断层破碎带注浆加固对跨断层隧道减震效果的试验研究.pdf
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1、袁勇,黎若寒,赵旭,2023.断层破碎带注浆加固对跨断层隧道减震效果的试验研究.震灾防御技术,18(2):243251.doi:10.11899/zzfy20230205断层破碎带注浆加固对跨断层隧道减震效果的试验研究1袁勇 1,2)黎若寒 1)赵旭 3)1)同济大学,土木工程学院,上海 2000922)同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海 2000923)北京工业大学,城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124摘要隧道跨越断层区段是地震中最容易发生破坏的区域之一。为研究注浆加固断层破碎带对于跨断层隧道的减震机制与效果,设计了断层内有、无注浆加固的 2 种模型,采用 1-g
2、振动台试验,输入汶川地震动记录,测试隧道衬砌的加速度响应和应变响应时程。分析试验结果发现,跨断层隧道的最大加速度响应和最大 Arias 烈度均位于断层破碎带与上盘岩体交界处,隧道衬砌最大动应变分布在该交界面侧的隧道拱肩部位和断层破碎带侧的拱底部位;注浆加固可以显著减小该处的加速度响应和 Arias 烈度,并降低隧道衬砌环动应变沿纵向的差异。通过注浆加固破碎带提升断层内隧道周围的地层物理力学特性以减小隧道纵向地层性质差异,可以有效减小跨断层隧道的加速度放大效应与变形差异。关键词:断层隧道地震响应振动台试验注浆加固Shaking Table Tests on Seismic Mitigation
3、Effect of Grouting Reinforcement inFault-crossing TunnelsYuan Yong1,2),Li Ruohan1)and Zhao Xu3)1)College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China2)Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China3)Key Labo
4、ratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,ChinaAbstractTunnel sections crossing fault zones are among the most vulnerable areas to damage during earthquakes.To investigate theseismic mitigation mechanism and effects of
5、grouting reinforcement in fault fracture zone for fault-crossing tunnels,two models withand without grouting reinforcement within fault were designed.A 1-g shaking table was utilized to input the Wenchuan earthquakeground motion records,and the acceleration and strain responses of the tunnel lining
6、were tested.The test results revealed that the max-imum acceleration response and Arias intensity of the fault-crossing tunnel were located at the interface between the fault fracture zoneand the hanging wall,with the maximum dynamic strain of the tunnel lining distributed at the shoulder of the arc
7、h shoulder near the in-terface and the invert of the arch near the fault fracture zone.Grouting reinforcement significantly reduced the acceleration response andArias intensity at this location while decreasing the longitudinal differences in the dynamic strain of the tunnel lining.By enhancing theg
8、eotechnical mechanical properties surrounding the tunnel within the fault through grouting reinforcement of the fracture zone,the ac-celeration amplification effect and deformation differences of the fault-crossing tunnel can be effectively reduced,thereby minimizingthe longitudinal differences in t
