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地震作用下立体交叉下穿隧道动力响应振动台试验研究

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岩石力学与工程学报 2021年第1期40卷 88-100页

作者：牌立芳吴红刚中国铁道科学研究院北京100081 中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州730000 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室甘肃兰州730000 中国中铁滑坡工程实验室甘肃兰州730000

随着国家路网的不断建设与规划,大量铁路隧道或公路隧道近接平行、交叉等工程现象不断涌现,受地形、地质条件以及线路走向等因素的限制,隧道近接交叉的工程问题越来越复杂。以立体交叉草莓沟1#隧道和盘道岭隧道为例,着重选取盘道岭隧道... 详细信息

随着国家路网的不断建设与规划,大量铁路隧道或公路隧道近接平行、交叉等工程现象不断涌现,受地形、地质条件以及线路走向等因素的限制,隧道近接交叉的工程问题越来越复杂。以立体交叉草莓沟1#隧道和盘道岭隧道为例,着重选取盘道岭隧道(下穿隧道)为研究对象进行振动台试验,重点分析受上跨隧道影响,超小净间距小角度立体交叉下穿隧道拱顶、仰拱断面的加速度和应变动力响应特征。在此基础上,以该场区沿线地震动峰值加速度0.15 g加载工况为依据,对环向最大地震应变规律进行分析,根据有效频率加速度计的范围和输入的功率谱振幅,利用SPECTE反应谱分析程序,对交叉中心拱顶和仰拱位置的加速度反应谱的分布规律进行对比分析和研究。试验结果表明:(1)受立体交叉隧道空间位置影响,超小净间距小角度立体交叉下穿隧道拱顶加速度时程和频谱较仰拱整体响应大,受振有效持续时间较长,空间分布表现为拱顶幅值反响突出的特点。(2)拱顶峰值加速度响应具有叠加效应,其加速度峰值比率表现为明显的非线性、非平稳性增大的特点,地震烈度越高,应变响应越大,拱顶破坏模式表现为交叉段–河侧–山侧的传递演化形式。(3)随着输入地震波增强,隧道仰拱动应变和加速度峰值比率增长变化表现出局部变化性质。(4)隧道围岩对地震波的高频段存在滤波作用,对隧道结构影响较大卓越主频段集中在1~10和11~20 Hz两个低频段,主频段卓越频率的取值为5,12.5 Hz。(5)不同地震烈度时,各特征点处应变峰值大小依次为:拱顶>仰拱>河侧拱腰>山侧拱腰,加速度响应的卓越频率与速度、位移响应三者之间受基频和阻尼影响,从而产生时间和空间等的差异变化,宜鼓励设计过程中提高该隧道的阻尼结构性能,阻尼比建议值取为20%。研究结果可为立体交叉隧道的抗震设计提供一定的理论指导。

关键词：隧道工程立体交叉隧道振动台试验加速度响应应变响应

地震作用隧道正交下穿滑坡体衬砌结构的动力响应试验研究

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岩石力学与工程学报 2022年第5期41卷 979-994页

作者：牌立芳吴红刚中国铁道科学研究院北京100081 中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州730000 中国中铁滑坡工程实验室甘肃兰州730000 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室甘肃兰州730000

随着我国交通干线穿越复杂艰险山区,越来越多的隧道建造在西部高烈度区,常常面临隧道下穿滑坡问题,潜在地震引发坡体病害地段隧道变形问题成为该地区交通隧道运维面临的重大隐患之一。以正交型隧道下穿滑坡为典型案例,首次开展振动台试... 详细信息

