劉禮標(biāo)， 王永甫， 劉 方， 周 杰

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2. 后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系， 重慶 401311)

斷層走向?qū)λ淼赖卣痦憫?yīng)影響的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

劉禮標(biāo)1， 王永甫2， 劉 方1， 周 杰1

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2. 后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系， 重慶 401311)

為探討不同斷層走向下隧道在地震作用時(shí)的響應(yīng)規(guī)律及破壞機(jī)理，開展了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及數(shù)值分析，研究了隧道的加速度反應(yīng)、動(dòng)應(yīng)變及圍巖動(dòng)土壓力的變化規(guī)律和隧道的動(dòng)態(tài)破壞形態(tài)。分析結(jié)果表明：地震下隧道襯砌將受較大的拉、壓作用，尤其穿越斷層處隧道襯砌張拉裂縫分布數(shù)量多、復(fù)雜，多集中于拱腳、拱肩和仰拱；隧道各部位的加速度和動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程變化規(guī)律與輸入的地震加速度時(shí)程曲線基本保持一致，說明隧道在地震過程中保持整體運(yùn)動(dòng)性，但斷層對(duì)地震動(dòng)力反應(yīng)具有一定的放大效應(yīng)，且隨著斷層走向與隧道夾角減小而更加明顯；動(dòng)土壓力伴隨地震荷載作用呈現(xiàn)動(dòng)力時(shí)程變化規(guī)律，動(dòng)土壓力幅值整體呈“兩側(cè)大、頂?shù)仔　钡囊?guī)律，且斷層走向?qū)λ淼绖?dòng)土壓力影響較大。研究結(jié)果可為隧道的抗震設(shè)計(jì)和施工提供參考，具有重要的實(shí)際工程意義。

隧道工程； 斷層走向； 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)； 地震響應(yīng)特性； 破壞形態(tài)

近十幾年來，我國地震災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2005年到2015年間我國大陸地區(qū)共發(fā)生5級(jí)以上地震災(zāi)害123次，使人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)及國家的基礎(chǔ)設(shè)施蒙受了巨大的損失，其中隧道遭受地震的破壞較為頻繁，震害現(xiàn)象十分明顯。據(jù)1995年日本阪神地震、1999年臺(tái)灣集集地震及2008年汶川地震[1-2]等的震后調(diào)查及相關(guān)研究[3-5]均表明，雖然在地震烈度較小、圍巖條件好及埋深較大的情況下，隧道抗震性較好，且明顯優(yōu)于地面結(jié)構(gòu)，但位于斷層破碎帶段的隧道，由于圍巖地質(zhì)條件差、軟硬相互過渡的特點(diǎn)，是隧道震害較集中的部位，因此，必須對(duì)穿越斷層段隧道合理的抗震設(shè)計(jì)方法和破壞機(jī)制給予高度重視。

目前國內(nèi)外學(xué)者開展了地震作用下隧道破壞機(jī)制、抗震設(shè)計(jì)方法以及抗減震措施方面的研究，主要采取4種研究手段：地震原型觀測(cè)、模擬試驗(yàn)[6-11]、理論分析[12-14]和數(shù)值模擬[15-18]，其中，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為研究隧道結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞機(jī)制提供了最為直觀的方法。李林等[6]對(duì)淺埋偏壓隧道和無偏壓隧道分別采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法進(jìn)行對(duì)比分析，得到有、無偏壓情況下隧道的加速度響應(yīng)、地層變形及內(nèi)力分布規(guī)律；王帥帥等[7]針對(duì)洞口段均質(zhì)圍巖仰坡、含軟弱夾層仰坡和桁架梁加固仰坡3種工況，開展大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，分析了隧道洞口段仰坡模型土體破壞形態(tài)；蔣樹屏等[8]針對(duì)嘎隆拉隧道洞口段圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)以及減震層和抗震縫的效果進(jìn)行了大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究；耿萍等[9]以某高地震烈度區(qū)穿越斷層破碎帶隧道工程為依托，開展了設(shè)置減震層隧道的振動(dòng)臺(tái)物理模型試驗(yàn)；信春雷等[10～11]對(duì)隧道抗震減震措施進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)比分析了跨斷層隧道設(shè)置減震縫和套管式可變形支護(hù)結(jié)構(gòu)的減震效果；陳慶等[15]利用FLAC3D軟件對(duì)花崗巖隧道的地震響應(yīng)機(jī)理及泡沫混凝土減震層的減震效果進(jìn)行了分析。目前盡管在隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究方面取得了一些進(jìn)展，得到了一些有益的結(jié)果，但關(guān)于斷層走向?qū)λ淼赖卣痦憫?yīng)特性影響的研究文獻(xiàn)還較少，特別是動(dòng)力破壞機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究?；诖四康模疚拈_展了斷層走向與隧道相對(duì)位置的大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究其破壞機(jī)制與動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)建立了與試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎帽壤秊?:1的數(shù)值模型互相驗(yàn)證，以便研究結(jié)果能為跨斷層隧道抗震設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1模型試驗(yàn)概況及相似比