9、he tunnels geological properties.1 基金项目 国家自然科学基金(51778487、52061135112、U1934210)收稿日期2023-01-05作者简介袁勇,男,生于 1963 年。教授。主要从事地下工程动力灾变和服役性能的基础理论与工程应用研究。E-mail: 第 18 卷 第 2 期震灾防御技术Vol.18,No.22023 年 6 月Technology for Earthquake Disaster PreventionJun.,2023Key words:Fault;Tunnel;Seismic response;Shaking table
10、test;Grouting reinforcement 引言隧道工程难以避免穿越断层破碎带,给其抗震设计带来了极为严峻的挑战。震害调查表明,隧道穿越断层破碎带的区段是地震中受损最为严重的区域之一(Yashiro,2007;Shen 等,2014)。众多学者通过不同的手段研究跨断层隧道的地震响应及破坏模式,包括数值模拟(Ma 等,2019)、模型试验(Fan 等,2020)和解析解(刘国钊等,2020)。普遍的观点是,断层永久位移作用下,隧道受剧烈的剪切作用而发生破坏(Hashash 等,2001)。尽管跨断层隧道纵向的不一致变形是隧道破坏的根本原因(Yang 等,2013;Jiao 等,202
11、1),但断层是否发生错动对隧道地震响应机制有明显的影响:若断层错动产生的相对位移使隧道发生剪切,可视为静力问题(Zhong 等,2020);若断层没有发生错动,但隧道因断层与围岩力学性质差异导致的非一致运动而发生破坏,断层场地和隧道的动力响应特性不容忽视(Wang 等,2020)。针对后 1 种情况,耿萍等(2012)通过数值模拟分析了跨断层隧道纵向动力响应特性,发现位于断层交界面处的隧道内力值远大于其他区域。方林等(2011)采用振动台模型试验,研究了跨断层隧道的动力响应和破坏模式,结果表明隧道穿越断层区段破坏最为严重。何川等(2014)结合振动台模型试验和数值模拟对跨越断层破碎带隧道的动力
12、响应进行了研究,结果分析表明,断层内地层与两侧围岩动力响应特性有较大差异,而隧道的动力响应对地层有明显的追随性。然而,由于复杂多变的地质条件,跨断层隧道的动力响应机理还有待进一步研究。此外,针对跨断层隧道的抗减震措施主要包括:设置减震层、扩大隧道断面、设置柔性接头、采用高性能混凝土和地层注浆加固等。崔光耀等(2019)对跨断层隧道设置减震层的减震效果进行了研究,认为将减震层设置在初衬和围岩之间的减震效果最佳。An 等(2020)将纤维增强混凝土应用于跨断层隧道衬砌,对跨断层隧道的地震响应进行研究,结果表明,钢-玄武岩混合纤维增强混凝土二次衬砌的抗震性能优于钢纤维增强混凝土二次衬砌。Yan 等(
13、2020)结合模型试验和数值模拟,对跨断层隧道设置柔性接头的地震响应特性和破坏模式进行了研究,结果表明,柔性接头有效地减小了衬砌节段之间的相对位移,进而减小了隧道衬砌的拉伸破坏。王李斌等(2019)对跨断层隧道采用不同注浆措施的地震响应进行了研究,发现跨断层隧道采用全环间隔注浆抗震措施的效果优于全环接触注浆抗震措施。注浆加固通过改善断层内地层的力学性能,减小隧道纵向地层性质差异,可能是一种良好的减震措施。然而,现有研究对于跨断层隧道不发生断层错动时,断层注浆加固减震效果的研究还较为缺乏,研究团队前期针对这一问题开展了探索性的研究(Zhao 等,2022),对不同加载方向下注浆加固对跨断层隧道的
14、减震效果进行了评价。本文采用振动台模型试验,在前期研究基础上,对采用汶川地震中卧龙台站记录的地震波(后文简称“汶川波”)工况横向加载下注浆加固对隧道整体的减震效果及减震机制进行了分析。通过分析隧道纵向加速度响应和应变响应,研究地震中断层上下盘不发生显著相对位移时,跨越断层隧道因断层破碎带与断层两侧围岩差异导致的隧道衬砌动力响应特征,并探讨断层内破碎地层采用注浆加固的减震机制与减震效果。1振动台试验设计 1.1背景工程香炉山隧道是滇中引水工程线路上的重点项目,隧道总长约 63.4 km。该隧道穿越的地质条件十分复杂,其中最关键的不良地质条件为穿越 3 个主要活动断层带,分别是龙蟠-乔后断层、丽江
15、-剑川断层和鹤庆-洱源断层。本文选取鹤庆-洱源断层为对象开展研究,图 1 为香炉山隧道穿越鹤庆-洱源断层区段的示意图。其中鹤庆-洱源断层的宽度为 120 m,倾角为 60。1.2相似关系基于量纲分析,以长度、弹性模量和密度为基本物理量,在确定其详细关系后推导试验中其它物理量的相似关系。其中长度、弹性模量和密度的相似比分别定为 1/15、1/60 和 6/25。所有物理量的相似关系如表 1所示。1.3模型材料由于泡沫混凝土具有较好的自稳能力,试验采用泡沫混凝土对围岩进行模拟,其中水与泡沫的体积比为15,水与水泥的质量比为 11.8。采用模型土对断层内松散破碎的地层进行模拟,其中锯末和砂的质量比为
16、244震灾防御技术18 卷11。隧道衬砌采用轻骨料石膏进行模拟,其中石膏、玻化微珠和水的质量比为 516,轻骨料石膏的应力应变关系如图 2 所示,其材料性能较为稳定,各不同试样之间弹性模量离散程度较低。注浆加固层采用轻质石膏进行模拟,其中石膏与水的质量比为 12。试验原型和试验模型的材料特性如表 2 所示。1.4模型结构本试验设置断层内有、无注浆加固 2 个模型进行对比,以探讨注浆加固的减震效果。模型整体长度(沿隧道轴向)为 5.2 m,宽度(垂直于隧道轴向)为 3.0 m,高度为 2.0 m。模型中央设置倾角为 60的断层,3 6003 4003 2003 0002 8002 6002 40
17、02 2002 0001 800DL I 52+000图例DL I 53+000 DL I 54+000 DL I 55+000 DL I 56+000 DL I 57+000 DL I 58+000 DL I 59+000 DL I 60+000线路桩号海拔高度/m123456789101112131415161718 图 1 香炉山隧道穿越鹤庆-洱源断层区段示意图Fig.1 Diagram of Xianglushan tunnel crossing Heqing-ergyuan fault zone 表 1 振动台试验相似关系Table 1 Similitude relations fo
