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穿活动断裂带隧道抗错动易损性分析方法

岩土工程学报 2024年

作者：禹海涛许桦霖卫一博同济大学土木工程防灾国家重点实验室同济大学地下建筑与工程系

活动断层错动作用是导致穿断层隧道结构破坏的主要因素，因此评估穿断层隧道结构的抗错动性能对于隧道抗震设计至关重要，然而目前研究尚缺乏针对穿断裂带隧道结构抗错动性能的评估方法。为此，本文提出了一种面向穿活动断裂带隧道结构... 详细信息

活动断层错动作用是导致穿断层隧道结构破坏的主要因素，因此评估穿断层隧道结构的抗错动性能对于隧道抗震设计至关重要，然而目前研究尚缺乏针对穿断裂带隧道结构抗错动性能的评估方法。为此，本文提出了一种面向穿活动断裂带隧道结构抗错动性能评估的易损性分析方法。首先，基于概率断层位错危险分析（PFDHA）推导隧址区断层位错超越概率计算公式；其次，建立围岩-断层-隧道相互作用体系的有限元分析模型，并选定易损性分析指标，采用拟静力弹塑性分析方法得到隧道损伤与断层位错量之间的量化关系；最后采用隧址区断层位错超越概率计算公式计算出任意给定地震动水准条件下穿活动断裂带隧道结构的抗错动易损性。某穿活动走滑断层隧道为例，依据所建立的易损性评估方法开展影响因素分析，探究了断层倾角对隧道结构抗错动性能的影响规律，结果表明：断层倾角越小，穿断层处隧道结构的易损性越小，且上盘侧隧道衬砌易损性显著高于下盘；隧道易损性对5-8级矩震级的变化更为敏感；隧道选线沿着近破裂带端部穿越可显著降低隧道结构的受损概率。该方法可以定量描述穿断层隧道在给定地震动强度下的易损性程度，可为穿活动断裂带隧道结构抗震设计与抗错动性能评估提供科学依据和分析手段。

关键词：穿断层隧道活动断裂带易损性地震响应 PFDHA

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圆形河谷地形效应振动台模型试验研究

岩土工程学报 2024年第5期46卷 1102-1111页

作者：张中杰禹海涛宋毅刘书王治坤上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司上海200125 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学土木工程学院上海200092

河谷作为一种局部不规则地形,会改变局部场地范围内的地震动特性,通常称之为地形效应,这一现象已经被大量地震动观测和震害记录所证实。目前关于河谷地形效应的研究多集中于解析解和数值方法,但缺乏试验数据的支撑。建立了考虑河谷地形... 详细信息

河谷作为一种局部不规则地形,会改变局部场地范围内的地震动特性,通常称之为地形效应,这一现象已经被大量地震动观测和震害记录所证实。目前关于河谷地形效应的研究多集中于解析解和数值方法,但缺乏试验数据的支撑。建立了考虑河谷地形效应的自由场振动台模型试验方法,开展了多工况自由场河谷地形效应的振动台模型试验研究。试验设计了3组宽深比分别为8︰1,4︰1,3︰1的圆弧形河谷地形,并以平整场地条件下的自由场试验作为参照,对比分析了河谷场地的地形效应,并探明了不同地形条件对自由场河谷地形效应的影响规律。试验结果表明:河谷地形效应会引起局部非平整场地范围内地表加速度响应的普遍放大,且以谷顶位置处的地震动放大效应最为显著,谷内加速度响应则表现为从谷底到谷顶逐渐增大的分布趋势;随着入射波频率的增加,河谷地形引起的地表加速度放大效应更加显著;而随着河谷地形深宽比的增加,地震动放大效应将逐渐增强。研究成果可为河谷地形条件下基础设施结构的抗震安全性分析提供科学依据。

关键词：振动台试验圆弧形河谷地形效应加速度响应

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沉管隧道新型剪力杆组合结构的抗剪应用研究

中国公路学报 2024年第3期37卷 356-370页

作者：叶亮陈鸿禹海涛陈正杰张巍张乐乐广州地铁设计研究院股份有限公司广东广州510010 上海市隧道工程轨道交通设计研究院上海200235 同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 碧桂园控股有限公司广东佛山528312 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司上海200082

为了提高节段接头施工效率和沉管隧道预制化水平,改善现有节段接头连接方案存在的接头截面利用率低、中埋式止水带安装困难、工效低和剪力键浇筑质量差等突出问题,提出以新型钢剪力杆组合结构替代传统剪力键的节段接头连接方案。通过开... 详细信息

