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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

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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深部富水岩石拱形隧道地震响应解析解

中南大学学报（自然科学版） 2021年第8期52卷 2783-2792页

作者：禹海涛陈功同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学地下建筑与工程系上海200092

基于目前岩石地层隧道常采用拱形断面形式,但现有隧道地震响应解析方法仅适用于圆形或矩形断面等,以均质地层中的深部富水岩石拱形隧道为对象,分别考虑地层不排水、全排水以及地层与结构间不滑移和全滑移等典型条件,推导地震剪切波作用... 详细信息

基于目前岩石地层隧道常采用拱形断面形式,但现有隧道地震响应解析方法仅适用于圆形或矩形断面等,以均质地层中的深部富水岩石拱形隧道为对象,分别考虑地层不排水、全排水以及地层与结构间不滑移和全滑移等典型条件,推导地震剪切波作用下衬砌与地层的控制方程,运用保角映射方法推导出深部富水岩石拱形隧道地震响应的解析解。将解析解与有限元模拟结果对比分析,验证本文解析解的正确性与适用性。最后应用该解析方法进行多工况参数敏感性分析,揭示地层−结构相对刚度比、地层排水条件、衬砌厚度等因素对深部富水岩石拱形隧道地震响应的影响规律。研究结果表明:随着地层−结构相对刚度比增大,隧道的内力响应降低,位移响应增大,但当地层刚度较大时,相对刚度比对隧道的地震响应影响较小;全排水条件下隧道的内力与位移响应均比地层不排水条件下的响应小;提高衬砌厚度会显著改变隧道的弯矩与轴力响应,但对隧道的最大应力与位移响应影响较小。

关键词：深埋隧道地震响应饱和岩石拱形隧道解析解

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任意形状深埋隧道地震响应解析解

岩土工程学报 2021年第7期43卷 1331-1337页

考虑地层-结构相互作用的拟静力法广泛应用于隧道抗震设计和分析,而以拟静力法为基础推导出的解析解则更是备受工程设计人员所青睐,但现有解析方法仅适用于圆形或矩形隧道。以均质地层中的任意形状深埋隧道为对象,将衬砌简化为均质地层... 详细信息

考虑地层-结构相互作用的拟静力法广泛应用于隧道抗震设计和分析,而以拟静力法为基础推导出的解析解则更是备受工程设计人员所青睐,但现有解析方法仅适用于圆形或矩形隧道。以均质地层中的任意形状深埋隧道为对象,将衬砌简化为均质地层中的壳体,并考虑隧道内部中隔墙的影响,建立了远场剪切波作用下隧道结构和地层各自的控制方程,结合地层与结构之间不滑移和全滑移两种典型接触边界,运用复变函数及保角映射方法,推导出均质地层中任意形状深埋隧道地震响应的解析解。通过与有限元基准模型在相同计算条件下的结果对比,验证了本文解析方法的正确性。最后应用该解析表达式开展多工况参数化分析,揭示了地层–结构相对刚度比和中隔墙厚度等因素对不规则断面隧道结构的地震响应的影响规律。结果表明:隧道结构内力响应随地层-结构相对刚度的增大而增大,而位移响应则相反;不滑移条件下隧道的内力响应要大于全滑移条件的内力响应,而位移响应相比全滑移条件则较小;与不考虑中隔墙的隧道相比,当中隔墙厚度大于隧道衬砌厚度1.5倍时,中隔墙的存在将显著增大衬砌的最大内力响应。

关键词：隧道工程地震响应任意形状解析解复变函数

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沉管隧道纵向抗震韧性评价方法研究

震灾防御技术 2023年第1期18卷 37-43页

作者：李心熙禹海涛同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

抗震韧性是评估结构抗震性能的重要手段,但目前对沉管隧道纵向抗震韧性评价的研究较缺乏。基于梁-弹簧模型建立能够合理考虑沉管隧道结构特征及接头构造的沉管隧道多尺度分析模型,选择合理的评估指标,根据不同极限状态定义获得地震易损... 详细信息

抗震韧性是评估结构抗震性能的重要手段,但目前对沉管隧道纵向抗震韧性评价的研究较缺乏。基于梁-弹簧模型建立能够合理考虑沉管隧道结构特征及接头构造的沉管隧道多尺度分析模型,选择合理的评估指标,根据不同极限状态定义获得地震易损性曲线,通过构建合理的性能恢复函数计算隧道韧性指数,从而建立沉管隧道抗震韧性评估方法,并以某沉管隧道实际工程为例进行隧道抗震韧性分析,揭示地震动强度及地层-结构相对刚度比等关键参数的影响规律。研究结果表明,随着PGA的增加,隧道震后剩余功能函数显著下降,隧道抗震韧性明显降低;隧道韧性指数随着地层-结构相对刚度比的增大而增大。