本次試驗(yàn)在中國地震局工程力學(xué)研究所的地震工程與工程振動(dòng)開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。地震模擬振動(dòng)臺(tái)系電液伺服驅(qū)動(dòng)式，可同時(shí)或單獨(dú)模擬三向地震動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為5 m×5 m，最大負(fù)荷質(zhì)量30 t，最大傾覆力矩75 t·m；最大位移：X和Y方向?yàn)椤? cm，Z方向?yàn)椤? cm；最大速度：單向振動(dòng)時(shí)為60 cm/s，三向振動(dòng)時(shí)30 cm/s；最大加速度：X和Y方向?yàn)? g，在Z方向?yàn)?.7 g；工作頻率范圍：0.5～40.0 Hz。

以雙車道隧道的尺寸為原型，高為9.8 m，跨度為11.6 m，襯砌厚度為0.6 m，隧道頂部到自由面的高度為30 m，擬定兩條斷層破碎帶厚度為2.0 m，斷層1和斷層2走向與隧道軸向(行車方向)夾角分別為30°和45°，且穿過隧道接縫處。根據(jù)隧道原型尺寸、振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸及ANSYS數(shù)值計(jì)算結(jié)果，確定試驗(yàn)幾何相似比取為1∶40，根據(jù)Bukingham原理[19]，推導(dǎo)其他物理量的相似關(guān)系見表1。

按照幾何相似比縮尺可得：隧道模型跨度為30 cm，隧道高度為24.5 cm，襯砌厚度為1.5 cm，斷層破碎帶厚度為5 cm，共設(shè)置7節(jié)襯砌，每節(jié)長50 cm，每段襯砌間用環(huán)氧樹脂植筋膠黏接成整體，模型箱尺寸為3.5 m×1.5 m×1.8 m(長×寬×高)，隧道與斷層相對(duì)位置關(guān)系圖見圖1，試驗(yàn)?zāi)Ｐ同F(xiàn)場照片見圖2。

表1 模型試驗(yàn)相似關(guān)系與相似比

圖1 斷層與隧道相對(duì)位置關(guān)系圖

1.2模型材料選取

由于巖土體特性的復(fù)雜性，動(dòng)力模型試驗(yàn)很難完全滿足相似定理，本文相似材料選擇考慮的主要力學(xué)參數(shù)有：圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和容重及襯砌混凝土的彈性模量等。圍巖的相似材料采用一定比例的標(biāo)準(zhǔn)砂、石膏粉、滑石粉、甘油、水泥，水等的混合物模擬，配合比為70%∶11.3%∶8%∶0.25%∶0.25%∶10.2%，并通過直剪儀和壓力儀核定其容重和彈性模量等力學(xué)參數(shù)；隧道的襯砌結(jié)構(gòu)采用砂漿混凝土模擬，并內(nèi)置?0.6 mm鋼絲網(wǎng)進(jìn)行模擬；考慮到斷層破碎帶的實(shí)際情況，斷層采用砂礫石模擬。其模型和原型的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

