英语原文共 17 页

Tsinidis, G. et al. (2015). Geacute;otechnique 65, No. 5, 401–417 [http://dx.doi.org/10.1680/geot.SIP.15.P.004]

灵活方形隧道的动态响应：离心机测试和现有设计方法的验证

G. TSINIDIS缸, K. PITILAKIS缸, G. MADABHUSHIdagger; and C. HERONdagger;

在嵌入Hostun干砂中的柔性铝质方孔隧道模型上进行了一系列动态离心机试验。测试在剑桥大学的离心机设施进行，以进一步提高有关矩形嵌入式结构的地震响应的知识，并校准目前可用的设计方法。土壤隧道系统响应记录了广泛的仪表阵列，包括微型加速度计，压力传感器和位置传感器以及应变仪，记录隧道衬砌内力。通过耦合土 - 隧道系统的全动态时程分析对数值进行了数值分析。将数值预测与实验数据进行比较，以验证数值模拟的有效性。对实验和数值结果的解释揭示了以下发现：（a）除了货架之外的模型隧道的摇摆响应; （b）隧道侧墙上的残余土压力; （c）振动后的残余内力，随着隧道的弹性而放大。最后，校准的数值模型用于验证工程实践中使用的简化设计方法的准确性。

关键词：离心机建模;地震; 数值模拟; 土壤/结构相互作用; 隧道和隧道

INTRODUCTION

1. 最近的地震事件表明，软土中的地下结构可能遭受严重破坏甚至崩塌（Dowding＆Rozen，1978; Sharma＆Judd，1991; Iida等，1996; Kawashima，2000; Wang等，2001; Kontoe等人，2008）。这些失败增加了对进一步研究这些类型结构的地震响应的兴趣。通常，嵌入式结构的地震响应与地上结构的地震响应非常不同，因为周围土壤引起的运动载荷优于结构本身振荡产生的惯性载荷（Kawashima，2000）。此外，大型嵌入式结构通常是刚性结构，以承受静态载荷。因此，在地震震动期间，结构与周围土壤之间会产生强烈的相互作用，特别是对于矩形截面的结构。这些相互作用主要受两个关键参数的影响，即：（a）土壤结构相对柔韧性和（b）土壤结构界面特征。通常，两者都随着地震激励的幅度而变化，因为它们取决于土壤剪切模量和强度，其与地面应变和土壤的非线性行为有关。 文献中有几种方法可用于评估地震作用下地下结构和隧道的响应（例如St John＆Zahrah，1987; Wang，1993; Penzien，2000; AFPS / AFTES，2001; Hashash等，2001） ; ISO，2005; Anderson等，2008; FHWA，2009）。这些方法的结果可能会偏离，即使在相同的设计假设下，特别是在矩形结构（例如切割和覆盖隧道）的情况下，由于固有的认知不确定性和关于显着影响地震响应的一些关键问题的知识缺陷（ Pitilakis＆Tsinidis，2014）。除了其他问题之外，沿着嵌入结构的周边的地震土压力和剪切应力分布以及在矩形横截面（例如摇摆和向内变形）的摇动期间的复杂变形模式仍未完全理解。

知识的不足促成了一系列实验（例如Chou等，2010; Shibayama等，2010; Chian＆Madabhushi，2012; Cilingir＆Madabhushi，2011a，2011b，2011c; Lanzano等，2012; Chen等。，2013），数字（例如Anastasopoulos等，2007,2008; Amorosi＆Boldini，2009; Anastasopoulos＆Gazetas，2010; Kontoe等，2011; Lanzano等，2014）和分析（例如，Huo等人） 。，2006; Bobet等，2008; Bobet，2010）近年来的研究，研究地震震动和地震引起的地面破坏（例如液化）对嵌入式结构响应的影响。在某些情况下，通过比较方法的结果（例如隧道扭曲或动态内力）来研究不同设计方法的效率（例如Hashash等，2005,2010; Kontoe等，2014） 。

Manuscript received 31 March 2014; revised manuscript accepted 23 December 2014. Published online ahead of print 20 March 2015.

Discussion on this paper closes on 1 October 2015, for further details see p. ii.

