On the seismic behaviour and design of tunnels

Abstract

This thesis investigates several aspects of the transversal seismic response of circular and rectangular tunnels subjected to ground shaking. In particular, a series of dynamic centrifuge tests that were carried out on a circular tunnel embedded in dry sand were numerically analyzed by means of full dynamic time history analysis. Additional analyses were conducted to investigate several crucial parameters on the response. The calibrated numerical models were then used for the validation of existing simplified analysis methods. Among the most interesting findings were the effects of the tunnel flexibility and the soil-tunnel interface characteristics on the soil yielding response around the tunnel that caused post-earthquake residual values on the dynamic lining forces. The simplified analyses either overestimated or underestimated the response compared to the dynamic analysis. As regards the rectangular tunnels, a series of dynamic centrifuge tests were performed on rectangular model tunnels in dry sand. Representative tests were numerically simulated, while additional analyses were performed to investigate the effects of crucial parameters. The calibrated numerical models were used for the validation of simplified analysis methods. The results revealed a racking-rocking deformation mode for the tunnels during shaking and a post-earthquake residual response for the soil-tunnel system due to the soil yielding that was amplified with the increase of the flexibility of the tunnel. Generally, the simplified analysis methods underestimated the response compared to the dynamic analysis. To extend the investigation of the response of rectangular tunnels, a numerical parametric study was also conducted. The effects of salient parameters on the complex deformation modes of tunnels were revealed, while several aspects of the response were further evaluated. Representative cases of this parametric study were implemented to the evaluation of analytical solutions that are used for the computation of the soil springs for tunnels. This procedure revealed that the solutions results may differ significantly from the actual soil stiffness. Finally, the effects of above ground structures on the dynamic response of shallow tunnels were investigated through a numerical parametric study. For the investigated cases, the results indicated an increase of the tunnel response, when the above ground structures were considered that was generally higher for shallow and stiff tunnels.

Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη της συμπεριφοράς κυκλικών και ορθογωνικών σηράγγων υπό σεισμική ταλάντωση στην εγκάρσια έννοια. Αναφορικά με τις κυκλικές σήραγγες, πραγματοποιήθηκε η αριθμητική ανάλυση μιας σειράς δυναμικών πειραμάτων φυγοκεντριστή σε δοκίμιο κυκλικής σήραγγας σε άμμο, ενώ εκτελέσθηκαν επιπρόσθετες αναλύσεις, ώστε να διερευνηθεί η επιρροή κρίσιμων παραμέτρων στη συμπεριφορά. Τα βαθμονομημένα προσομοιώματα χρησιμοποιήθηκαν για τη αξιολόγηση απλοποιημένων μεθόδων ανάλυσης. Μεταξύ άλλων, αναδείχθηκε η επιρροή της ευκαμψίας της σήραγγας, αλλά και των χαρακτηριστικών της διεπιφάνειας στην πλαστικοποίηση του εδάφους περιμετρικά της σήραγγας, η οποία οδήγησε σε παραμένουσες τιμές για τα εντατικά μεγέθη της σήραγγας. Οι απλοποιημένες μεθοδολογίες, άλλοτε υποεκτίμησαν και άλλοτε υπερεκτίμησαν την απόκριση σε σχέση με τη δυναμική ανάλυση. Σε ότι αφορά τις ορθογωνικές σήραγγες: εκτελέσθηκε μια σειρά πειραμάτων φυγοκεντριστή σε δοκίμια ορθογωνικών σηράγγων σε στεγνή άμμο. Αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις αναλύθηκαν αριθμητικά, ενώ αξιολογήθηκαν και απλοποιημένες μεθοδολογίες. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν μια σύνθετη διατμητική-λικνιστική παραμόρφωση των ορθογωνικών σηράγγων κατά την σεισμική ταλάντωση, καθώς επίσης και μια παραμένουσα συμπεριφορά του συστήματος σήραγγα-έδαφος, λόγω της πλαστικοποίησης του εδάφους, η οποία εμφανίστηκε πιο έντονα σε εύκαμπτες σήραγγες. Οι απλοποιημένες μεθοδολογίες, άλλοτε υποεκτίμησαν και άλλοτε υπερεκτίμησαν την απόκριση σε σχέση με τη δυναμική ανάλυση. Η σεισμική συμπεριφορά των ορθογωνικών σηράγγων διερευνήθηκε πιο διεξοδικά στο πλαίσιο μιας παραμετρικής αριθμητικής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την επιρροή κρίσιμών παραμέτρων στις σύνθετες μορφές παραμόρφωσης, καθώς επίσης και σε διάφορα χαρακτηριστικά της συμπεριφοράς. Αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις της παραμετρικής ανάλυσης χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση αναλυτικών λύσεων για τον προσδιορισμό της δυσκαμψίας εδαφικών ελατηρίων στην περίπτωση σηράγγων. Η διαδικασία, έδειξε ότι οι αναλυτικές λύσεις δύνανται να δώσουν αποτελέσματα αρκετά διαφοροποιημένα σε σχέση με την πραγματική εδαφική δυσκαμψία. Τέλος, διερευνήθηκε η επιρροή των υπέργειων κατασκευών στη σεισμική συμπεριφορά αβαθών σηράγγων, μέσω μια δεύτερης αριθμητικής παραμετρικής ανάλυσης. Για τις εξεταζόμενες περιπτώσεις, η θεώρηση των υπέργειων κατασκευών οδήγησε σε αύξηση της σεισμικής καταπόνησης των σηράγγων, με την επιρροή να είναι μεγαλύτερη στις περιπτώσεις αβαθών και δύσκαμπτων σηράγγων.