1.3傳感器布置原則

本系列試驗(yàn)主要采集數(shù)據(jù)：加速度、軸向和環(huán)向應(yīng)變、土壓力，測(cè)試傳感器布置之前參照有關(guān)山嶺隧道動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的已有研究成果[20-21]，并對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)進(jìn)行了細(xì)致的三維數(shù)值模擬，明確了跨斷層隧道結(jié)構(gòu)在地震過程中受力較為不利與變形較大的部位。試驗(yàn)時(shí)有針對(duì)性的在這些部位布設(shè)傳感器，并在襯砌內(nèi)部安置2個(gè)攝像頭，監(jiān)測(cè)襯砌內(nèi)部裂紋的開展及走向?？v斷面布置3個(gè)測(cè)量截面(A—A、B—B、C—C)，每個(gè)截面的加速度傳感器及土壓力盒見圖3、應(yīng)變片布置見圖4。其中，A—A截面為斷層走向與隧道軸向成30°、B—B截面未設(shè)置斷層和C—C截面斷層走向與隧道軸向成45°。

(a) 襯砌模型圖

(b) 斷層位置圖

(c) 模型箱整體圖

材料類型重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)圍巖原型模型22．022．01．3×10332．540010．02727斷層原型模型19．519．540010802．02626襯砌原型模型25．025．029．5×103737．5213053．2551．651．6

圖3 加速度計(jì)和土壓力盒布置圖(cm)

圖4 應(yīng)變片布置圖(cm)

1.4試驗(yàn)加載方案

為較好地消除模型箱端部對(duì)試驗(yàn)的影響，在模型箱的四周都貼上厚的軟墊層來消除這種不利影響[22]。本次試驗(yàn)選擇汶川臥龍波作為地震激勵(lì)，按照加速度幅值范圍0.2 g～1.0 g，每級(jí)0.1 g逐級(jí)加載，共考慮20種加載工況。為獲取盡量多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮了單向、雙向或三向輸入，其中：X向(水平垂直隧道軸線，即橫向)、Y向(平行隧道軸線，即縱向)、Z向(豎向垂直隧道軸線)。當(dāng)?shù)卣鸩铀俣葹殡p向或三向輸入時(shí)，輸入的地震波為監(jiān)測(cè)站記錄的實(shí)際地震波，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明地震時(shí)豎向加速度峰值與水平向峰值比值接近1/3-2/3，因此試驗(yàn)豎向加速度峰值(Z向)按水平橫向(X向)峰值的1/3加載。圖5為模型試驗(yàn)輸入1.0 g地震波時(shí)臺(tái)面加速度時(shí)程曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本系列模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及加載工況較多，限于篇幅，本文僅列出地震波加速度峰值為1.0 g的XZ向加載情況下具有代表性測(cè)點(diǎn)的記錄數(shù)據(jù)，其他詳細(xì)結(jié)果另文分析。同時(shí)建立了與試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎帽壤秊?∶1的數(shù)值模型，材料物理力學(xué)參數(shù)采用試驗(yàn)參數(shù)，邊界條件采用黏彈性邊界條件。截取振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)面加速度監(jiān)測(cè)值的3.0～21.0 s共18.0 s作為數(shù)值模擬輸入的地震荷載值。

(a) 水平方向加速度時(shí)程曲線

(b) 垂直方向加速度時(shí)程曲線

2.1地震加速度響應(yīng)分析

通過比較3個(gè)截面加速度數(shù)據(jù)來分析斷層走向與隧道軸向夾角對(duì)隧道的影響(見表3)，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)得到的部分典型加速度時(shí)程曲線如圖6所示，其他測(cè)點(diǎn)也具有類似規(guī)律。

表3 地震加速度響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(a) A-A截面右拱腳加速度時(shí)程曲線