随着我国交通干线穿越复杂艰险山区,越来越多的隧道建造在西部高烈度区,常常面临隧道下穿滑坡问题,潜在地震引发坡体病害地段隧道变形问题成为该地区交通隧道运维面临的重大隐患之一。以正交型隧道下穿滑坡为典型案例,首次开展振动台试验,测试得到不同概率水平地震作用特征图像、加速度、动土压力和动应变等多属性地震数据信息。通过模型变形特征、加速度、动土压力和动应变时域特性分析,揭示衬砌结构区域性空间动力响应特征。基于多属性地震数据综合分析,获得多属性数据之间时频变化关系及频谱定量化表征损伤水平的相关性。结果表明:(1)地震作用下,加速度、动土压力和动应变多属性数据敏感度存在较大差异,动土压力时程效应最敏感,动应变相比加速度时程存在明显的滞后效应。(2)限于隧道下穿滑坡空间位置关系和地震效应影响,衬砌破坏部位存在区域性差异,仰拱开裂成为薄弱区。(3)动土压力呈现2次间歇性跳跃,衬砌变形主要由动土压力的第一个波形控制,在其作用时间内,衬砌塑性变形完成,二次波峰引起隧道衬砌产生残余动土压力。(4)多属性数据信号频域内卓越频率主要集中在1~10 Hz,但各自的主导频率差异显著,低频段-高频段奇异的大小分界线为10 Hz,在15~20 Hz频率段结构物较为安全。(5)地震作用多属性数据响应变量之间均呈正相关关系,加速度与动土压力响应之间具有高度相关度,地震动加速度与动应变响应之间相关关系较弱,呈显著相关。研究成果可为高烈度地震区正交型隧道-滑坡的变形破坏模式预测及工程安全评价提供理论参考。

关键词：隧道工程正交型隧道-滑坡体系地震作用振动台试验多属性地震数据相关性小波变换

拉林铁路变坡面倾角崩塌落石对桥梁结构破坏作用的模拟分析与试验研究

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岩石力学与工程学报 2020年第8期39卷 1622-1633页

作者：王翔牌立芳吴红刚北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州730000 中国铁道科学研究院北京100081 西部环境岩土与场地修复技术工程实验室甘肃兰州730000 中国中铁滑坡工程实验室甘肃兰州730000

崩塌落石其性质结构复杂、作用因素多样,仍存在众多难题尚未解决,特别是铁路桥梁工程受崩塌落石冲击后的动力响应是当下尚未解决的关键难题之一。本文以拉林铁路某段桥梁工程典型工点为例,运用Rocfall仿真计算,着重就同一结构面不同坡... 详细信息

崩塌落石其性质结构复杂、作用因素多样,仍存在众多难题尚未解决,特别是铁路桥梁工程受崩塌落石冲击后的动力响应是当下尚未解决的关键难题之一。本文以拉林铁路某段桥梁工程典型工点为例,运用Rocfall仿真计算,着重就同一结构面不同坡面倾角岩体崩塌落石运动过程对桥梁结构破坏作用产生的平动速度、弹跳高度、总动能等进行动态变化分析,基于上述分析,结合模型试验加速度响应测试,利用SPECTR计算程序对其加速度、速度和位移动力反应谱特性进行分析评价。研究结果:(1)危岩落石运动方式主要与坡面倾角的大小有关,坡面倾角较大,落石从坡面以滚落运动为主;坡面倾角较小,落石从坡面以滑落运动为主。(2)危岩落石受到动摩擦力作用、恢复系数的影响,在每次撞击混凝土桥面的过程中速度都会呈非线性减小。(3)岩体崩塌落石对结构物撞击产生较大的短时加速度脉冲效应,当结构物基频相同时,落石从坡面运动的空间变化是引起振动特性响应差异显著的主要因素。(4)速度响应时程曲线近似呈"余弦"型,总体上表现出随着时间增加呈现非线性增减变化,且大角度坡面倾角其速度响应峰值略大于小角度坡面倾角,落石对结构物的撞击时间效应与坡面倾角相关,坡面倾角越大,触发时间效应越明显,受振有效持续时间越久。(5)阻尼比取值介于10%~20%时,反应谱曲线衰减幅度最为显著,介于30%~40%时,加速度反应谱曲线表现明显分异,设计宜鼓励增大桥梁的柔性抗冲击性能。上述研究成果,对于新建川藏铁路山区桥梁基础施工具有工程指导意义。