为了提高节段接头施工效率和沉管隧道预制化水平,改善现有节段接头连接方案存在的接头截面利用率低、中埋式止水带安装困难、工效低和剪力键浇筑质量差等突出问题,提出以新型钢剪力杆组合结构替代传统剪力键的节段接头连接方案。通过开展剪力杆组合结构单杆、多杆剪切试验,测量剪切荷载、接头相对错动、钢套筒应变和钢筋应力,研究其抗剪性能。以大连湾海底沉管隧道工程为依托,基于材料塑性损伤本构模型,考虑节段接头的细部构造,根据剪力杆组合结构剪切试验对数值仿真方法的有效性进行验证。利用数值模拟研究了节段接头水平向、竖直向剪切,绕横轴、竖轴弯曲的变形规律和破坏特征,进一步建立三维仿真模型,研究剪力杆组合结构在大连湾海底沉管隧道工程中的工作情况。研究结果表明:剪力杆组合结构的失效由剪力杆的剪断破坏控制,破坏延性特征明显。剪力杆破坏荷载-位移关系可以分为弹性、塑性加强和塑性破坏3个阶段。接头存在间隙时,剪力杆组合结构破坏屈服特征明显。剪切试验数值结果与现场试验结果吻合良好。节段接头数值试验揭示,在剪切、弯曲作用下接头破坏过程较为复杂,且均呈现出阶段性特征。基于接头损伤分析,提出了节段接头位移安全评价指标。对控制工况下的三维全长数值模型的节段接头计算位移指标进行安全评价,评价结果显示,剪力杆组合结构适用于大连湾海底沉管隧道工程并具有良好的经济性。

关键词：隧道工程沉管隧道剪切试验抗剪性能剪力杆节段接头剪力键

基于ST-CNN的脉冲型地震动与脉冲周期融合识别方法

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岩土工程学报 2024年

作者：禹海涛朱晨阳傅大宝许乃星卢哲超蔡辉腾同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室同济大学土木工程学院地下建筑与工程系福州市可持续发展城市研究院有限公司福建省地震局

如何快速准确地识别脉冲型地震动是困扰学术界和工程界的关键难题，定量识别方法虽然能够克服人工识别的经验性限制，但是传统定量识别方法存在识别结果不一致、适用范围不广泛、难以同时识别脉冲周期或识别的脉冲周期部分情况下差异明... 详细信息

如何快速准确地识别脉冲型地震动是困扰学术界和工程界的关键难题，定量识别方法虽然能够克服人工识别的经验性限制，但是传统定量识别方法存在识别结果不一致、适用范围不广泛、难以同时识别脉冲周期或识别的脉冲周期部分情况下差异明显等问题。为此，本文建立了一种问题针对性融合学习规则并结合卷积神经网络（CNN），开发出了一种新的脉冲型地震动与脉冲周期同步识别方法。该学习规则通过对基于不同识别原理的多个传统典型识别方法进行融合学习并采用全球范围的30000条任意方向地震动数据进行训练和验证，摒弃了以往繁琐的人工标记过程并得到了3个问题针对性识别模型，分别命名为Strict识别模型、General识别模型以及TP识别模型。除此之外，为解决地震动时序输入信息不足从而导致模型泛化能力较弱的问题，本文还对CNN的输入结构进行了优化增强，提出了ST-CNN模型。其引入了S变换层以将地震动时序变换至时频，从而增加了频域分布信息并进一步提高了识别精度。结果表明：Strict识别模型能严格区分脉冲型与非脉冲型地震动，识别结果得到已有方法的一致认可；General识别模型的识别能力更强，适用范围更加广泛；TP识别模型识别的脉冲周期更加准确，并可与前述识别模型并用以同步输出识别结果。本文提出的问题针对性融合学习规则还可推广至其他工程领域与其他机器学习模型，建立的识别方法可为脉冲型地震动研究提供科学指导。

关键词：脉冲型地震动脉冲周期识别方法卷积神经网络 S变换

考虑破碎带节理分布特征的隧道开挖诱发近断层错动随机性分析

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岩土工程学报 2024年第4期46卷 746-754页

作者：禹海涛李婷婷陈志伟闫晓同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司上海200125

隧道开挖往往会引起邻近断层错动,并进一步诱发岩爆、地震等灾害。然而,断层破碎带内部岩体物理力学特征复杂,不仅表现出非连续性、非线性和各向异性,还存在节理随机分布特征,隧道开挖诱发近断层错动机制仍不清晰。基于连续-离散耦合分... 详细信息