(b) B-B截面右拱腳加速度時(shí)程曲線

(c) C-C截面右拱腳加速度時(shí)程曲線

對(duì)比分析表3的加速度放大系數(shù)和圖6的加速度時(shí)程曲線，可知隧道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線與地震動(dòng)荷載基本保持一致的運(yùn)動(dòng)時(shí)程規(guī)律；斷層處隧道加速度峰值較普通段隧道大，且斷層走向與隧道軸向成30°角更為明顯，普通段隧道測(cè)點(diǎn)的放大系數(shù)基本接近1，其中C-C截面右拱腳加速度峰值最大主要是因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鲀A斜的原因。表明了斷層的存在加劇了跨斷層處隧道的動(dòng)力響應(yīng)，但是圍巖整體的振動(dòng)特性基本不改變。

2.2襯砌應(yīng)變響應(yīng)分析

為了更好研究襯砌動(dòng)力特性，本文選取監(jiān)測(cè)斷面襯砌動(dòng)應(yīng)變幅值作為研究對(duì)象。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過程分別測(cè)試3個(gè)斷面的拱頂、拱腳及仰拱處的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變，其中部分軸向應(yīng)變片發(fā)生損壞，但已有研究均表明軸向應(yīng)變較小，因此本文僅通過分析環(huán)向應(yīng)變變化規(guī)律，以進(jìn)一步分析斷層走向?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)的影響，襯砌各部位應(yīng)變幅值如圖7所示。

圖7 襯砌環(huán)向應(yīng)變幅值

由圖7分析可知：振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算所得的環(huán)向應(yīng)變幅值變化規(guī)律一致，隧道襯砌左、右拱腳處環(huán)向動(dòng)應(yīng)變幅值最大，且跨斷層段隧道結(jié)構(gòu)明顯大于普通段隧道結(jié)構(gòu)，特別是拱腳處環(huán)向應(yīng)變幅值遠(yuǎn)大于普通段襯砌結(jié)構(gòu)，因此，跨斷層隧道襯砌需要加強(qiáng)襯砌的設(shè)計(jì)；斷層走向與隧道軸向成30°角時(shí)環(huán)向應(yīng)變幅值最大，同時(shí)結(jié)合斷層處隧道加速度峰值放大系數(shù)，表明斷層的存在加劇了隧道的動(dòng)力響應(yīng)，且隨著斷層走向與隧道軸向的夾角減小而更加明顯。

2.3動(dòng)土壓力分析

通過輸入汶川臥龍地震波動(dòng)力時(shí)程曲線，測(cè)定模型動(dòng)土壓力，部分測(cè)點(diǎn)動(dòng)土壓力時(shí)程曲線如圖8所示及各觀測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值及數(shù)值模擬計(jì)算值的最大動(dòng)土壓力峰值如圖9所示。但由于試驗(yàn)時(shí)，輸入地震幅值由小到大，為避免這種累積效應(yīng)帶來的影響，所列圖表的數(shù)值大小都為扣除上一步加載工況后的值。

分析測(cè)試結(jié)果表明：在地震荷載作用下，動(dòng)土壓力與地震荷載保持基本一致的運(yùn)動(dòng)時(shí)程，表現(xiàn)為隨地震荷載的施加，各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)土壓力由初始動(dòng)土壓力0值開始隨地震荷載的施加呈動(dòng)態(tài)變化；隧道各監(jiān)測(cè)斷面最大的動(dòng)土壓力峰值位于右拱腳或右拱肩處，數(shù)值模擬與試驗(yàn)動(dòng)土壓力規(guī)律大致相似，總體來看，動(dòng)土壓力呈“兩側(cè)大、頂?shù)仔　钡囊?guī)律。

