成都理工大学
硕士学位论文
黄草坪2<'#>隧道地震动力响应的物理模拟试验初步研究
姓名：刘吉
申请学位级别：硕士
专业：地质工程
指导教师：李天斌
20070601
成都理ｔ大学硕十学何论文
县一座铁路隧道中进行多次地震观测（包括１９７８年宫城县地震，Ｍ－－－－５．８），取得了围岩加速度和衬砌应变的记录。现场测试还可以采取人工激振或爆破的方式来测取隧道及地下结构的动力响应数据，由于现场测试代价昂贵，因此只有非常重要的结构才可能进行这类试验。Ｐｈｉｌｌｉｐ曾在美国内华达州核试验场附近的一座试验隧道中进行过地下核爆炸的震动反应试验。隧道离核爆炸中心距离仅０．５ｋｍ，核爆产生了相当于里氏震级Ｍ＝５．０的地震。试验中采用了加速度计量测加速度，用水准仪、收敛仪等量测收敛和永久变形，同时还采用了静态摄影和高速摄影等手段取得了第一手宝贵资料。试验结果表明隧道产生了永久变形，自由场围岩与隧道的反应基本上相同。
２．理论分析
目前地下结构的减震理论分析方法除了传统的简化方法——拟静力分析类方法（如地震系数法、反应位移法等）外，还有动力分析法。
拟静力方法是一种用静力方法近似解决动力学问题的简易方法，其基本思想是将地震作用力简化为一个惯性力系作用在研究对象上。这类方法能在有限程度上反映荷载的动力特性，但不能反应各种材料自身的动力特性以及岩土体与地下结构系统的动力响应，更不能反映两者之间的动力耦合关系。但这类方法存在物理概念清晰、计算简便、参数易于确定并在计算中积累了丰富的经验等优点，是当前国内地下结构减震设计采用的主流方法。
动力分析法包括两大类：一类为波动法，它以求解波动方程为基础，将地下结构视为无限线弹性（或弹塑性）介质中孔洞的加固区，将整个地下结构与周围岩土介质作为一个整体进行波动场和应力场的分析；另一类为相互作用法，以地下结构视为主体，周围岩土介质的影响通过相互作用力的形式表现出来，通过求解结构运动方程来研究地下结构的地震反应。这两种方法各有特点，并各自适用于一定的条件。
总的来说，在强震环境下的动力相互作用分析离真实地模拟工程实际，尚有一定的差距，主要还有以下几个问题有待解决：岩土体非线性影响问题、接触面动力特性及其本构描述问题、多相介质与结构物相互作用问题、岩土体材料的阻尼问题、理论验证手段及技术的开发等问题。
３．模型试验
现场测试花费很大，而且不可能依靠其结果来定量的研究不同因素对围岩——衬砌结构动力相互作用的影响。模型试验可以较精确地控制边界条件和材料特性，在研究动力相互作用中具有较强的针对性和目的性，可以为动力相互作用的机理分析提供依据和线索，并为所建立的理论进行验证。因此，在隧道及地下结构的地震动力分析中，振动台模型试验则被广泛采用。
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第１章前言
１．２．２隧道及地下结构振动台模型试验研究现状
在地下结构的地震动力分析中，振动台模拟试验被广泛采用。
Ｙ．Ｇｏｔｏ和Ｊ．ｏｔａ（１９７３）对沉埋隧道在地震时的反应做了振动台模拟试验，隧道结构模型的形式为８ｃｍｘｇｃｍ方形橡胶管。模型箱采用刚性材料制作，平面尺寸为１．５ｔａｘｉ．Ｏｍ。采用明胶模拟砂土，试验中没有考虑尺寸效应和边界效应等问题。
Ｓ．Ｏｋａｍｏｔｏ（１９７３）等人亦对沉埋隧道的地震反应进行了振动台试验研究。隧道结构模型采用硅橡胶制作，模型比例为ｌ：２５０。场地土采用明胶模拟，模型箱平面尺寸为２．２ｒｅｘｌ．Ｏｍ。采用硅橡胶和明胶制作模型的主要原因是，因为这二类材料的弹性模量非常小，易于量测试验时摸型的位移和应变值，且这些材料易于加工。
雅可夫列维奇（１９７８）曾用隧道地震模型试验来研究地震时隧道周围土体密度和湿度变化对隧道受力状态的影响。后藤（１９８８）等曾用振动台模型试验研究两个平行的盾构隧道之间的距离对地震反应的影响。
Ｓ．Ｙａｓｕｄａ和Ｈ．Ｎａｇａｓｅ（１９９５）对沉埋管道亦做了振动台试验研究。采用橡胶做围护材料，模型土层厚５０ｃｍ，ｎｂ平均粒径为０．１７５ｍｍ的Ｔｏｙｏｕｒａ砂组成。管道纵轴线沿模型箱短边放置，轴线至砂土表面的距离为３０ｅｍ。振动台沿垂直管道模型纵轴线的方向振动。
日本东京大学土木工程学院的Ｔｏｗｈａｔａ等人【捌（１９９９）通过振动台试验，将液化沙土与地下管道的相互作用关系作了研究。试验用管道模型采用巾３０ｍｍ，长３００ｍｍ的钢管，模型箱规格７００ｍｍｘ４００ｍｍｘ４００ｍｍ。通过试验发现，大幅度的振动将减小管道周围干砂的阻力，随着振动强度的提高，阻力减小的范围将扩大；而在饱和砂土中，管道周围的阻力则随管道运动速度的变化在变化。
