This paper describes earthquake response of the Arhavi Highway Tunnel its geometrical properties, 3D finite element model and the linear time history analyses under a huge ground motion considering soil-structure interaction. The Arhavi Highway Tunnel is one of the tallest tunnels constructed in the Black Sea region of Turkey as part of the Coast Road Project. The tunnel has two tubes and each of them is about 1000 m tall. In the study, lineartime history analyses of the tunnel are performed applying north-south, east-west and up accelerations components of 1992 Erzincan, Turkey ground motion. In the time history analyses, Rayleigh damping coefficients are calculated using main natural frequency obtained from modal analysis. Element matrices are computed using the Gauss numerical integration technique. The Newmark method is used in the solution of the equation of motion. Because of needed too much memory for the analyses, the first 10 second of the ground motions, which is the most effective duration, is taken into account in calculations. The results obtained 3D finite element model are presented. In addition, the displacement and stress results are observed to be allowable level of the concrete material during the earthquakes.
Lining이 타설되기 이전의 unlink 안정 문제를 야기시킬 수 있으며 이 구조물의 역학적 상호작용에 관한 unlined 터널의 3차원적 거동에 관한 원 탄소성 유한요소해석 프로그램을 기초의 극한 지지력, 지반과 터널주컴퓨터 해석 결과를 고찰하여 정방형 unlined 터널은 기초의 극한 지지력을 기초의 형상이나 근입깊이 등에 의해 치하는 터널은 터널의 축방향으로 발생하는 응력의 크기는 정방형 기초 위치와 음력의 종류에 따라 다른 것으로 상호작용의 정도에 따라 다름을 볼 수 있었다.
The interaction between ground water and structure is complicated behavior which cannot be easily investigated In the laboratory and monitored in the fields. In this study numerical simulation of the interactive behavior was performed using sophisticated coupled-finite element method. Hydraulic behavior of structure is modeled using solid elements with finite Permeability. Recovery of ground water table in the long-term is considered by controlling hydraulic boundary conditions. The results showed that the interaction effect is significant. Particularly non-symmetry in the lining permeability resulted in highly unbalanced pore water pressure which may cause detrimental effects on inner linings of tunnels acting as drains.
This paper investigates the effects of micro-tunneling on buried pipelines parametrically. A simplified numerical approach was developed and various parametric studies have been conducted to evaluate the effects of ground settlements on the response of buried pipelines. The controlled parameters included the pipe stiffness, ground loss magnitude, and pipe location with respect to a micro-tunnel. Maximum settlement and curvature along a pipeline have been investigated and compared among others for different conditions. In addition, the numerical results have been compared with a theoretical method by Attewell et al. (1986), which is based on a Winkler type linear-elastic solution. The comparison indicated that the response of buried pipes to micro-tunneling-induced ground settlements highly depends on the soil-pipe interaction including the separation and slippage of pipe from soil with the effects of the investigated parameters. Therefore, rather than using the theoretical method directly, it would be a better assessment of the response of buried pipelines to consider the soil-pipe interaction in more realistic conditions.
Huifang Li;Mi Zhao;Jingqi Huang;Weizhang Liao;Chao Ma
Earthquakes and Structures
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제24권1호
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pp.65-79
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2023
A simplified analytical solution for seismic response of tunnel cross section in horizontally layered ground subjected to oblique incidence of SH wave is deduced in this paper. The proposed analytical solution consists of two main steps: free-field response in layered field and tunnel response. The free field responses of the layered ground are obtained by one-dimensional finite element method in time domain. The tunnel lining is treated as a thick-wall cylinder to calculate the tunnel response, which subject to free field stress. The analytical solutions are verified by comparing with the dynamic numerical results of two-dimensional ground-lining interaction analysis under earthquake in some common situations, which have a good agreement. Then, the appropriate range of the proposed analytical solution is analyzed, considering the height of the layered ground, the wavelength and incident angle of SH wave. Finally, by using the analytical solutions, the effects of the ground material, burial depth of the tunnel, and lining thickness and the slippage effect at the ground-lining interface on the seismic response of tunnels are investigated. The proposed solution could serve as a useful tool for seismic analysis and design of tunnels in layered ground.
This research aimed at to develop a quantitative assesment technique which uses the measured displacements at the excavated plane during tunnel construction. Tunnel structure has a feature with long extents comparing to the excavated section so that the tunnel safety assesment is more effective by using the measured data of displacements. Tunnel structures show different structural behaviors due to the mechanical characteristics of ground and supports themselves, excavation methods and construction methods of supports, etc. From this point of view, it has very important meanings on the practical aspects that the measured data from the construction cite represent the features of the interaction effects between ground and supports as they are. In this study, both the stress state and the properties of surrounding ground are analyzed by newly incorporated feedback analysis technique which can use the measured displacements directly. Then, the stress state and the properties of ground will be used to obtain the strain distribution of surrounding ground. Finally the tunnel safety can be assessed by comparing the estimated strain through the analysis to the allowable strain of ground quantitatively.
