• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

穿越多破裂面断层隧道动力模型箱设计及振动台试验验证

王浩鱇 申玉生 常铭宇 张昕阳 潘笑海 张熙

王浩鱇,申玉生,常铭宇,张昕阳,潘笑海,张熙,2025. 穿越多破裂面断层隧道动力模型箱设计及振动台试验验证. 震灾防御技术,20(2):385−398. doi:10.11899/zzfy20240506. doi: 10.11899/zzfy20240506
引用本文: 王浩鱇,申玉生,常铭宇,张昕阳,潘笑海,张熙,2025. 穿越多破裂面断层隧道动力模型箱设计及振动台试验验证. 震灾防御技术,20(2):385−398. doi:10.11899/zzfy20240506. doi: 10.11899/zzfy20240506
Wang Haokang, Shen Yusheng, Chang Mingyu, Zhang Xinyang, Pan Xiaohai, Zhang Xi. The Design and Shaking Table Test Verification of a Dynamic Model Box for Tunnels Crossing Multi-rupture Surface Fault[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2025, 20(2): 385-398. doi: 10.11899/zzfy20240506
Citation: Wang Haokang, Shen Yusheng, Chang Mingyu, Zhang Xinyang, Pan Xiaohai, Zhang Xi. The Design and Shaking Table Test Verification of a Dynamic Model Box for Tunnels Crossing Multi-rupture Surface Fault[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2025, 20(2): 385-398. doi: 10.11899/zzfy20240506

穿越多破裂面断层隧道动力模型箱设计及振动台试验验证

doi: 10.11899/zzfy20240506
基金项目: 国家自然科学基金项目(52278414)
详细信息
    作者简介:

    王浩鱇,男,生于2000年。硕士研究生。主要从事强震作用隧道工程抗减震技术研究。E-mail:1356420718@qq.com

    通讯作者:

    申玉生,男,生于1976年。教授,博士。主要从事强震作用隧道工程抗减震技术和地下结构开挖研究。 E-mail:sys1997@163.com

The Design and Shaking Table Test Verification of a Dynamic Model Box for Tunnels Crossing Multi-rupture Surface Fault

  • 摘要: 振动台模型试验是研究工程结构动力响应的重要手段,模型箱作为隧道工程振动台模型试验的关键因素,其设计的合理性成为确保振动台试验准确的关键。本文依托某高烈度地震区穿越大型断裂带隧道工程,以穿越多破裂面断层隧道为对象,根据多破裂断层相互作用力学机理,基于弹性地基理论构建了集中质量力学模型,并设计了针对穿越多破裂面断层隧道的动力模型箱。利用有限元软件对模型箱进行模态频响分析,得出模型箱-围岩-衬砌在地震动作用下不发生共振,各阶振型之间不会产生影响。运用该模型箱进行振动台试验并验证合理性,结果表明,围岩纵向范围同高度处,破碎带与上下盘交界处附近土体加速度峰值最大,显示出在地震作用下穿越多破裂面断层隧道与围岩的加速度响应特性;隧道衬砌共轭45°相对位移及围岩-衬砌拱顶接触应力峰值最大值出现在破碎带与上下盘交界处附近,最小值出现在破碎带内部破裂面处,破碎带边缘所受地震力最大;力学模型理论与试验的应力释放量相对差值仅为6.7%、0.5%,位移相差均在10%以内,验证了模型箱能较好地模拟穿越多破裂面断层隧道的错震特性;采用2-范数偏差μ对边界效应进行量化,μ总体小于0.2,并随着PGA的增大先增加后减小并趋于稳定,说明模型箱边界效应影响较小,能够模拟地震时多破裂面断层运动特性,验证了试验结果的可靠性,研究结果可为此类模型箱设计提供参考。
  • 图  1  依托工程区概况

    Figure  1.  General situation of the project area

    图  2  动力模型箱

    Figure  2.  Dynamics model box

    图  3  模型箱有限元模型

    Figure  3.  Model box finite element model

    图  4  走滑多破裂面断层地质力学模型

    Figure  4.  Geo-mechanical model of strike-slip multi-rupture surface fault

    图  5  衬砌材料参数试验

    Figure  5.  Testing of lining material parameters

    图  6  加速度传感器布置图

    Figure  6.  Diagram of acceleration sensor layout

    图  7  输入白噪声时加速度响应曲线

    Figure  7.  Acceleration response curve with white noise

    图  8  输入汶川波时x向测点的加速度时程及频谱图

    Figure  8.  Acceleration time histories and their spectrum at measurement points along x direction with the input of the Wenchuan earthquake wave

    图  9  输入PGA为0.4 g的汶川波时的加速度时程曲线

    Figure  9.  Acceleration time histories at observation points along x direction with the input of the Wenchuan earthquake wave with PGA=0.4 g

