描述一场地震动,常见的数字有最大加速度、最大速度和最大位移。它们像从不同角度拍下的照片,各自突出一种特征。对跨断层隧道来说,周围岩土的相对运动会直接拉扯衬砌,哪类指标更能对应隧道的变形需求?

先让隧道模型经历真实的相对运动

论文通过振动台试验,比较传统衬砌与韧性衬砌跨断层隧道的响应,并分析多种地震动强度指标与应变之间的联系。试验中的传感器沿模型布置,用来记录输入和结构反应。

埋地隧道被周围岩土包围,它的局部变形与沿线运动差密切相关。两个位置一起平移,与两个位置相互错开,即使某些绝对运动指标接近,也会给衬砌带来不同的拉压和剪切需求。

隧道应变可以用一根埋在土中的长软管来想象:整片土一起移动时,软管更多随之平移;相邻土体运动不同步时,软管才会被明显拉伸、压缩或扭剪。跨断层场景中,振动与不均匀位移共同存在,输入的绝对峰值只能描述其中一部分。论文因此把多类强度指标与实测应变逐一对应,寻找能够更好表征这种牵动关系的量。

传统与韧性跨断层隧道模型及测点布置。沿线测量使输入运动与衬砌变形能够相互对应。
图 1|传统与韧性跨断层隧道模型及测点布置。沿线测量使输入运动与衬砌变形能够相互对应。 来源:原论文图。

把位移与速度放在一起看

研究发现,相对变形相关特征对解释隧道应变很重要。峰值位移与峰值速度的比值 PGD/PGV,提供了一个与运动时间尺度有关的量,能够帮助区分不同输入对隧道变形的影响。

在论文的试验数据中,将该比值与其他位移相关指标组合,能够改善与结构应变的关联。原图用一组相关性对照呈现不同指标的表现。读图时,重点是比较哪些描述方式更贴近试验响应,以及传统和韧性衬砌之间是否呈现相似规律。

PGD 的单位是长度,PGV 的单位是长度除以时间,因此 PGD/PGV 具有时间量纲。这个比值把位移幅度与速度水平联系起来,提供了运动尺度的信息。研究进一步将它与位移相关指标组合,是为了同时描述运动的特征和幅度。图中的关联性比较展示了组合之后的变化:更贴近结构变形机制的描述,能够更好地把不同输入工况与衬砌应变联系起来。

不同强度指标与响应关联性的对照。比较各指标及其组合的表现,可以判断哪些地震动特征更贴近试验中的隧道应变。
图 2|不同强度指标与响应关联性的对照。比较各指标及其组合的表现,可以判断哪些地震动特征更贴近试验中的隧道应变。 来源:原论文图。

让强度指标对准结构关心的东西

韧性措施改变了响应幅值,而试验中强度指标与响应之间的主要关联规律仍具有共同特点。这说明识别有效的地震动特征,可以帮助不同衬砌方案进行更有针对性的比较。

这项研究将“地震有多强”具体化为“哪些运动特征更容易让隧道变形”。面向跨断层隧道的选波、试验和评估,结合相对运动与时间尺度,有助于把输入描述与实际结构需求连接起来。

试验中同时比较传统和韧性衬砌,使研究能够观察两个层次:一是结构措施怎样改变响应水平,二是输入特征与响应之间的关系是否随结构形式改变。两类衬砌呈现的共同关联,为建立面向隧道的输入描述提供了依据。后续选取试验地震动或组织性能评估时,就可以把这些特征纳入筛选,让所选输入更有针对性地覆盖隧道可能经历的变形需求。