隧道开挖往往会引起邻近断层错动,并进一步诱发岩爆、地震等灾害。然而,断层破碎带内部岩体物理力学特征复杂,不仅表现出非连续性、非线性和各向异性,还存在节理随机分布特征,隧道开挖诱发近断层错动机制仍不清晰。基于连续-离散耦合分析方法建立了含断层工程场地多尺度力学模型,采用基于离散单元法的人工合成岩体模型模拟断层破碎带,采用有限差分法描述断层上、下盘及内部隧道开挖影响下的宏观动力特征。开展了近断层隧道开挖多因素模拟,探究了断层岩体节理随机分布特征对近断层隧道开挖的影响规律。分析结果表明:破碎带内部节理随机性对隧道开挖诱发近断层错动影响显著;节理倾角均值越接近断层倾角,隧道开挖导致的近断层错动量越大;正交试验情况下,断层节理倾角方差对最终错动量均值大小影响较小;节理长度的均值和方差越大,断层破碎带越容易发生错动;节理密度越大,破碎带介质越破碎,断层带整体的强度和刚度越低,抵抗错动的能力也越弱。通过对比分析得出节理分布特征参数对断层错动量均值影响程度的排序分布:节理密度>节理倾角均值>节理长度均值>节理长度标准差>节理倾角标准差;且当显著性水平为0.05时,节理密度对断层错动量的影响达到显著水平(p<0.05)。

关键词：断层错动多尺度耦合随机性隧道开挖

CO_(2)封存诱发近断层活化机制研究进展

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华侨大学学报（自然科学版） 2024年第2期45卷 136-149页

作者：禹海涛张改闫晓同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092

文中梳理了CO_(2)地质封存诱发地震活动的典型案例和总体进展,并结合注入诱发断层失稳理论,系统阐述热-流-力-化多场耦合作用下的CO_(2)封存诱发近断层活化机理,探讨不同物理过程对断层活化的关键影响因素,指出目前研究存在的问题和亟... 详细信息

文中梳理了CO_(2)地质封存诱发地震活动的典型案例和总体进展,并结合注入诱发断层失稳理论,系统阐述热-流-力-化多场耦合作用下的CO_(2)封存诱发近断层活化机理,探讨不同物理过程对断层活化的关键影响因素,指出目前研究存在的问题和亟待突破的研究方向。研究结果表明:CO_(2)地质封存诱发地震活动与孔隙压力扩散、非等温效应及地球化学反应等物理过程紧密相关;相较于注水活动,CO_(2)注入触发了涉及多相流动状态、焦耳-汤姆逊效应、CO_(2)溶解放热及CO_(2)-地层盐水-岩体化学作用等一系列复杂多物理场耦合过程;实际断层活化及剪切破坏的发生是这些过程协同作用的结果,并受到地层应力状态和断层属性的控制,以及注入策略和注入位置的影响。今后研究工作需要在基础理论研究和应用实践层面全面考虑热-流-力-化多场耦合效应,加强封存场地地质构造勘查,并发展多模式的流体注入策略,这对理解CO_(2)注入诱发近断层活化机制进而实现地震活动的精确预测至关重要。

关键词：碳封存断层活化孔隙流体压力非等温效应地球化学反应

饱和多孔介质渗流的强-弱不连续统一非局部模型

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同济大学学报（自然科学版） 2022年第4期50卷 481-488页

作者：孙宇麒禹海涛同济大学土木工程学院上海200092 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

非均匀饱和多孔介质流体传输模拟关键在于需要考虑由孔隙、裂隙以及不同渗透性介质组成的强–弱不连续面,但这与经典连续介质力学局部流体模型所定义的偏微分方程是不相容的,从而导致饱和多孔介质渗流模拟的困难。基于统一变分近场动力... 详细信息