关键词：工程地质铁路桥梁工程崩塌落石 Rocfall 物理模型试验 SPECTR 时程分析反应谱特性

地震作用下多锚点桩加固土质边坡的抗震优化对比振动台试验研究

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岩石力学与工程学报 2021年第4期40卷 751-765页

作者：牌立芳吴红刚马惠民中国铁道科学研究院北京100081 中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州730000 中国中铁滑坡工程实验室甘肃兰州730000 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室甘肃兰州730000 中铁科学研究院有限公司四川成都610000

为了研究地震作用下多锚点桩加固边坡的加速度和动土压力响应的分布特征和空间变化规律,探讨多锚点桩优化抗震性能,利用大型振动台试验,通过多锚点桩边坡模型稳定性、加速度和动土压力时域特性初步分析得到沿桩身高程不同位置的区域性... 详细信息

为了研究地震作用下多锚点桩加固边坡的加速度和动土压力响应的分布特征和空间变化规律,探讨多锚点桩优化抗震性能,利用大型振动台试验,通过多锚点桩边坡模型稳定性、加速度和动土压力时域特性初步分析得到沿桩身高程不同位置的区域性空间分布特征;基于上述分析运用傅里叶变化和统计学概率散点矩阵运算获得定量化表征多锚点桩加固边坡损伤水平的相关性;进而利用SPECTR计算取得多锚点桩边坡模型优化与否地震动变形破坏位移值Sd的区域性差异。结果表明:(1)在不同地震强度作用下,边坡模型表现出区域性损伤破坏的空间耦合变形连续效应,加速度和动土压力幅值空间分布表现出桩身结构物未优化侧幅值反响突出的特点。(2)加速度沿高程存在加速度滞后的差异主要是主震后的传播阶段造成的,桩身在同一震区发生前的各组地震动土压力和加速度响应之间的相关度极弱,前震的地震动特性亦并非各级地震动序列的简单重复叠加。(3)用聚苯乙烯泡沫(EPS板)作为减震层、消能弹簧作为改善锚头自协调装置优化的多锚点桩对地震作用下坡体变形起到缓冲和消能的作用,其优化效果与减震层的位置相关。(4)在低强和中强度地震作用下,锚头消能弹簧装置的可伸缩变形改善了多锚点桩身沿高程的变形协调性,可改善桩身的地震波传播特性。(5)高强度地震作用下,桩身滑面处对地震的敏感性强,EPS发生塑性变形,增大了优化侧相对位移值,易造成多锚点桩在滑面位置发生"鼓胀"破坏或者剪切破坏,容易成为多锚点桩的抗震薄弱环节。这些结果有助于为多锚点桩的优化抗震设计提供理论依据。

关键词：边坡工程振动台试验土–桩系统地震反应加速度响应动土压力响应损伤评价

微型桩加固土质边坡的加速度响应及其频谱特性研究

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铁道学报 2020年第3期42卷 129-138页

作者：武志信吴红刚赖天文牌立芳王飞兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070 中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州730030 中国中铁滑坡工程实验室甘肃兰州730030 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室甘肃兰州730030

通过大型振动台试验,对微型桩及桩间土的加速度峰值分布规律进行了分析,并利用小波包分析具有的频带划分均匀能力和时频局部化性质,对水平向加载的El-centro波进行了分解,从而对其频谱特性进行了研究。试验结果表明:(1)由于加速度沿高... 详细信息

通过大型振动台试验,对微型桩及桩间土的加速度峰值分布规律进行了分析,并利用小波包分析具有的频带划分均匀能力和时频局部化性质,对水平向加载的El-centro波进行了分解,从而对其频谱特性进行了研究。试验结果表明:(1)由于加速度沿高程放大效应的影响,微型桩及桩间土的加速度峰值往往在桩顶处达到最大值;(2)影响微型桩和桩间土加速度的主要频段为低频地震波即第一频带(0.10~6.26 Hz)及第二频带(6.26~12.51 Hz);(3)高频地震波作用下,滑体底部位置处桩间土的响应情况较微型桩来说更加强烈,而在桩底位置处后排微型桩的加速度响应更为强烈。在实际工程设计与施工中,应避免微型桩与第一频带及第二频带下的地震波发生共振,对加速度响应比较强烈的位置应重点关注。研究结果可以为同类地区治理类似滑坡提供抗震设计支撑。

