和范围，研究强震作用下地裂缝力学响应对隧道衬砌的致灾机理。本项目研究成果将有利于理解和认识汾渭盆地带地裂缝灾害的致灾机理，能为汾渭盆地带类似跨地裂缝段线性工程结构的抗震设计提供理论支持和参考，因而具有较重要的学术创新、科学意义和良好的应用前景。

以西安地裂缝和地铁工程为背景，开展了强震作用下地裂缝力学响应的振动台物理模型试验、数值模拟试验，以及强震作用下地裂缝对隧道衬砌结构的致灾机理研究。完成的主要内容和取得的主要成果如下：.1、通过相似理论设计了振动台模型试验和剪切型模型土箱，采用重晶石粉、橡胶粉和黄土重塑了满足动力相似要求的模型土，实验结果表明，混合土最大阻尼比随橡胶粉增加而增大；混合土粘聚力C随着重晶石粉增加而降低、随着橡胶粉增加而减小，内摩擦角Φ随着重晶石粉增加而增大、随橡胶粉增加近乎呈线性增加。2、振动台模型试验结果标明：（1）主、次地裂缝两侧的响应加速度放大系数均随激励增大而减小，在激励加速度峰值300gal时出现拐点；主地裂缝底部处的放大系数大于次裂缝同深度处的放大系数；主、次裂缝顶部和中部的加速度响应差异不明显。（2）底部加速度响应远离主、次裂缝均明显增强；激励加速度峰值≤200gal时，中部加速度响应远离主、次裂缝均明显衰减，而顶部加速度响应远离主裂缝反而增强；主、次地裂缝加速度响应距离裂缝的衰减规律差异不明显。（3）主、次地裂缝顶部的下盘加速度响应均大于上盘，但底部的上盘加速度响应均大于下盘，这种上下盘效应随激励的变化趋势不明显，与主、次地裂缝的相关性也不明显。3、地裂缝场地地震响应及其对隧道衬砌结构影响的数值模拟试验结果表明：（1）隧道衬砌结构处于地裂缝上盘时，衬砌结构的加速度响应时程曲线出现强脉冲现象，对于衬砌结构的响应加速度峰值、来说，均呈现：地裂缝上盘隧道＞非地裂缝场地隧道＞地裂缝下盘隧道。（2）隧道衬砌结构拱顶和拱底的内外侧均可呈现受拉和受压两种状态，且拉应力和压应力峰值不相等；水平拱腰的内、外侧均可呈现受拉和受压两种状态，且拉应力和压应力峰值不相等；对衬砌结构响应正应力 峰值、 峰值来说，均有：地裂缝下盘隧道＞非地裂缝场地隧道＞地裂缝上盘隧道。（3）隧道衬砌结构四个斜向位置拱腰处的剪应力 拉压峰值不相等，且下拱腰的响应剪应力 峰值大于上拱腰处，均呈现：非地裂缝场地隧道＞地裂缝下盘隧道＞地裂缝上盘隧道。本研究成果首次揭示了西安典型“y”形地裂缝场地主、次地裂缝两侧的地震响应特征及其与地裂缝埋深、地裂缝上下盘位置的响应规律，初步揭示了强震作用下近距离平行于地裂缝走向的马蹄形隧道衬砌结构的响应特征；具有较好的科学价值和应用价值。