非均匀饱和多孔介质流体传输模拟关键在于需要考虑由孔隙、裂隙以及不同渗透性介质组成的强–弱不连续面,但这与经典连续介质力学局部流体模型所定义的偏微分方程是不相容的,从而导致饱和多孔介质渗流模拟的困难。基于统一变分近场动力学的基本思想,提出了一种向量态函数用于描述饱和多孔介质流体的非局部传输作用,并在此基础上建立饱和多孔介质流体输运的非局部空间积分–时间微分型控制方程。该非局部流体输运模型统一描述了流体在强–弱不连续面的力学行为,避免了传统局部力学模型在不连续界面处的导数无定义性,且从理论上证明,当非局部流体模型中的非局部作用半径趋于零时,非局部模型可退化为局部模型。为了消除非局部模型内在的零能模式问题,基于罚函数方法提出一种全隐式的数值求解格式以保证数值计算的精确性。最后通过算例分析,模拟了三维非均匀不连续多孔介质中流体的传输过程,揭示流体穿越物质界面、孔隙和裂隙的力学行为。为研究饱和多孔介质中流体在不连续界面传输的力学行为提供了一种分析模型。

关键词：非均匀饱和多孔介质非局部模型界面传输裂隙孔隙

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穿断层分段柔性接头隧道纵向地震响应解析解

岩土工程学报 2023年第5期45卷 912-920页

作者：禹海涛卫一博同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092

地震发生伴随的断层错动是穿断层隧道灾变防控的重点和难点,目前比较有效的措施是通过设置柔性接头来适应断层的错动,但是对于柔性接头隧道的分段设计和参数取值缺少理论依据。以穿断层分段柔性接头隧道为研究对象,将分段隧道简化成有... 详细信息

地震发生伴随的断层错动是穿断层隧道灾变防控的重点和难点,目前比较有效的措施是通过设置柔性接头来适应断层的错动,但是对于柔性接头隧道的分段设计和参数取值缺少理论依据。以穿断层分段柔性接头隧道为研究对象,将分段隧道简化成有限长梁,隧道接头简化为剪切和弯曲弹簧元件,围岩简化为Pasternak双参数地基。为了合理考虑断层场地的不连续性,将断层带及上、下盘的非连续位移场等效为荷载施加在隧道梁上。基于建立的控制方程及边界条件,推导出分段柔性接头隧道在断层错动作用下的纵向地震响应解析解。通过与相同计算条件下的模型试验和数值计算结果对比分析,验证了解析方法的正确性。最后应用解析解对穿断层分段柔性接头隧道设计的关键参数进行敏感性分析,揭示了分段柔性接头布置方式和隧道本体-接头刚度比等因素对隧道结构内力响应的影响规律。结果表明:设置柔性接头可有效降低断层带影响区域内隧道结构纵向的内力响应,且柔性接头数量越多,隧道结构内力响应越小,若将柔性接头分别布置于断层错动面、断层与上/下盘交界面处,可以显著降低隧道结构的内力响应;而通过调整接头刚度来增大隧道本体-接头刚度比可以进一步降低隧道结构的内力响应。研究可为穿断层隧道抗震分析与分段柔性接头设计提供理论依据。

关键词：穿断层隧道断层错动分段柔性接头地震响应解析解

基于Hoek-Brown准则的非常规态型近场动力学弹塑性模型

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同济大学学报（自然科学版） 2022年第9期50卷 1215-1222页

作者：禹海涛胡晓锟李天斌成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学土木工程学院上海200092

岩石介质在不同荷载环境下具有显著的弹塑性变形特征和断裂力学行为。为了同时描述岩石的弹塑性变形连续场以及断裂力学行为的非连续场,提出了一种基于Hoek-Brown强度准则的非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics... 详细信息

岩石介质在不同荷载环境下具有显著的弹塑性变形特征和断裂力学行为。为了同时描述岩石的弹塑性变形连续场以及断裂力学行为的非连续场,提出了一种基于Hoek-Brown强度准则的非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics,NOSBPD)弹塑性模型。首先,基于非局部变形框架下的材料对应性关系,建立了以HoekBrown强度准则为屈服准则的NOSBPD弹塑性本构方程,通过主应力空间的返回映射算法得到给定应变增量对应的应力增量,并给出了相应的增量模型积分算法;其次,提出了基于等效塑性应变的断裂准则,实现了岩石弹塑性断裂全过程力学行为的表征;最后,通过引入非均匀变形状态消除了NOSBPD模拟存在的零能模式问题。基于数值模拟结果与有限元结果以及试验数据进行对比分析,验证了所建立模型的正确性,可为岩石的弹塑性断裂力学行为研究提供有效分析手段。

关键词：岩石近场动力学 Hoek-Brown强度准则弹塑性损伤本构返回映射方法