关键词：土质边坡大型振动台试验小波包加速度峰值加速度频谱特性

陆路交通隧道-滑坡平行体系模型建立与试验验证

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铁道建筑 2018年第12期58卷 64-68页

作者：牌立芳赖天文吴红刚兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730000 中国中铁滑坡工程实验室甘肃兰州730000 中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州730000 西部环境岩土与场地修复技术省级实验室甘肃兰州730000

基于武罐(武都—罐子沟)高速公路圆台子隧道、宝兰客专洪亮营隧道典型工点,从中抽象出试验模型,定性分析隧道-滑坡平行体系单滑面情况下隧道纵向平行穿越滑坡体时,在隧道与滑移面相交区段坡体蠕滑对隧道的作用机制及隧道变形破坏模式。... 详细信息

基于武罐(武都—罐子沟)高速公路圆台子隧道、宝兰客专洪亮营隧道典型工点,从中抽象出试验模型,定性分析隧道-滑坡平行体系单滑面情况下隧道纵向平行穿越滑坡体时,在隧道与滑移面相交区段坡体蠕滑对隧道的作用机制及隧道变形破坏模式。通过模型试验建立了隧道-滑坡平行体系的力学简化三维图示。研究结果表明:滑坡推力的影响随着隧道距离滑带的远近而变化,在滑带处滑坡推力影响最为严重,隧道变形明显。所建立的力学简化模型对隧道-滑坡平行体系的进一步研究具有借鉴意义。

关键词：高速公路隧道滑坡平行体系力学模型模型试验三维图示滑坡推力滑带

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粗砂套壳料的袖阀管注浆场地试验研究

铁道标准设计 2020年第11期64卷 13-19页

作者：雷浩吴红刚牌立芳张少龙兰州交通大学土木工程学院兰州730070 中铁西北科学研究院有限公司兰州730070 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室兰州730070

袖阀管注浆过程中,套壳料的浇筑及养护是袖阀管注浆成功的关键。以陇海线某段铁路路基处理为依托,开展粗砂作为套壳料的改进袖阀管注浆场地试验研究。利用加速度及土压力在注浆过程中的响应测试,并通过试验后对袖阀管注浆周边土体进行... 详细信息

袖阀管注浆过程中,套壳料的浇筑及养护是袖阀管注浆成功的关键。以陇海线某段铁路路基处理为依托,开展粗砂作为套壳料的改进袖阀管注浆场地试验研究。利用加速度及土压力在注浆过程中的响应测试,并通过试验后对袖阀管注浆周边土体进行开挖解剖,以此对改进套壳料的袖阀管注浆加固效果进行评价。试验得出以下结论:(1)通过加速度及土压力响应可以看出,土体的扰动效应与测点至袖阀管桩底距离呈负相关,且在靠近袖阀管底处土压力和加速度响应最为强烈;(2)注浆完成后对周边土体进行下剖分析表明,在一定压力作用下,浆液劈裂土体后水平成层,劈裂浆脉呈现出"碗口状",且注浆完成后的袖阀管与劈裂浆脉形成"骨架"空间结构,提高了地基承载力,以此来达到加固路基的效果,验证了改进措施的有效性和可行性;(3)通过与传统套壳料的袖阀管注浆效果对比分析,表明粗砂作为套壳料时更易劈裂土体,浆液可以快速沿整个桩身扩散至土体,注浆效果明显,造价低且施工周期较短,能够较好地满足实际工程需要。