    图  10  隧道节段衬砌各断面相对位移

    Figure  10.  Relative displacement of tunnel segmental lining sections

    图  11  隧道节段衬砌拱顶接触压力峰值

    Figure  11.  Peak contact pressure at tunnel segmental lining arch crown

    图  12  PGA=0.4 g时S3土压力时程曲线图

    Figure  12.  Time course of S3 soil pressure at PGA=0.4 g

    表  1  断层错断模型箱类型及尺寸

    Table  1.   Type and dimensions of existing fault dislocation model box

    单位类型错断形式尺寸破裂面
    西南交通大学(仇文革等,2016刚性1.0 m×0.5 m×1.0 m
    西南交通大学(闫高明等,2019刚性3.7 m×1.5 m×1.8 m
    同济大学(Yan等,2016刚性走滑断层4 m×6 m×4.5 m
    西南交通大学(杨长卫等,2023刚性正/逆断层8.3 m×3.1 m×2.5 m
    中国地震局(孙海峰等,2012剪切3.7 m×2.4 m×1.7 m
    同济大学(伍小平等,2002剪切2.0 m×1.5 m×2.0 m
    西南交通大学(崔光耀等,20132018刚性正/逆断层2.5 m×2.5 m×2.0 m
    西南交通大学(耿萍等,2020刚性3.75 m×1.75 m×1.5 m
    西南交通大学(赵建沣等,2019刚性正/逆断层2.5 m×2.5 m×1.5 m
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    表  2  模型箱材料与参数

    Table  2.   Materials and parameters of model boxes

    动力模型箱材料规格/mm
    侧壁钢板10
    底板钢板16
    外伸钢板钢板2
    框架H型钢100×100×8×8
    侧板连结Π字型钢版24×34.8×2
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    表  3  模型箱材料参数

    Table  3.   Model box material parameters

    材料 密度/(kg·m−3) 弹性模量/GPa 泊松比
    Q345钢 7850 210 0.3
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    表  4  模型箱各部频率表

    Table  4.   Model box frequency

    类别 基频/Hz 位移图例(归一化) 一阶模态位移云图 二阶模态位移云图 模态分析曲线
    下盘模型 28.07
    断层模型 19.56
    上盘模型 19.56
    整体模型 28.00 ——
    围岩+隧道 11.74 ——
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    表  5  模型相似比量纲

    Table  5.   Model similarity ratios for the shaking table tests

    物理量量纲相似比
    泊松比μ11.00
    应力σL−1MT−245.00
    应变ε11.00
    时间tT5.48
    加速度aLT−21.00
    频率fT −10.18
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    表  6  围岩模型材料参数

    Table  6.   Material parameters of surrounding rocks model

    弹性模量/GPa 密度/(kg·m−3) 黏聚力/kPa 摩擦角/°
    上下盘(Ⅳ) 原型值 4 2200 400 33
    模型值 0.089 1466.67 8.89 33
    试验值 0.09 1467 11.7 32.3
    断层破碎带(Ⅴ) 原型值 1 1800 100 24
    模型值 0.022 1200.00 2.22 24
    试验值 0.025 1200 4 25
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    表  7  衬砌模型材料参数

    Table  7.   Material parameters of lining model

    弹性模量/GPa 密度/(kg·m−3) 抗压强度/MPa
    衬砌 原型值 32.5 2.3 26
    模型值 0.72 1.53 0.58
    试验型 1.16 1.48 1.18
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    表  8  基于加速度时程计算的μ

    Table  8.   μ-value distribution calculated based on acceleration time histories

    偏差PGA/g
    0.10.20.30.4
    μ5/3/%11.7612.7310.7511.00
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    表  9  H=135 cm时各测点加速度峰值表

    Table  9.   Peak acceleration at measurement points at H=135 cm

    工况 下盘 破碎带 上盘
    A7 A2 A8
    0.1 g 0.21 0.30 0.26
    0.4 g 0.67 0.82 0.70
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    表  10  H=170 cm时各测点加速度峰值表

    Table  10.   Peak acceleration at measurement points at H=170 cm

    工况 下盘 破碎带 上盘
    A9 A10 A3 A11 A12
    0.1 g 0.20 0.23 0.22 0.23 0.23
    0.4 g 0.61 0.67 0.68 0.71 0.64
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    表  11  PGA为0.4 g时错动位移与应力降

    Table  11.   Misalignment displacement and stress drop at 0.4 g

    项目 错动位移/cm 应力降/MPa
    u2 u3 u4 ΔσU4-U3) ΔσU3-U2)
    试验 2.53 3.00 3.43 0.542 0.557
    理论 2.42 2.8 3.17 0.508 0.560
    相对差值/% 4.5 7.1 8.2 6.7 0.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-20
  • 录用日期:  2024-07-22
  • 修回日期:  2024-06-18
  • 网络出版日期:  2025-07-17
  • 刊出日期:  2025-06-30

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