There are obvious differences between the characteristics of offshore ground motion and onshore ground motion in current studies, and factors such as water layer and site conditions have great influence on the characteristics of offshore ground motion. In addition, unlike seismic response analysis of offshore superstructures such as sea-crossing bridges, tunnels are affected by offshore soil constraints, so it is necessary to consider the dynamic interaction between structure and offshore soil layer. Therefore, a seismic response analysis model considering the seawater, soil layer and tunnel structure coupling is established. Firstly, the measured offshore and different soil layers onshore ground records are input respectively, and the difference of seismic response under different types of ground motions is analyzed. Then, the models of different site conditions were input into the measured onshore bedrock strong ground motion records to study the influence of seawater layer and silt soft soil layer on the seabed and tunnel structure. The results show that the overall seismic response between the seabed and the tunnel structure is more significant when the offshore ground motion is input. The seawater layer can suppression the vertical seismic response of seabed and tunnel structure, while the slit soft soil layer can amplify the horizontal seismic response. The results will help to promote seismic wave selection of marine structures and provide reference for improving the accuracy of seismic design of immersed tunnels.
This paper presents analysis of the interaction between tunnel and Qanat with a particular interest for the optimization of Qanat shape using the discrete element code, PFC2D, and the results will be compared with the FEM results of PLAXIS2D. For these concerns, using software PFC2D based on Discrete Element Method (DEM), a model with dimension of 100m ⁎ 100 m was prepared. A circular tunnel with dimension of 9 m was situated 20 m below the ground surface. Also one Qanat was situated perpendicularly above the tunnel roof. Distance between Qanat center and ground surface was 8 m. Five different shapes for Qanat were selected i.e., square, semi-circular, vertical ellipse, circular and horizontal ellipse. Confining pressure of 5 MPa was applied to the model. The vertical displacement of balls situated in ground surface was picked up to measure the ground subsidence. Also two measuring circles were situated at the tunnel roof and at the Qanat roof to check the vertical displacements. The properties of the alluvial soil of Tehran city are: γdry=19 (KN/㎥), E= 750 (kg/㎠), ν=0.35, c=0.3(kg/㎠), φ=34°. In order to validate the DEM results, a comparison between the numerical results (obtained in this study) and analytical and field monitoring have been done. The PFC2D results are compared with the FEM results. The results shows that when Qanat has rectangular shape, the tensile stress concentration at the Qanat corners has maximum value while it has minimum value for vertical ellipse shape. The ground subsidence for Qanat rectangular shape has maximum value while it has minimum value for ellipse shape of Qanat. The vertical displacements at the tunnel roof for Qanat rectangular shape has maximum value while it has minimum value for ellipse shape of Qanat. Historical shape of Qante approved the finding of this research.
본 연구에서는 Terzaghi 수정표, Terzaghi 이론식과 본 논문에서 제안하고자 하는 지반-라이닝 상호 작용(Groundining Interaction) 모델을 적용하여 다양한 암반등급, 토피고 및 측압계수($K_0$)의 변화에 따라 콘크리트 라이닝에 작용하는 이완하중의 영향을 비교분석 하였다. 본 연구 결과, Terzaghi 수정표는 토피고와 측압계수의 영향을 반영할 수 없었으며 Terzaghi 이론식은 토피고와 측압계수의 영향은 적으며 연암 및 토사지반에서만 적용이 가능하였다. 지반-라이닝 상호작용(G.L.I) 모델은 다양한 암반등급에서 적용 가능할 수 있었으며 토피고와 측압계수의 영향까지도 고려할 수 있었다. 특히, G.L.I 모델은 Terzaghi 방법에 비해 풍화토 지반에서 최대 약 30% 정도의 이완하중 감소효과가 있었으며, 특히 40m이하 저토피와 측압계수 1.0이상일 경우 효과가 높았다.
In order to investigate the seismic behavior and seismic design methods in the transverse direction of a shield tunnel, a series of model shaking table tests and a two-dimensional finite element dynamic analysis on the tests are carried out. Two kinds of static analytical methods based on ground-tunnel composite finite element model and beam-spring element model are proposed, and the validity of the static analyses is verified by model shaking table tests. The investigation concerns the dynamic response behavior of a tunnel and the ground, the interaction between the tunnel and ground, and an evaluation of different seismic design methods. Results of the investigation indicate that the shield tunnel follows the surrounding ground in displacement and dynamic characteristics in the transverse direction; also, the static analytical methods proposed by the authors can be used directly as the seismic design methods in the transverse direction of a shield tunnel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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