18、r the shaking table test物理量相似关系相似比长度L1/15密度FT2L46/25弹性模量FL21/60应变1质量FL1T21/14 062速度LT11/3.79时间T1/3.95频率T13.95应力FL21/60加速度LT21.042 期袁勇等:断层破碎带注浆加固对跨断层隧道减震效果的试验研究245由于振动台尺寸限制(4 m6 m),将原型断层破碎带宽度缩减为 1 m,如图 3 所示。隧道模型由 13 节长度为 0.4 m(对应原型为 6 m)的衬砌节段组成,其中隧道直径为 0.66 m,衬砌厚度为 0.04 m。有注浆加固模型在断层破碎带内的隧道外侧 0.5 倍隧道直
19、径范围内采用注浆加固模型材料填筑,提升该范围的材料弹性模量,使之接近模型围岩。1.5传感器布置将衬砌节段由上盘至下盘进行编号,并将断层附近及远离断层的节段设置为监测节段,如图 4 所示。在每个监测节段底部放置 1 个加速度计,内侧环向布置 8 个应变片。每个模型共计 7 个加速度测点和 56个应变测点。1.6加载方案考虑工程场地特性,选取 2008 年汶川地震卧龙台站地震记录作为试验输入的地震波,由模型底部竖直输入,地震波加速度峰值为 0.31 g,设防地震对应50 年超越概率 10%。输入地震波振动方向垂直于隧道轴向。图 5 为按相似关系压缩后的汶川波时程曲线和傅里叶谱。表 2 试验原型和试
20、验模型材料特性Table 2 Mechanical properties of prototype and model materials弹性模量/MPa密度/(kgm3)泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/()围岩原型6 0002 3000.3070039模型1005600.302518断层破碎带原型3001 7000.3510020模型54100.351.619隧道衬砌原型30 0002 5000.20模型5006000.20注浆加固原型6 0002 2000.30模型1005100.23 0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300123456应力/MPa应变 图
21、2 轻骨料石膏应力应变关系Fig.2 Stress-strain relationship of light aggregate gypsum 2.0 m5.2 m3.0 m 图 3 模型示意图Fig.3 Diagram of complete model 应变片加速度计S1S5S6S7S8S2S3S4A1/2断层上盘下盘60123456789101112131 0006666666682 0001 5231 0002 6775 2002 6771 523(a)纵向剖面(单位:mm)(b)横断面 图 4 观测断面与测点示意图Fig.4 Diagram of monitoring section
22、s246震灾防御技术18 卷2试验结果分析 2.1加速度响应无注浆加固和有注浆加固 2 个模型隧道衬砌不同节段监测的加速度时程曲线和对应傅里叶谱如图 6 所示。可知,跨断层隧道在地震作用下沿纵向的加速度响应有显著的差异,位于断层上盘内的隧道响应明显大于位于断层下盘内的隧道响应,上盘隧道与下盘隧道的傅里叶谱在 2050 Hz 范围内存在一定差异。衬砌节段 3至衬砌节段 11 的峰值加速度分别为 0.41 g、0.50 g、0.54 g、0.44 g、0.39 g、0.38 g、0.36 g。对断层内地层进行注浆加固后,衬砌节段 3 至衬砌节段 11 的峰值加速度分别为 0.40 g、0.49 g
23、、0.47 g、0.43 g、0.39 g、0.38 g、0.36 g。对比发现,注浆加固对隧道的加速度响应分布特征没有太大影响,但是降低了断层内隧道节段 6 的加速度响应,对应傅里叶谱在 820 Hz 范围内的加速度响应降低。由于不同模型加载时无法保证输入地震动峰值保持一致,因此引入加速度放大系数对有、无注浆加固 2个模型隧道的加速度进行对比。加速度放大系数定义为监测点加速度峰值与输入加速度峰值之比,作为一个无量纲指标,可以排除不同模型输入地震动峰值的差异,对不同模型的加速度响应进行对比。图 7 为有、无注浆加固 2 个模型中隧道衬砌各节段的加速度放大系数对比,由图可知,跨断层隧道加速度响应
24、分布规律如下:位于断层与上盘交界处的隧道,即节段 6 的加速度响应最大,其次是节段 5 和节段 7。位于下盘内的隧 0510150.40.20.00.20.4加速度/g时间/s010203040500.00.20.40.60.81.0102傅里叶幅值/g频率/Hz 图 5 汶川波时程及傅里叶谱Fig.5 Accelerogram and Fourier spectrum of Wenchuan wave 0.60.30.00.30.60.60.30.00.30.60.60.30.00.30.60.60.30.00.30.60.60.30.00.30.60.60.30.00.30.6036912
25、0.60.30.00.30.6 无注浆加固 注浆加固节段-3节段-5节段-6节段-7节段-8节段-9时间/s节段-11节段-3节段-5节段-6节段-7节段-8节段-9节段-110.000.030.060.090.120.000.030.060.090.120.000.030.060.090.120.000.030.060.090.120.000.030.060.090.120.000.030.060.090.12010203040500.000.030.060.090.12 无注浆加固 注浆加固频率/Hz(a)加速度时程(b)傅里叶谱加速度/g傅里叶幅值/g 图 6 隧道加速度时程和傅里叶谱对
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