关键词：沉管隧道抗震韧性纵向地震响应功能函数性能恢复模型

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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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同方期刊数据库

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软土隧道基于地震响应的输入地震动排序

地震学报 2022年第1期44卷 123-131页

作者：禹海涛李晶王祺同济大学地下建筑与工程系上海200092

为探讨“最不利地震动”概念在地下结构抗震设计中的适用性,以软土地铁区间隧道为对象建立相应的地层-结构动力分析模型.以直径变形率为分析指标,基于动力时程方法研究18条不同输入地震动作用下隧道结构动力响应的分布及差异性,得出基... 详细信息

为探讨“最不利地震动”概念在地下结构抗震设计中的适用性,以软土地铁区间隧道为对象建立相应的地层-结构动力分析模型.以直径变形率为分析指标,基于动力时程方法研究18条不同输入地震动作用下隧道结构动力响应的分布及差异性,得出基于隧道地震响应的输入地震动排序,并通过调幅手段对比分析了地面峰值加速度(PGA)和隧道埋深变化对隧道结构地震动响应排序的影响规律.最后,评价了不同输入地震动参数,包括峰值加速度、峰值速度、峰值位移、绝对累积速度(CAV)和阿里亚斯(Arias)强度(I_(A))与隧道地震响应之间的相关性.分析结果表明:(1)随着PGA从0.5 m/s^(2)增加到2 m/s^(2),地震动排序发生明显变化,并且不同输入地震动引起的隧道地震响应差异显著提高,最不利地震动引起的直径变形率与平均值的比值从1.1增加到1.9;(2)隧道从浅埋到深埋的过程中,地震动排序结果基本保持不变;(3)PGA为2 m/s^(2)时,隧道地震响应与基岩面峰值速度(PBV)的相关性最好,相关系数达到0.94,其次是与基岩面峰值位移(PBD)和I_(A),相关系数分别为0.62和0.48,相关性最差的是基岩面峰值加速度(PBA)和CAV,相关系数仅为0.37和0.22.研究结论可为今后软土隧道的输入地震动选择提供科学依据.

关键词：地下结构输入地震动地震响应最不利地震动相关性分析

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

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长大隧道地震响应分析与试验方法新进展

中国公路学报 2018年第10期31卷 19-35页

作者：禹海涛袁勇同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

隧道抗震研究是当今地下工程防灾领域重要的研究方向之一。目前在隧道发展建设规模化、结构空间尺度大型化和局部节点构造形式复杂化的新形势下,针对长大隧道抗震研究所面临的纵向抗震设计理论、大规模地震响应分析方法、非一致地震激... 详细信息

隧道抗震研究是当今地下工程防灾领域重要的研究方向之一。目前在隧道发展建设规模化、结构空间尺度大型化和局部节点构造形式复杂化的新形势下,针对长大隧道抗震研究所面临的纵向抗震设计理论、大规模地震响应分析方法、非一致地震激励效应等科学难题,在分析国内外隧道抗震研究现状的基础上,聚焦基础设施建设的重大需求,系统阐述长大隧道地震响应分析与试验方法新进展。介绍面向长大隧道纵向抗震设计的几种简化分析模型,推导任意动载作用下长大隧道纵向动力响应解析解,退化出行波效应下长大隧道纵向响应的理论解,直观地给出各参数之间相互关联的解析表达,并基于多质点-弹簧-梁模型进一步提出面向长大隧道纵向抗震设计的快速简化分析方法;建立长大隧道-地层大规模地震响应模拟的多尺度动力耦合分析方法,同时获得隧道-地层的整体宏观响应与隧道各组件细观动态演化,且不需要任何附加过滤和阻尼即可有效消除宏-细观多尺度界面的高频波虚假反射;提出长大隧道多点非一致激励振动台模型试验方法,推导模拟基岩面多个离散输入与连续输入的关联性,研制节段型模型箱及其联动装置,构建振动台阵多个独立台面分区多点输入的非一致激励隧道地震试验平台。以港珠澳大桥沉管隧道等实际重大工程为应用案例,阐述所建立长大隧道非一致地震响应分析原理和试验方法的适用性。最后介绍隧道关键节点的减震控制方法。研究结果在一定程度上反映了目前长大隧道纵向抗震设计和分析的发展水平,同时也为今后抗震工作的研究重点指明了方向。

关键词：隧道工程地震响应综述动力分析振动台试验减震控制