• ISSN 0258-2724
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盾构隧道联络横通道的振动台试验与数值模拟

耿萍 杨琪 何悦 何川 郭翔宇

耿萍, 杨琪, 何悦, 何川, 郭翔宇. 盾构隧道联络横通道的振动台试验与数值模拟[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(6): 1215-1223. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180982
引用本文: 耿萍, 杨琪, 何悦, 何川, 郭翔宇. 盾构隧道联络横通道的振动台试验与数值模拟[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(6): 1215-1223. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180982
GENG Ping, YANG Qi, HE Yue, HE Chuan, GUO Xiangyu. Shaking Table Test and Numerical Simulation of Shield Tunnel Connecting Cross Passage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1215-1223. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180982
Citation: GENG Ping, YANG Qi, HE Yue, HE Chuan, GUO Xiangyu. Shaking Table Test and Numerical Simulation of Shield Tunnel Connecting Cross Passage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1215-1223. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180982

盾构隧道联络横通道的振动台试验与数值模拟

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180982
基金项目: 国家自然科学基金(51878566,51578457);国家重点研究发展计划(2016YFC0802201);四川省科技重点研发项目(2018GZ0360)
详细信息
    作者简介:

    耿萍(1964—),女,教授,研究方向为隧道与地下工程抗减震,E-mail:13551258484@139.com

  • 中图分类号: U45

Shaking Table Test and Numerical Simulation of Shield Tunnel Connecting Cross Passage

  • 摘要: 联络横通道与隧道主体形成的空间交叉结构是隧道抗震的薄弱环节. 为探讨联络横通道采用刚、柔两种连接形式时对盾构隧道地震响应的影响,以相似理论为基础,通过室内土工试验确定了振动台试验中地层和结构相似模型的材料参数及配比,分别建立了振动台试验结构模型和数值分析模型;将第1组试验得到的地层卓越频率15.0 Hz作为其余试验工况和数值计算中地震动频率的输入依据,通过试验和数值计算相结合分析的方法对主隧道与联络横通道的地震响应规律进行了研究. 研究结果表明:结构与相同深度位置地层的加速度响应变化规律基本相同,离地面越近,地层加速度的放大效应越明显;联络横通道采用刚性连接时,其最大应变反应出现在结构的拱顶和两侧拱脚处,而采用柔性连接可较好的降低结构各处的应变反应,且输入地震峰值加速度越大其减弱效果越明显;主隧道横断面上,靠近联络横通道连接处的位置易受其影响而产生应力突变,采用刚性连接时,其受到的影响更大;振动台试验与数值结果规律基本一致,采用刚性连接时,联络横通道对主隧道纵向的影响范围约为3.0倍联络横通道宽度,而采用柔性连接时其影响范围则减小至1.5~2.0倍.

     

  • 图 1  振动台模型箱

    Figure 1.  Shaking model box

    图 2  相似材料参数测定(拉压、三轴试验)

    Figure 2.  Similar material parameter determination (pull and compression test,triaxial test)

    图 3  原型工程地层状况(单位:m)

    Figure 3.  Stratigraphic status of prototype engineering (unit:m)

    图 4  模型箱边界设置及结构模型

    Figure 4.  Model box boundary setting and structural diagram

    图 5  刚性连接侧断面布置(单位:cm)

    Figure 5.  Rigid connection side section arrangement (unit:cm)

    图 6  输入地震波加速度时程曲线

    Figure 6.  Input seismic wave time history curve

    图 7  地层和结构模型

    Figure 7.  Stratigraphic and structural numerical model

    图 8  柔性连接处局部模型

    Figure 8.  Local model of flexible connection

    图 9  地层不同位置加速度放大系数

    Figure 9.  Acceleration amplification factor at different positions of formation

    图 10  联络横通道应变时程曲线

    Figure 10.  Strain time history curve of the tunnel cross passage

    图 11  联络横通道断面动力响应分析

    Figure 11.  Dynamic response analysis of cross section of connecting channel

    图 12  隧道主应变极值分布(振动台试验)

    Figure 12.  Extremum distribution of principal strain tunnel (shaking table test)

    图 13  隧道主应力分布云图

    Figure 13.  Principal stress distribution nephogram of tunnel

    图 14  主隧道沿纵向最大主应力分布

    Figure 14.  Extremum Maximum stress distribution along the longitudinal direction of the tunnel by flexible connection side

    表  1  物理量相似常数取值

    Table  1.   Values of physical similarity constants

    物理量相似关系相似比
    时间 t${C_L}{C_\rho }^{0.5}/{C_E}^{0.5}$1/4.46
    加速度 a${C_E}/{C_L}{C_\rho }$1/2
    应力$\sigma $${C_E}$1/100
    应变$\varepsilon $11
    泊松比$\upsilon $11
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    表  2  原型及模型主要地层物理力学参数

    Table  2.   Physical-mechanical parameters of prototypeand model ground

    结构弹性模量/${\rm{MPa}}$泊松比
    原型276000.21
    模型2950.23
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    表  3  地层材料各组分质量配比

    Table  3.   Mass ratio of each component of formation material

    制作
    材料
    重晶
    石粉
    机油河砂石英砂硅藻土粉煤灰凡士林
    质量
    配比
    0.040.080.720.010.050.110.01
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    表  4  原型及模型主要地层物理力学参数

    Table  4.   Physical-mechanical parameters of prototype and model ground

    地层密度$\rho / ({ {\rm{kg} }{\simfont\text{•} }{ {\rm{m} }^{\rm{3} } } })$变形模量${E_0}/{\rm{MPa}}$凝聚力$c/{\rm{kPa}}$内摩擦角$\varphi /\left( {^ \circ } \right)$
    原型20.625.0050.00024
    模型17.50.250.48928
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    表  5  振动台试验加载工况

    Table  5.   Loading conditions of shaking table test

    工况加速度峰值PGA/(× g)频率f/Hz持时t/s
    10.10 待定40
    20.15 4.0~28.040
    30.20 待定40
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    表  6  地层计算参数

    Table  6.   Stratigraphic calculation parameters

    地层密度/(kg•m−3变形模量/MPa泊松比
    淤泥 1620 2.6 0.35
    中粗砂 1900 20 0.26
    中风化变质砂岩 2060 25 0.25
    强风化变质砂岩 1960 35 0.25
    C35混凝土 2500 18000 0.20
    C50混凝土 2500 27600 0.20
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-11
  • 修回日期:  2019-05-08
  • 网络出版日期:  2019-07-08
  • 刊出日期:  2020-12-15

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