On the seismic behaviour and design of tunnels
Creators: name: Τσινίδης, Γρηγόριος Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Ορθογωνικές και κυκλικές σήραγγες
Σεισμική συμπεριφορά
Πειράματα σε φυγοκεντριστή
Αριθμητικές αναλύσεις
Rectangular and circular tunnels
Seismic behaviour
Dynamic centrifuge tests
Numerical analyses

description: Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη της συμπεριφοράς αβαθών σηράγγων σε εδαφικές αποθέσεις, οι οποίες υπόκεινται σε σεισμική ταλάντωση στην εγκάρσια έννοια. Η διερεύνηση, η οποία αφορά αμφότερες κυκλικές και ορθογωνικές σήραγγες, έγινε κάνοντας χρήση πειραματικών και αριθμητικών μεθόδων. Αναφορικά με τις κυκλικές σήραγγες, πραγματοποιήθηκε η αριθμητική ανάλυση μιας σειράς δυναμικών πειραμάτων φυγοκεντριστή τα οποία εκτελέστηκαν σε δοκίμιο εύκαμπτης κυκλικής σήραγγας εγκιβωτισμένης σε άμμο. Οι αναλύσεις των πειραμάτων έγιναν για διάφορες παραδοχές, αναφορικά με τη συμπεριφορά του εδάφους και της διεπιφάνειας σήραγγας-εδάφους, ενώ εκτελέσθηκαν επιπρόσθετες αναλύσεις, ώστε να διερευνηθεί η επιρροή κρίσιμων παραμέτρων στη σεισμική συμπεριφορά. Τα βαθμονομημένα προσομοιώματα χρησιμοποιήθηκαν για τη αξιολόγηση απλοποιημένων μεθόδων ανάλυσης. Μεταξύ άλλων, αναδείχθηκε η σημαντική επιρροή της ευκαμψίας της σήραγγας, αλλά και των χαρακτηριστικών της διεπιφάνειας, στη δυναμική συμπεριφορά. Οι παράμετροι, αυτές, φάνηκε να επηρεάζουν την πλαστικοποίηση του εδάφους περιμετρικά της σήραγγας κατά τη σεισμική διέγερση. Η πλαστικοποίηση αυτή οδήγησε σε παραμένουσες τιμές για τα εντατικά μεγέθη της σήραγγας. Οι αναλυτικές λύσεις, άλλοτε υποεκτίμησαν και άλλοτε υπερεκτίμησαν την απόκριση σε σχέση με τη δυναμική ανάλυση, με τις διαφορές να αυξάνονται με την αύξηση της μη γραμμικής συμπεριφοράς του συστήματος. Σε ότι αφορά τις ορθογωνικές σήραγγες: εκτελέσθηκε μια σειρά δυναμικών πειραμάτων φυγοκεντριστή σε δοκίμια ορθογωνικών σηράγγων σε στεγνή άμμο. Αντιπροσωπευτικές πειραματικές περιπτώσεις προσομοιώθηκαν και αναλύθηκαν αριθμητικά, ενώ εκτελέσθηκαν επιπρόσθετες αναλύσεις, ώστε να διερευνηθούν κρίσιμες παράμετροι της σεισμικής συμπεριφοράς. Τα βαθμονομημένα προσομοιώματα χρησιμοποιήθηκαν για τη αξιολόγηση απλοποιημένων μεθόδων ανάλυσης. Τα πειραματικά και τα αριθμητικά αποτελέσματα ανέδειξαν, μεταξύ άλλων, τη σύνθετη διατμητική-λικνιστική παραμόρφωση των ορθογωνικών σηράγγων κατά την διατμητική σεισμική ταλάντωση στην εγκάρσια έννοια, καθώς επίσης και την παραμένουσα συμπεριφορά του συστήματος σήραγγα-έδαφος, λόγω της πλαστικοποίησης του εδάφους. Η παραμένουσα αυτή συμπεριφορά φαίνεται να αυξάνεται με την αύξηση της ευκαμψίας της σήραγγας. Η σεισμική συμπεριφορά των ορθογωνικών σηράγγων διερευνήθηκε πιο διεξοδικά στο πλαίσιο μιας παραμετρικής αριθμητικής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης ανέδειξαν την επιρροή κρίσιμών παραμέτρων στις σύνθετες μορφές παραμόρφωσης, καθώς επίσης και σε διάφορα χαρακτηριστικά της σεισμικής συμπεριφοράς. Αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις της παραμετρικής ανάλυσης, χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση διαθέσιμων αναλυτικών λύσεων για τον προσδιορισμό της δυσκαμψίας εδαφικών ελατηρίων στην περίπτωση σηράγγων. Από τη διαδικασία αυτή, προέκυψε 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.
description: This thesis aimed at shedding light on several aspects of the transversal seismic response of shallow tunnels in soft soil, subjected to ground shaking. Both circular and rectangular tunnels were studied by means of dynamic centrifuge testing and numerical analysis. In particular, a series of dynamic centrifuge tests that were carried out on a flexible circular tunnel embedded in dry sand were used as case studies for the investigation of the dynamic response of circular tunnels and the validation of existing analysis methods. The tests were analyzed by means of full dynamic time history analysis, for several assumptions regarding the non-linear response of the soil, as well as the soil-tunnel interface characteristics, while additional analyses were conducted to investigate several crucial parameters on the response. The calibrated numerical models were then used as benchmark for the validation of existing simplified analysis methods. Among the most interesting findings were the effects of the flexibility of the tunnel lining and the soil-tunnel interface characteristics on the dynamic response. These parameters were proved to affect 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 rigorous dynamic analysis, with the differences amplifying with the increase of the non-linear response of the soil-tunnel system. As regards the rectangular tunnels, a series of dynamic centrifuge tests were performed on rectangular model tunnels embedded in dry sand. Representative test cases were numerically simulated by means of full dynamic analysis, while additional analyses were performed, in order to investigate the effects of crucial parameters. The calibrated numerical models and the experimental data were used as benchmark for the validation of simplified analysis methods. Among other findings, the experimental and the numerical 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 of the tunnel compared to the dynamic analysis. To extend the investigation of the response of rectangular tunnels, a numerical parametric study was also conducted using idealized soil-tunnel systems. 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 simplified analytical solutions that are often used for the computation of the soil springs for tunnels. This procedure revealed that the results of the solutions may differ significantly with each other, as well as with the actual soil stiffness. Finally, the effects of above ground structures on the dynamic response of adjacent shallow tunnels were investigated by means of a numerical parametric study. The results indicated an increase of the dynamic response of the tunnels for the investigated cases, when the above ground structures were considered. The effect was generally higher for shallow and stiff tunnels.