关键词：地基处理袖阀管注浆套壳料注浆场地试验动力响应

隧道-滑坡平行体系时间效应演化及变形破坏试验研究

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防灾减灾工程学报 2020年第1期40卷 100-106页

作者：牌立芳赵金吴红刚李玉瑞兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070 中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州730070 中国中铁滑坡工程实验室甘肃兰州730070 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室甘肃兰州730070

通过4组隧道-滑坡平行体系模型试验,研究在不同工况下隧道-滑坡相互作用下的时间效应和变形破坏模式。结果表明:(1)隧道-滑坡平行体系单滑面情况滑坡推力在滑体内产生一种应力临界状态,该应力临界状态是处于拉、压应力变化过渡的一种状... 详细信息

通过4组隧道-滑坡平行体系模型试验,研究在不同工况下隧道-滑坡相互作用下的时间效应和变形破坏模式。结果表明:(1)隧道-滑坡平行体系单滑面情况滑坡推力在滑体内产生一种应力临界状态,该应力临界状态是处于拉、压应力变化过渡的一种状态,有一个时间传递变化的过程,即时间效应。(2)桥隧搭接桩基础支撑结构较无支撑结构会加速应力临界过渡状态的时间效应。(3)滑坡体内的滑坡推力,最先引起滑带位置附近的土体达到应力临界过渡状态,随着时间的推移,这种临界状态逐步由滑坡体后缘向前缘移动,滑坡破坏面上的每一点的时间与应变关系均会呈现不同的"S"型曲线特征,对于整个滑体而言,滑面上每一点的时间与应变关系曲线,在不同时刻呈现不同的线型特征。(4)桥隧搭接桩基础支撑结构较无支撑结构会延缓隧道模型的破坏,使得破坏断裂面向基岩内部延伸,且作用效果显著,但隧道模型整体的破坏处于基岩内。

关键词：模型试验隧道-滑坡平行体系时间效应变形破坏

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不同结构面落石对坡面冲击的动力响应研究

铁道工程学报 2020年第7期37卷 13-17,28页

作者：吴红刚牌立芳王飞庞伟军董占林中铁西北科学研究院有限公司兰州730000 中国铁道科学研究院北京100081 兰州交通大学兰州730070 中国中铁滑坡工程实验室兰州730000 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室兰州730000

研究目的:随着高速铁路网加密,线路穿高山越峡谷已成为常态,时常面临危岩体威胁施工和运营安全.由于落石灾害所特有的高速运动冲击能量和多发性,受不同地质营力产生的崩塌落石影响各异,因此,亟需开展不同结构面落石的影响研究.本文以西... 详细信息

研究目的:随着高速铁路网加密,线路穿高山越峡谷已成为常态,时常面临危岩体威胁施工和运营安全.由于落石灾害所特有的高速运动冲击能量和多发性,受不同地质营力产生的崩塌落石影响各异,因此,亟需开展不同结构面落石的影响研究.本文以西南某在建铁路斜坡为原型,建立试验模型,沿坡面布置加速度传感器,通过不同结构面不同形态的危岩体对坡面的碰撞试验,分析坡面不同位置的加速度响应的时程和频谱特性,进而得出不同结构面危岩落石对坡面冲击的不同作用影响.研究结论:(1)不同结构面天然块石从无初速度释放,在坡上的运动方式主要为滚动~跳跃式,停留和滚出集中于平台44~88 cm之间;(2)在离坡脚最远的平台1#测点虽然峰值较高但是同样衰减也较快,坡脚测点为加速度响应持续时间最长、衰减较为缓慢的区域,为受撞击的薄弱点,当坡脚有构筑物时,尤其要加强防治危岩落石,减少对坡脚的冲击作用,进而减少对构筑物的影响;(3)滚石对坡面撞击形成的加速度波为低频波,试块"A"能量占比超过95%,主振频带为第一频带(0~6.25 Hz);(4)本研究成果可为西部山区高陡边坡的落石影响区线路设计提供相应的理论依据.

关键词：铁路工程危岩落石模型试验坡面冲击加速度响应