(a) A-A截面右拱腳土壓力時(shí)程曲線

(b) B-B截面右拱腳土壓力時(shí)程曲線

(c) C-C截面右拱腳土壓力時(shí)程曲線

圖9 各測(cè)點(diǎn)動(dòng)土壓力幅值

2.4襯砌結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象分析

本次試驗(yàn)主要采取了如下措施來分析隧道模型的破壞狀況。首先，在管節(jié)內(nèi)部布置了攝像頭，主要記錄了20種地震波組合作用下隧道模型某些區(qū)域的破壞全過程；最后，試驗(yàn)結(jié)束后用肉眼觀測(cè)隧道模型各管節(jié)的破壞情況。攝像頭1記錄的是第3節(jié)段隧道頂部區(qū)域的情況，可以看到在整個(gè)加載過程中第3節(jié)段隧道頂部區(qū)域內(nèi)模型基本未出現(xiàn)任何裂縫。攝像頭2記錄了第4、5節(jié)段隧道底部區(qū)域的破壞情況，如圖10所示。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯导铀俣仍?.4 g以前，隧道底部未出現(xiàn)裂縫，見圖10(a)；當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯导铀俣冗_(dá)到0.5 g時(shí)，第4、5節(jié)段隧道底部襯砌開始出現(xiàn)裂縫，見圖10(b)；隨地震波峰值加速度繼續(xù)增大，裂縫越來越大；0.8 g以后，最大裂縫寬度達(dá)到2 mm，但并未坍塌破壞，見圖10(c)。

(a) 底部裂縫未出現(xiàn)

(b) 底部裂縫開始出現(xiàn)

(c) 底部裂縫擴(kuò)大

試驗(yàn)結(jié)束后，通過觀測(cè)看到各段隧道發(fā)生了不同程度的裂縫，但均無掉塊和坍塌現(xiàn)象，各段隧道裂縫形態(tài)統(tǒng)計(jì)見表4，部分隧道襯砌裂縫形態(tài)見圖11。由圖11和表4可知，跨斷層處襯砌裂縫更寬、更長，且裂縫主要存在拱肩、拱腳和仰拱等不同部位，可見斷層的存在加劇了隧道的動(dòng)力響應(yīng)，因此，實(shí)際工程中跨斷層處應(yīng)重點(diǎn)設(shè)防，尤其是拱肩、拱腳和仰拱等應(yīng)力集中部位。

表4 各隧道管節(jié)裂縫形態(tài)統(tǒng)計(jì)表

(a) 3#段襯砌

(b) 4#段襯砌

(c) 5#段襯砌

(d) 6#段襯砌

3 結(jié) 論

采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析了穿越斷層隧道的動(dòng)力響應(yīng)和破壞機(jī)理，并采用數(shù)值方法模擬了隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的過程，兩者結(jié)果規(guī)律大致相近，得出以下主要研究結(jié)論：

(1) 可以發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫的破壞位置主要在拱腳、拱肩及仰拱部位，破壞程度隨著斷層走向與隧道軸向夾角減小而趨于嚴(yán)重。因此，斷層處隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)重點(diǎn)設(shè)防，尤其是隧道結(jié)構(gòu)的拱腳、拱肩和仰拱等重點(diǎn)部位。

(2) 隧道加速度和動(dòng)應(yīng)變時(shí)程在幅值上有所變化，跨斷層隧道襯砌加速度峰值和動(dòng)應(yīng)變幅值明顯增大，且斷層與隧道夾角越小增大效應(yīng)越明顯，但是隧道的加速度和動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程變化規(guī)律與輸入的地震加速度時(shí)程曲線基本保持一致，表明隧道在地震荷載作用時(shí)，保持整體運(yùn)動(dòng)性。

(3) 穿越斷層隧道的動(dòng)土壓力伴隨地震荷載作用呈現(xiàn)動(dòng)力變化，且與地震荷載保持一致的運(yùn)動(dòng)時(shí)程規(guī)律，斷層的存在明顯增加了隧道動(dòng)土壓力幅值，整體上動(dòng)土壓力呈“兩側(cè)大、頂?shù)仔　钡囊?guī)律。

(4) 本文數(shù)值模擬僅限于試驗(yàn)的局部范圍，其計(jì)算精度受到一定影響。數(shù)值模擬結(jié)論總體上與試驗(yàn)情況一致，但數(shù)值上還有一些出入，基本上體現(xiàn)地震作用下隧道的響應(yīng)規(guī)律及破壞機(jī)理。因此，在進(jìn)行復(fù)雜隧道的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，開展數(shù)值模擬對(duì)提高認(rèn)知水平很有必要。

[1] 高波, 王崢崢, 袁松, 等. 汶川地震公路隧道震害啟示[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 44(3): 336-341.

