软土地区曲线隧道震害机理试验与高效数值模拟研究

Both soft soil and curve segments are negative factors of tunnel seismic resistance. A systematic research on seismic response and damage mechanism of curved tunnel in soft soil area will be carried out in the project. Seismic response law, failure process and failure mode of curved tunnel are studied by a shaking table model test. A three-dimensional numerical model and an efficient calculation method of the overall system of soft soil layers and curved tunnel under non-uniform excitation are presented by combining theoretical analysis with numerical simulation. The factors of seismic incident characteristics, the curved structural characteristics of tunnel and soft soil physical parameters are discussed in order to explore the influence on the curved tunnel seismic response,which is validated by the results of shaking table model test. The damage mechanism of curved tunnel in soft soil area is discovered finally. The project will provide a theoretical basis for curved tunnel seismic design in soft soil area, and have an important theoretical significance to promote the development of seismic resistance research of lifeline engineering.

软土及曲线段都是隧道抗震的不利因素。本项目拟对软土地区曲线隧道的震害机理开展系统研究，通过振动台模型试验，研究软土地区曲线隧道的地震响应规律、破坏过程及破坏模式；采用理论分析与数值仿真相结合的方法，建立地震动非一致激励下软土地基-曲线隧道整体系统三维数值模型及高效计算方法，探求曲线隧道的地震响应及地震波入射特征、隧道曲线特征、软土物理参数对其地震响应的影响规律，并以振动台模型试验结果验证；最终揭示软土地区曲线隧道的震害机理。本项目的开展将为软土地区曲线隧道的抗震设计提供理论依据，对促进生命线工程抗震研究有重要的理论意义。

本项目以软土地区曲线隧道的动力响应及震害机理为总体研究目标，利用数值模拟、室内模型试验及理论计算等方法，对软土地区曲线隧道的抗震问题开展系统的研究。首先，基于黏弹性人工边界理论，推导地震波斜入射时在模型边界点的等效力计算公式，并编制了两种波型三维斜入射程序包，通过在不同模型边界点施加相应的等效力，进而实现地震动非一致激励下三维软土地基-曲线隧道整体系统的数值模型及高效算法，并通过一个算例验证了该地震波输入方法的精确性及稳定性；其次，基于上述数值模型及高效算法，采用单变量法，研究不同地震波输入特征、隧道曲线特征、软土物理参数对隧道地震响应的影响规律及灾变过程，结果表明地震波的入射方向及入射角度、曲线隧道的曲率半径、场地的土体弹性模量对曲线隧道结构的动力响应有显著的影响，且曲线隧道不同截面处的动力响应表现也不相同，在转角最大处是抗震的不利位置；最后，开展软土地区曲线隧道振动台模型试验，并将试验结果与数值分析结果进行了验证，最终揭示曲线隧道的破坏模式及破坏机理。综合上述成果，本研究揭示了曲线隧道在地震作用下的动力响应及破坏模式，为建立软土地区的曲线隧道的抗震分析方法奠定基础，为保证该种地下结构的安全建设和运营提供科学支持。本项目已发表（录用）7篇论文，另外有2篇论文正在投稿外审中。培养硕士生2名，皆已经取得硕士学位。