缸 Department of Civil Engineering, Aristotle University, Thessalon-

iki, Greece.

dagger; Schofield Centre, University of Cambridge, Cambridge, UK.

本研究提出了一系列动态离心机试验，这些试验是在嵌入干砂中的柔性铝方形隧道模型上进行的。土壤隧道系统响应记录了广泛的仪表阵列，包括微型加速度计，压力传感器和位置传感器，以及应变仪，记录隧道衬砌内力。通过耦合土 – 隧道系统的全动态时程数值分析，对测试案例进行数值分析。将数值预测与实验数据进行比较，以验证数值模拟的有效性。校准的数值模型最终用于验证工程实践中可用的简化设计方法的准确性。

动态离心机测试

该试验在剑桥大学（Schofield，1980）的10米直径Turner射束离心机上以50g的离心加速度（比例因子n 1/4 50）进行。使用大型等效剪切梁（ESB）容器来容纳模型（Zeng和Schofield，1996）。表1总结了用于将测量量从模型转换为原型尺度的比例定律（Schofield，1981）。

土壤沉积物由均匀的Hostun HN31砂制成，相对密度为90％。砂的物理和机械性质总结在表2中。使用自动料斗系统（Madabhushi等，2006）分层进行浇砂，而模型隧道和仪器在施工期间正确定位。

模型隧道采用6063A铝合金制造，宽100毫米，长220毫米，衬里厚度为2毫米（图1（a））。表3列出了铝合金的力学性能。根据比例系数，该模型对应于5 3 5（m）方形隧道，其等效混凝土衬砌厚度等于0.13 m（假设E c 1/4 30） GPa为混凝土）。这种厚度在实践中显然是不现实的，因为静态载荷的设计分析将导致更厚的衬里。然而，这种选择是为了研究高柔韧性对隧道响应的影响，以及获得衬里弯曲和轴向应变的清晰测量。为了更真实地模拟土壤 - 隧道界面，将沙子粘在模型隧道的外表面上，形成粗糙的表面。在隧道的两端放置两个聚四氟乙烯（PTFE）矩形板，以避免沙子进入隧道。这些板比模型隧道略大，通过穿过隧道的杆相互连接（图1（b））。

401

402 TSINIDIS, PITILAKIS, MADABHUSHI AND HERON

Table 1. Centrifuge scaling laws (Schofield, 1981)

Table 2. Hostun HN31 physical and mechanical properties

Table 3. Model tunnel mechanical properties

实施了一个密集的仪器阵列来监测土壤隧道响应（图2）。微型压电加速度计用于测量土壤，隧道和容器上的加速度。使用线性可变差动变压器（LVDT）在两个位置记录土壤表面沉降，同时将两个位置传感器（POT）附接到隧道壁的上边缘以捕获模型隧道的垂直位移和可能的摇摆。 LVDT和POT都连接到在ESB容器上方运行的龙门架上。两个微型总土压力传感器（PC）连接到隧道的左侧壁，允许测量墙上的土壤土压力。将应变计连接到隧道的内外表面，以测量几个位置处的衬里弯矩和轴向力（图2）。不幸的是，在测试期间，屋顶板（SG-B3）中间的弯矩应变计发生故障。所有仪器在测试前都经过适当校准，并在测试后进行检查。使用Tsinidis等人中概述的程序仔细校准应变仪的静态加载模式。 （2014A）。在离心机的摆动期间以4kHz的采样频率记录数据，并且在摇动期间以4kHz记录数据。

通过存储的角动量致动器在容器基座处提供动态输入，该致动器被设计成应用正弦或正弦扫描小波（Madabhushi等，1998）。该模型在两次飞行中共遭受8次地震：EQ1至EQ5在第一次飞行中被发射，而EQ6至EQ8在随后的飞行中被发射。图3显示了输入运动时间历史，而表4列出了它们的特征。在每次飞行过程中，离心机逐步旋转直至50g，然后连续发射地震，在它们之间留出一些时间来获取数据。

PTFE plate

PTFE plate

• 1. (b) (c)

Fig. 1. (a) Model tunnel; (b) model tunnel placement in the equivalent shear beam container; (c) completed model in the equivalent shear beam container

DYNAMIC RESPONSE OF FL

资料编号：[3739]