GAO Bo, WANG Zhengzheng, YUAN Song, et al. Lessons learnt from damage of highway tunnels in wenchuan earthquake[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(3): 336-341.

[2] 何川, 李林, 張景, 等. 隧道穿越斷層破碎帶震害機(jī)理研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2014, 36(3): 427-434.

HE Chuan, LI Lin, ZHANG Jing, et al. Seismic damage mechanism of tunnels through fault zones[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(3): 427-434.

[3] 川島一彥. 地下構(gòu)筑物の耐震設(shè)計(jì)[M]. 東京: 鹿島出版會(huì), 1994: 43-60.

[4] Japan Society of Civil Engineers. The 1995 Hyogoken-Nanbu earthquake[J]. Japan Society of Civil Engineers, 1996, 81(3): 38-45.

[5] HE C, KOIZUMI A. Study on seismic behavior and seismic design methods in transverse direction of shield tunnels[J]. Structural Engineering and Mechanics, 2001, 11(6): 651-662.

[6] 李林, 何川, 耿萍, 等. 淺埋偏壓洞口段隧道地震響應(yīng)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 30(12): 2540-2548.

LI Lin, HE Chuan, GENG Ping, et al. Study of shaking table model test for seismic response of portal section of shallow unsymmetrical loading tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(12): 2540-2548.

[7] 王帥帥，高波，隋傳毅，等．不同地質(zhì)條件下隧道洞口仰坡地震破壞特性研究[J]．巖土力學(xué)，2014，35(增刊1)：278-284．

WANG Shuaishuai, GAO Bo, SUI Chuanyi, et al. Shaking table test for seismic behavior of upward slope at tunnel entrance in different geological conditions [J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(Sup1): 278-284.

[8] 蔣樹屏, 文棟良, 鄭升寶. 嘎隆拉隧道洞口段地震響應(yīng)大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 30(4): 649-656.

JIANG Shuping, WEN Dongliang, ZHENG Shengbao. Large-scale shaking table test for seismic response in portal section of galongla tunnel [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(4): 649-656.

[9] 耿萍, 唐金良, 權(quán)乾龍, 等. 穿越斷層破碎帶隧道設(shè)置減震層的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 44(6): 2520-2526.

GENG Ping, TANG Jinliang, QUAN Qianlong，et al．Shaking table test for tunnel with shock absorption layer though fault zone [J]．Journal of Central South University (Science and Technology)，2013, 44(6): 2520-2526.

[10] 信春雷, 高波, 王英學(xué), 等. 跨斷層隧道可變形抗減震措施振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2015, 36(4): 1041-1049.

XIN Chunlei，GAO Bo，WANG Yingxue，et al．Shaking table tests on deformable aseismic and damping measures for fault-crossing tunnel structures [J]．Rock and Soil Mechanics，2015, 36(4): 1041-1049.

[11] 信春雷, 高波, 周佳媚, 等. 跨斷層隧道抗減震措施性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013, 35(10): 1807-1815.

XIN Chunlei, GAO Bo, ZHOU Jiamei, et al. Shaking table tests on performances of anti-seismic and damping measures for fault-crossing tunnel structures[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(10): 1807-1815.

[12] 陳慶，鄭穎人，陳劍杰. 花崗巖隧道地震響應(yīng)機(jī)理及減震技術(shù)探析[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2013, 32(10): 149-156.

CHEN Qing, ZHENG Yingren, CHEN Jianjie. Analysis of seismic responses of granite tunnel under earthquake effect and related aseismic measures [J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(10): 149-156.

