MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF MINING AND GEOLOGY PHAM VAN VI BEHAVIOR OF SUB-RECTANGULAR TUNNELS UNDER SEISMIC LOADING PhD THESIS HANOI, May 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN VĨ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CHỐNG TRONG ĐƯỜNG HẦM TIẾT DIỆN HÌNH CHỮ NHẬT CONG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 05/2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HA NOI UNIVERSITY OF MINING AND GEOLOGY PHAM VAN VI BEHAVIOR OF SUB-RECTANGULAR TUNNELS UNDER SEISMIC LOADING Major: Underground construction engineering Code: 9580204 PhD THESIS SUPERVISORS: 1. Do Ngoc Anh 2. Dias Daniel HA NOI, May 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN VĨ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CHỐNG TRONG ĐƯỜNG HẦM TIẾT DIỆN HÌNH CHỮ NHẬT CONG CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT Ngành đào tạo: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm Mã số ngành: 9580204 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS Đỗ Ngọc Anh 2.TS Dias Daniel HÀ NỘI - 05/2022 i ACKNOWLEDGEMENTS The work described within this thesis was conducted at the Underground and Mining Construction Department, Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam. First of all, I am particularly grateful to my supervisors, Associate Professor, Dr.
Do Ngoc Anh, and Professor Daniel Dias. They have enthusiastically supported and directed me to provide invaluable advices in the process of preparing this thesis and research articles. I would like to thank Associate Professor, Dr. Do Ngoc Anh for his regular support from the very beginning to the completion of this thesis.
He pushed me to reach my full potential. His professional guidance and willingness to work on an ongoing basis were key elements in completing this study. I would like to thank Professor Daniel Dias for his invaluable guidance, supervision, encouragement, and support throughout this research process. I would like to record my sincere appreciation for their help and I will never forget my three years of Ph.
studies under their guidance, my respected teachers. Second, I also want to thank the teachers and staff of the Underground and Mining Construction Department, Faculty of Construction, Postgraduate training Office, Hanoi University of Mining and Geology, who helped me in the process of implementing this thesis. Third, I would like to thank the Vingroup JSC and supported by the Master, PhD Scholarship Programme of Vingroup Innovation Foundation (VINIF), Institute of Big Data, code VINIF.167 for financial support. This is an honor and a great motivation that helped me to make this research more focused.
Finally, I am deeply grateful to my family for their support, patience, and love. This study would not have been started, would not have been possible, and would never have been completed without the support of my wife, Vu Thi Hue, and my two children, Khanh An and Minh Tri. Nothing would have happened without their support and I devoted them to this thesis. ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và Mỏ, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đầu tiên, tác giả xin đặc biệt cảm ơn tới tổ hướng dẫn, PGS.TS Đỗ Ngọc Anh và GS Daniel Dias.
Các Thầy luôn định hướng, khuyến khích, thúc đẩy NCS và có những lời khuyên quý báu, chân thành giúp cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án cũng như viết các bài báo khoa học. Thứ hai, tác giả muốn cảm ơn tới các Thầy cô Bộ môn Xây dựng công trình ngầm và mỏ, Khoa Xây dựng, Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án này. Thứ ba, tác giả muốn cảm ơn tới Tập đoàn Vingroup và sự hỗ trợ của Chương trình học bổng thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn, mã số VINIF. Đây là một vinh dự và là động lực lớn giúp tác giả tập trung hơn trong nghiên cứu khoa học.
Cuối cùng, tác giả vô cùng biết ơn tới gia đình đã luôn bên cạnh với sự kiên nhẫn. Luận án này sẽ không được bắt đầu, được thực hiện và hoàn thành nếu không có sự hỗ trợ của gia đình. iii GUARANTEE I hereby declare that this is my own research work. The data and results presented in this thesis are honest and have never been published in any other works.
PhD candidate Pham Van Vi iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả và dữ liệu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào. Nghiên cứu sinh Phạm Văn Vĩ v SUMMARY The principal purpose of this Ph. thesis is to study the behavior of sub- rectangular tunnels under seismic conditions by using a finite difference method (FDM) and then a new quasi-static loading scheme, applied to the Hyperstatic Reaction Method (HRM), was developed.
Firstly, a literature review on the tunnel lining design under seismic condition was conducted. Secondly, 2D numerical models of circular and sub-rectangular tunnels subjected to quasi-static loading were developed. The difference in behavior of these two tunnel types under seismic loading was highlighted. In the final part of the manuscript, a new quasi-static loading scheme applied in sub-rectangular tunnels using the HRM method was proposed based on the quasi-static loading principle.
Its reliability is demonstrated based on validations conducted by using finite difference caculations considering different situations. Keywords: Sub-rectangular tunnel; Hyperstatic Reaction Method; Numerical model; Quasi-static. vi TÓM TẮT Mục tiêu chính của luận án là sử dụng phương pháp số sai phân hữu hạn (FDM) để nghiên cứu ứng xử của đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng động đất và phát triển một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới áp dụng trong phương pháp lực kháng đàn hồi (HRM). Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tổng quan chỉ ra khoảng trống nghiên cứu đối với kết cấu đường hầm tiết diện chữ nhật cong chịu tải trọng động đất, luận án đã phát triển mô hình số 2D cho đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng tĩnh tương đương trên cơ sở mô hình của đường hầm tiết diện hình tròn được kiểm chứng bằng cách so sánh với phương pháp giải tích.
