简谐荷载作用下饱和土体中圆形衬砌隧道三维动力响应分析

研究了全空间饱和土体中圆形衬砌隧道在径向简谐点荷载作用下的三维动力响应,将衬砌用无限长圆柱壳来模拟,土体用Biot饱和多孔介质模型来模拟,引入两类势函数来表示土骨架的位移和孔隙水压力,并利用修正Bessel方程来求解各势函数,结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答,最后进行Fourier逆变换得到时间-空间域内的响应。通过算例分析了荷载振动频率和土体渗透性对土体和衬砌位移响应及土体孔压的影响。结果表明,饱和土体和弹性土体的位移响应具有明显区别。随着荷载频率的增大,土体和隧道位移幅值减小,土体孔压幅值增大;随着土体渗透性增大,土体位移及孔压幅值减小。     

非饱和土中圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应

在以往关于圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应中,衬砌周围土体大多假定为弹性介质或饱和介质。然而,自然界中的土体大多为非饱和介质。考虑土体与衬砌结构的动力相互作用及动荷载引起的附加质量密度的影响,研究了瞬态荷载作用下非饱和土中无限长深埋圆柱形衬砌隧道的动力响应。基于多孔介质混合物理论和连续介质力学理论,建立了非饱和土中圆柱形衬砌隧道受到瞬态荷载作用时衬砌及周围土体的控制方程,利用Durbin数值反演法得到了衬砌及土体在时间域的动力响应。数值分析了饱和度对瞬态荷载下径向位移、径向应力、环向应力和孔隙水压力的影响。结果表明：饱和度对衬砌及周围土体的瞬态响应影响显著;饱和度对径向位移沿径向的衰减影响较小,对环向应力和孔隙压力沿径向的衰减影响较大。     

地铁列车荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧道和轨道系统动力响应分析

为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,采用解析法建立了饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构耦合分析模型,用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟地铁列车,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例对比了饱和土体模型和弹性土体模型动力响应的差异,分析了饱和土渗透系数、荷载移动速度和自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响。结果表明:当土体渗透性较差时,饱和土位移响应与相应的弹性土位移响应区别明显,土体模型对轨道结构响应影响较小;随着渗透系数的降低,饱和土体孔压增大;荷载移动速度和自振频率对轨道结构和土体动力响应影响显著。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。     

冲击荷载作用下软土隧道结构热-流-固耦合动力响应分析

爆炸对结构物的作用可以看成是冲击力和热的共同作用结果。基于Biot热弹性波动理论,利用饱和多孔介质热- 流-固耦合动力响应模型,研究了饱和软黏土中隧道结构内受指数衰减热/力冲击荷载作用下的动力响应。利用Flügge薄壳理论,得到隧道结构的运动方程。考虑土-结构接触面上的协调条件并利用热-流-固耦合动力响应模型的通解,得到了热/力冲击荷载作用下应力、位移和孔隙水压力响应在Laplace变换域中的解。利用Laplace数值逆变换技术得到数值计算结果,探讨了冲击荷载和热荷载作用下隧道结构刚度和厚度对应力、位移和孔隙水压力响应的影响。结果表明：在爆炸冲击荷载作用下,隧洞衬砌对周围土体起到很好的屏蔽作用,且衬砌刚度越大,其保护效果越好;衬砌与土体接触面上应力随衬砌刚度增大而减小,并且刚度越大应力衰减越快;衬砌刚度和厚度对热冲击的位移响应有明显影响,而对其温度响应的影响较小。     

水平简谐荷载作用下层状饱和土体动力响应

根据Biot波动理论,采用传递、反射矩阵（TRM）方法研究了水平简谐荷载作用下层状饱和土动力响应问题。由Helmholtz矢量分解求出基本解,再利用TRM法推导了层状饱和土动力响应,并由数值Hankel逆变换得到层状土地基位移、应力及孔压在空间域内的解。利用计算结果与已有结果相比较,二者相吻合,验证了算法的正确性。算例分析表明,水平简谐荷载作用在有软弱夹层的层状土体中比均质土中具有更显著的动力响应,尤其是软夹层上下有硬土层时,会引起软弱夹层土体孔隙水压升高、位移幅值增大、土体波动性增强;而荷载作用硬夹层及夹层上下有软土层时,情况则相反。     

准饱和土中圆柱形衬砌的瞬态动力响应分析

内源瞬态荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应解答是土动力学的经典问题之一。已有研究大都假设孔洞周围土体为理想弹性介质或完全饱和多孔介质。然而,实际工程中不存在完全弹性和完全饱和土体。分别视衬砌结构和周围土体为弹性材料和准饱和多孔介质（饱和度 95%）,根据牛顿第二定律、达西定律和Biot波动理论推导出准饱和土体的控制方程。根据边界条件导出衬砌和土体的位移、应力和孔隙压力的Laplace变换空间的解答。利用反Laplace变换数值计算方法,将解答转换为时域解。分析了饱和度对衬砌位移、应力和孔压的影响,结果表明,当95% 99%时,饱和度对径向位移和切向应力的影响较小;99% 100%时,饱和度对径向位移和切向应力的影响较大;但饱和度对孔隙压力的影响远大于对径向位移和切向应力的影响。得出位移、应力和孔压沿径向的衰减规律,当95% 99%时,饱和度对径向位移和切向应力沿径向衰减影响较小,99% 100%时,饱和度对径向位移和切向应力沿径向衰减影响较大,但饱和度对孔压沿径向的衰减影响远大于对径向位移和切向应力沿径向的衰减。     