[13] KOURETZIS G P, ANDRIANOPOULOS K I, SLOAN S W, et al. Analysis of circular tunnels due to seismic P-wave propagation with emphasis on unreinforced concrete liners [J]. Computers and Geotechnics. 2014, 55: 187-194.

[14] LEE V W, LIU W Y. Two-dimensional scattering and diffraction of P- and SV-waves around a semi-circular canyon in an elastic half-space: an analytic solution via a stress-free wave function [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2014, 63: 110-119.

[15] FANG Xueqian, JIN Hexin, WANG Baolin. Dynamic interaction of two circular lined tunnels with imperfect interfaces under cylindrical P-waves [J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2015, 79: 172-182.

[16] SEDARAT H, KOZAK A, HASHASH Y M A, et al. Contact interface in seismic analysis of circular tunnels [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2009, 24: 482-490.

[17] PITILAKIS K, SINIDIS G, LEANZA A, et al. Seismic behaviour of circular tunnels accounting for above ground structures interaction effects [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2014, 67: 1-15.

[18] GOMES R C, GOUVEIA F, TORCATO D, et al. Seismic response of shallow circular tunnels in two-layered ground [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2015, 75: 37-43.

[19] 張敏政. 地震模擬實(shí)驗(yàn)中相似律應(yīng)用的若干問題[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 1997, 17(2): 52-58.

ZHANG Minzheng. Study on similitude laws for shaking table tests[J]. Journal of Earthquake Engineering Vibration, 1997, 17(2): 52-58.

[20] 申玉生, 高波, 王崢崢. 強(qiáng)震區(qū)山嶺隧道振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)破壞形態(tài)分析[J]. 工程力學(xué), 2009, 26(1): 62-66.

SHEN Yusheng, GAO Bo, WANG Zhengzheng. Failure mode analysis of mountain tunnel shake table Test in high-intensity earthquake area[J]. Engineering Mechanics, 2009, 26(1): 62-66.

[21] 李育樞, 李天斌, 王棟, 等. 黃草坪 2#隧道洞口段減震措施的大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(6): 1128-1135.

LI Yushu, LI Tianbin, WANG Dong, et al. Large-scale shaking table test for vibration-absorption measures of portal section of Huangcaoping tunnel No.2[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(6): 1128-1135.

[22] 王崢崢. 跨斷層隧道結(jié)構(gòu)非線性地震損傷反應(yīng)分析[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2009.

Shakingtablemodeltestsontheinfluenceoffaultstrikeontheseismicresponsesoftunnels

LIULibiao1,WANGYongfu2,LIUFang1,ZHOUJie1

(1. College of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Department of Military and Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

To reveal the seismic response and damage mechanism of a tunnel under different fault strikes, shaking table model tests and numerical analyses were introduced. The research focused on the acceleration, strain, earth pressure and fracture patterns of the tunnel. The test results show that the tunnel lining is subjected to large tensile and compressive stresses, most complex and wider cracks of the lining occur concentratedly on the spandrel, arch foot and invert arch when the tunnel crosses the fault zone. The variation of accelerations and dynamic strains along the tunnel is similar at every point, showing that the tunnel moves as a unity, but the fault strike has significant amplification effect on the seismic responses when the tunnel crosses the fault zone, and the effect becomes more obvious as the angle between the fault strike and tunnel decreases. The dynamic curves of earth pressure show its value and direction changing with the seismic loads. The amplitude distribution of the dynamic earth pressure is big on the both sides and small on the top floor. The results provide references to the earthquake resistant design and the construction of practical projects.

tunneling engineering; fault strike; shaking table model test; seismic response characteristics; destructive pattern

U452

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.21.029

重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究專項(xiàng)資助(cstc2015jcyjA30017)；江西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2014Y0009)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500534)

2016-07-06 修改稿收到日期：2016-09-16

劉禮標(biāo) 男，講師，1985年生