Ứng xử khác nhau của kết cấu chống trong hai loại tiết diện đường hầm khi chịu tải trọng động đất đã được chỉ ra. Dựa vào kết quả phân tích trên mô hình số FDM, luận án đã đề xuất được một sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới tác dụng lên kết cấu chống đường hầm tiết diện hình chữ nhật cong chịu tải trọng động đất trong phương pháp HRM. Độ tin cậy của sơ đồ tải trọng tĩnh tương đương mới đã được kiểm chứng trên cơ sở so sánh với phương pháp FDM khi xem xét một loạt điều kiện đầu vào khác nhau. Từ khóa: Đường hầm tiết diện chữ nhật cong; Phương pháp lực kháng đàn hồi; Mô hình số; Tĩnh tương đương.
vii CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS. v LIST OF NOMENCLATURE. ix LIST OF FIGURES .xii LIST OF TABLES. xv GENERAL INTRODUCTION.
xvi Background and Problematic. xvii Scope of this study. xviii Original Features. xviii Thesis outline.
xviii CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW ON THE BEHAVIOUR OF UNDERGROUND STRUCTURES UNDER SEISMIC LOADING. Seismic response mechanisms. Sub-rectangular tunnels .27 CHAPTER 2: NUMERICAL STUDY ON THE BEHAVIOR OF SUB- RECTANGULAR TUNNEL UNDER SEISMIC LOADING. Numerical simulation of the circular tunnel under seismic loading.
Reference case study- Shanghai metro tunnel. Numerical model for the circular tunnel. Comparison of the numerical and analytical model for the circular tunnel case study. Validation of circular tunnel under seismic loading.
Effect of the peak horizontal seismic acceleration (aH). Effect of the soil Young’s modulus, Es. Effect of the lining thickness, t. Numerical simulation of the sub-rectangular tunnel under seismic loading.
Parametric study of sub-rectangular tunnels in quasi-static conditions. Effect of the peak horizontal seismic acceleration (aH). Effect of the soil’s Young’s modulus (Es). Effect of the lining thickness (t) .48 CHAPTER 3: A NEW QUASI-STATIC LOADING SCHEME FOR THE HYPERSTATIC REACTION METHOD - CASE OF SUB-RECTANGULAR TUNNELS UNDER SEISMIC CONDITION.
Fundamental of HRM method applied to sub-rectangular tunnel under static loading. HRM method applied to sub-rectangular tunnel under seismic conditions. FDM numerical model. Numerical procedure in HRM method.
Validation of the HRM method .77 GENERAL CONCLUSIONS AND PERSPECTIVES. 79 PUBLISHED AND SUBMITTED MANUSCRIPTS. 84 ix LIST OF NOMENCLATURE Abbreviations 2D Two-dimensional 3D Three-dimensional DOT Double-O-tube FDM Finite difference method FEM Finite element method fs Full slip HRM Hyperstatic Reaction Method MF Multi-circular face ns No-slip PGA Peak ground acceleration PIV Particle image velocimetry SR Sub-rectangular tunnel TBM Tunnel boring machine Symbols aH Peak horizontal acceleration at the ground surface a, b, β Dimensionless factors C Tunnel lining compressibility ratio c Soil cohesion D Circular tunnel external diameter E Young’s modulus of the tunnel lining Es Young’s modulus of the ground F Tunnel lining flexibility ratio G Soil shear modulus x Gmax Maximum ground shear modulus h Tunnel height H Tunnel depth I Inertia moment of tunnel lining per unit length of the tunnel K Soil bulk modulus K0 Lateral earth pressure coefficient K1 Full slip lining response coefficient K2 No-slip lining response coefficient K3 No-slip lining response coefficient K4 No-slip lining response coefficient Li Element length M Incremental Bending moment Mmax Maximum incremental bending moment Mmin Minimum incremental bending moment Mw Moment magnitude N Incremental Normal forces Nmax Maximum incremental normal forces Nmin Minimum incremental normal forces plim Maximum reaction pressure R Tunnel radius Ri Radius of part i (i=1, 2 and 3 corresponding to the crown, shoulder and sidewall) of the tunnel boundary t Tunnel lining thickness u Axial displacement v Transversal displacement Vmax Peak shear wave velocity xi Vs The ground shear wave velocity w Tunnel width ∆zmin Smallest dimension in the normal direction of zones γ Soil unit weight γmax Maximum shear strain ηn,0 Soil initial stiffness θ Angle measured counter-clockwise from spring line on the right λi Transformation matrix ν Tunnel lining Poisson’s ratio νs Soil Poisson’s ratio ρmax Soil density τ Shear stresses applied at the far-field boundary φ Soil internal friction angle 𝜂 Soil initial spring stiffness 𝜂 Normal stiffness 𝜂 Tangential stiffness 𝜎 Vertical loads 𝜎 Horizontal loads [K] Stiffness matrix [S] Nodal displacement matrix [F] Nodal forces matrix xii LIST OF FIGURES Figure 1. Summary of observed bored/mined tunnel damage due to ground shakings [131].
Typical failure modes of mountain tunnels reported during the 1999 Chi- Chi earthquake in Taiwan [160]. Ground response to seismic waves [159]. Type of tunnel deformations during a seismic event [123]. Examples of the effects of seismically-induced ground failures on tunnels [155].
Seismic shear loading and equivalent static loading (redrawn) [126]. Definition of terms used in racking analysis of a rectangular tunnel [159]. Racking coefficients for rectangular tunnels [59]. Geometry and boundary conditions in the quasi-static model [135] .11 Geometry and boundary conditions in the quasi-static model [49].
(a) Acceleration time history scaled at 0. A photo showing the testing setup after fabrication [72]. Sub-rectangular express tunnel in Shanghai [48], distances in millimeters. Circular tunnel with the same utilization space area, distances in millimeters.
The plane strain model under consideration. Geometry and quasi-static loading conditions for the circular tunnel model .