在国内，铁道部科学研究院邵根大、骆文海等【４Ｓｌ（１９９２）通过对不同衬砌形式和锚固方式单线、双线铁路隧道在地震波作用下的动力响应作了多组模型试验，对隧道周围土体与隧道结构的相互作用关系，衬砌的抗震性能以及地震时锚杆的作用和效果进行了详细地分析。
徐志英和施善云ｍＪ（１９９３）在大型振动台上进行了土一地下结构动力相互作用的试验。地下结构模型为用加重乳胶制成的方形管道，其断面尺寸为２４ｃｍｘ２４ｃｍ、长１２０ｃｍ、壁厚２．５ｅｍ。模型结构埋置在刚性模型箱内的砂土中，模型箱的长、高、宽分别为３６０ｃｍ、１００ｅｍ和１２０ｃｍ。在模型箱内壁与管道模型的接触面涂有润滑剂，以减小结构与容器壁面间的摩擦阻力。结构模型上覆砂层厚３５ｃｍ，下部砂层厚２６ｅｒａ，其纵轴线位于容器长边的中心线上。用简谐波沿垂直于结构纵轴线的水平方向激振。假设埋入的结构模型无端部影响，将模型简化为平面应变问题进行分析。试验结果表明，随激振频率的改变，管道结构的加速度、动土压力和应变都将发生改变，且在某一频率达到最大值。
西南交通大学周德培等１３２］（１９９８）对南昆线的乐善村和草庵隧道的洞口段进行了振动台模型试验，他们取几何相似比为ｌ：５０，容重相似比取ｌ。根据相似理论，计算出
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成都理ｊ丁＝大学硕＋学位论文
其它相似比后，配制出围岩和衬砌的相似材料，给振动台输入ＥＩＣｅｎｔｒｏ（ＮＳ，１９４０年５月１８日，Ｍ＝７．１）的地震加速度，记录了加速度反应和破坏特征，讨论了隧道洞口段的动力特性和抗震性能。从中认为在Ⅸ度地震烈度下，隧道洞口段出现了较严重的破坏，乐善村主要破坏部位为明洞段的拱腰，草庵隧道为明洞段和加强段的靠山侧拱腰和起拱线处：洞口边墙的加速度反应大，向洞内延伸时逐渐减小，最终应和洞身段加速度反应一致；由边增加速度反应随距离变化曲线可以确定洞口段的地震设防长度；隧口的仰坡在强震时会坍塌，坍塌程度与原始坡度、岩体状况等因素有关。
楼梦麟等【２７１（２００１）在４ｘ３ｍ的振动台上进行了土一桩一结构相互作用体系的模型试验。试验装置上部为高１．５ｍ、截面Ｏ．３ｘ０．３ｍ的钢结构、桩采用砂浆混凝土。通过试验结果分析认为，土一桩一结构相互作用改变了结构的动力特性，使结构体系的自振周期延长，阻尼比显著增加，基岩上的土层对地震波有过滤和放大效应。
杨林德、季倩倩等【ｌ卅（２００２）曾利用振动台模型试验模拟上海软土地铁车站结构的减震性能。在试验中解决了动力作用下的相似材料模拟，地铁车站纵向长度的模拟，场地土的动力特性与地震响应的模拟，模型箱的构造与边界效应的模拟，以及量测元件设置位置的优选等技术难题，完成了自由场振动台模型试验、典型地铁车站结构振动台模型试验和地铁车站接头结构振动台模型试验，试验获得了模型的加速度时程、结构构件的应变和结构表面的动土压力值等。结果分析表明上海市现有的地铁车站结构及其区间隧道的接头结构具有足够的抗震稳定性，结构在设防烈度下将可安全可靠地投入使用。与此同时，结构模型中柱部位的应变相对较大，应适当加强地铁车站结构中柱的刚度。
陈跃庆【２ｌ】（２００６）等进行了结构一地基相互作用（ＳＳＩ）体系的振动台模型试验。该试验分三个阶段，试采用的地基土从均匀土到分层土、从软弱土到较硬土，完成了不同土性条件的一系列系列试验，探讨了不同土性条件下的结构一地基动力相互作用效果及规律。认为，结构体系的频率小于刚性地基上不考虑ＳＳＩ的结构自振频率，而阻尼比则大于结构材料阻尼比；而且，随试验振次的增加和输入激励峰值增大，土体与体系模型的频率都下降，阻尼比增大。
综上所述，对地震动力响应的振动台模型试验已有了不同深度的研究。但是仍然存在如下几个问题：
（１）对桩、地上建筑结构与地基的动力相互作用研究较为深入，而对隧道等地下结构的动力相应的研究较少；
（２）对土与隧道结构的动力相互作用研究的较多，而对岩体与隧道结构的动力相互作用研究的较少：
（３）对铁路隧道的研究较多，而对山区公路隧道的抗震物理模拟研究较少；
（４）地震波是在半无限空间内传播的，而振动台模型试验是在有限的空间内进行的，模型箱的边界必然对波的传播产生影响，以前的研究大多未对边界效应作仔细考虑；
（５）地震波在三维空间内传播，但现有的振动台试验都限定在水平向的振动，不６