断层粘滑及近场地震动作用下公路隧道结构力学行为研究

摘要

我国境内具有复杂、活跃的板内构造，本地区地震活动大多与板内的活动断层有关，其触发机制多为地壳内部震源断层的粘滑行为。震源断层发震时会造成地表岩土层沿断层面产生脆性破裂形成地震断层，长久以往近场区域还会伴有若干断层、断层破碎带等特殊地质构造;另外，震害调研以及地震工程学研究成果反应近断层地震动具有速度脉冲、竖向分量效应等特征，其对结构物的影响明显区别于远场地震动。随着各地建设规划的实施，难免有地处震源断层场地区域的隧道工程，因此对于近场区域的隧道结构而言有不可小觑的安全隐患，本文便着手断层粘滑作用下跨地震断层公路隧道的破坏机理和近场地震动作用下穿越断层破碎带公路隧道的动力响应两方面开展了如下工作:
　　(1)以龙门山断裂为背景，基于速率弱化摩擦本构定义震源断层非线性接触关系，以模拟断层粘滑时刻的破裂行为，并利用Burgers粘弹性本构定义地壳岩石圈的流变属性，通过施加板块的挤压(拉伸)速率进行逆断层(正断层)粘滑过程的数值模拟，同时对比计算了多种板块运动速率下断层产生粘滑作用的差异。其次，建立了水平面内的走滑断层数值计算模型，采用同样的方法模拟走滑断层的粘滑过程。最终，得到三种形式断层粘滑作用时的关键参数特征曲线，作为下一步研究的基础。
　　(2)建立一正向穿越倾角60°地震断层的公路隧道三维有限元模型，将(1)中获得的断层粘滑时刻上下盘的相对位移时程施加到三维计算模型中，通过扩展有限元理论获得不同地层条件的逆断层、正断层、走滑断层粘滑作用下衬砌开裂的力学行为和破坏机理。
　　(3)建立赋存于近断层场地、穿越断层破碎带隧道结构三维有限元模型，定义混凝土结构的弹塑性本构，对比相同峰值加速度的共4条近场、非近场地震波作用下隧道结构的动力响应差异，以评价近断层地震动的速度脉冲对穿越断层破碎带隧道的动力效应;保持水平向输入集集地震波，定义竖向与水平向峰值向加速度比λ，对竖向地震分量作用下穿越断层破碎带隧道结构的动力响应特征进行分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 震源断层地震活动

1．2．2 断层错动荷载对隧道结构的影响

1．2．3 跨断层隧道结构的地震动力分析

1．3 研究内容

第2章 震源断层地震活动及近断层地震动特征概述

2．1 断层、活断层、震源断层、地震断层

2．2 震源断层地震活动力学机制

2．2．1 简化理论分析模型

2．2．2 弹簧-滑块模型

2．2．3 流体运动断层阀模型

2．2．4 简谐边界作用力模型

2．3 近断层地震动特征

2．3．1 上盘效应

2．3．2 速度脉冲效应

2．3．3 竖向分量效应

2．4 本章小结

第3章 基于龙门山断裂的震源断层粘滑过程数值模拟

3．1 龙门山断裂的地质背景及地震活动情况

3．1．1 龙门山断裂的地质构造

3．1．2 龙门山断裂的粘滑形态及震后地表破裂变形情况

3．2 震源断层粘滑过程数值模拟方法

3．2．1 断层面摩擦本构

3．2．2 地壳岩石圈流变本构

3．3 计算模型及相关参数

3．3．1 逆断层、正断层计算模型

3．3．2 走滑断层计算模型

3．4 逆断层粘滑过程

3．4．1 各挤压速率下逆断层粘滑过程分析

3．4．2 逆断层粘滑时刻关键参数特征曲线

3．5 正断层粘滑过程

3．5．1 各拉伸速率下正断层粘滑过程分析

3．5．2 正断层粘滑时刻关键参数特征曲线

3．6 走滑断层粘滑过程

3．6．1 各地壳深度下走滑断层粘滑过程分析

3．6．2 走滑断层粘滑时刻关键参数特征曲线

3．7 本章小结

第4章 断层粘滑作用下跨地震断层隧道衬砌的开裂行为

4．1 基于扩展有限元方法的混凝土材料裂缝扩展理论

4．2 计算模型

4．3 逆断层粘滑作用下衬砌的开裂行为

4．3．1 衬砌开裂过程分析

4．3．2 衬砌开裂及裂缝扩展的机理分析

4．3．3 逆断层粘滑作用下隧道结构的力学行为

4．4 正断层粘滑作用下衬砌的开裂行为

4．4．1 衬砌开裂过程分析

4．4．2 衬砌开裂及裂缝扩展的机理分析

4．4．3 正断层粘滑作用下隧道结构的力学行为

4．5 走滑断层粘滑作用下衬砌的开裂行为

4．5．1 衬砌开裂过程分析

4．5．2 衬砌开裂及裂缝扩展的机理分析

4．5．3 走滑断层粘滑作用下隧道结构的力学行为

4．6 三种断层类型的对比总结

4．7 本章小结

第5章 近场地震动下穿越断层破碎带隧道结构的动力响应分析

5．1 数值计算准备工作

5．1．1 计算模型

5．1．2 地震波选取

5．2 近场速度脉冲地震效应

5．2．1 加速度响应

5．2．2 衬砌的应变分析

5．3 近场竖向地震动效应

5．4 本章小节

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目