寒区隧道围岩最大冻结深度计算的半解析方法

寒区隧道围岩的最大冻结深度是隧道抗冻胀结构设计、防排水与保温隔热层设计的重要基础参数。基于准稳态假定,采用积分法推导了能够考虑衬砌、保温层及冻结围岩中未冻水含量的寒区隧道围岩最大冻结深度的解析计算公式;利用围岩温度场数值模拟结果反演得出了解析计算公式中的参数影响半径与冻结半径比 的取值,从而得到了围岩最大冻结深度的半解析解。将所得解的计算结果与现场实测数据及数值模拟结果进行了对比,验证了所得解的合理性。利用得到的半解析解分析了工程冻土段围岩冻结深度的影响因素,结果表明：初始地温、年平均气温对冻结深度的影响最为明显,岩体骨架导热系数、岩体孔隙率的影响次之。     

条形荷载作用下梯度饱和土的动力响应分析

根据Biot波动理论,研究了条形均布荷载作用下非均匀饱和土地基的动力响应问题。利用Fourier积分变换,通过Helmholtz矢量分解原理,建立了饱和土层在动荷载作用下的回传射线矩阵法计算列式,考虑饱和土的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,采用数值Fourier逆变换获得了饱和土地基的位移、应力和孔隙压力等物理量的数值解。分析讨论了材料非均匀性对饱和土介质动力特性的影响。结果表明,非均匀饱和土的动力行为与均匀饱和土有着明显的不同,当土体的非均匀程度越高,条形荷载中点下流体压力和应力幅值越大,而位移、流体压力以及应力等物理量在水平方向的振动频率均随着土体非均匀变化程度的增强而增大。     

双线平行盾构法隧道施工附加荷载的计算分析

对隧道周围土体采用椭圆形非等量径向位移模式,在镜像法基本原理基础是推导了土体损失引起的附加应力计算公式;结合弹性力学Mindlin解得到的正面附加推力和摩擦力引起的附加应力,得到三者共同作用下总的附加应力公式,并通过算例分析了各影响因素下水平平行隧道上附加荷载的分布规律,重点探讨了土体损失引起的附加荷载在相邻隧道上的分布,分析结果对平行隧道施工具有一定的参考价值。     

饱和半空间瞬态加载衬砌隧道的动力响应研究

工程中,地下衬砌隧道会遇到水压破裂压力、爆炸及突然开挖等瞬态荷载作用,将这些荷载理想化为作用在衬砌内边界上的均布瞬态荷载,研究圆柱形衬砌隧道在突加荷载、阶跃荷载和三角形脉冲荷载作用下的动力响应规律。根据Biot波动理论推导出半空间饱和介质的控制方程;视衬砌结构为弹性材料导出衬砌结构的控制方程。用极大半径凸圆弧近似半空间直边界,采用Graff加法公式进行坐标变换,将直角坐标表示的通解转化为极坐标表示的通解。根据边界条件导出衬砌和土体的位移、应力和孔隙压力的Laplace变换域的解答。利用反Laplace变换数值计算方法,将解答转换为时域解,得出3种瞬态荷载作用下衬砌隧道地面位移峰值、衬砌应力和孔隙压力的分布规律。     

平面P1波入射下海底隧道与海床土交界面滑移接触效应解析解

基于理想流体波动理论和Biot饱和多孔介质波动理论,考虑工程实际中海底隧道与周围海底土体的滑移接触关系,建立了含滑移界面海底隧道模型,该模型还考虑了海水-海床土-海底隧道的动力相互作用。采用Hankel函数积分变换法和波函数展开法,推导了平面P₁波入射下海底隧道与周围海底土体滑移接触界面效应的解析解。在解析解的基础上,通过数值计算分析了滑移接触条件对海底隧道地震动力响应的影响。计算结果表明：滑移接触条件对海底隧道的位移响应和应力响应影响明显;考虑隧道-海床土界面滑移接触条件下海底隧道的位移响应和应力响应显著高于界面无滑移条件时的位移响应和应力响应。     

基于薄层法和移动坐标系法的地铁竖向振动在成层土层中传播

针对地铁竖向振动在成层地基中的传播,提出了移动荷载作用下层状地基的分析模型。基于该模型,利用狄拉克函数及三重傅里叶变换将时空域内单个移动简谐荷载转换为频率-波数域内的荷载,结合薄层法和移动坐标系法推导了单个移动简谐荷载和移动简谐线荷载作用下三维层状地基动力响应的解析解,并给出了移动简谐线荷载动力响应解析解中参数n的经验取值范围;分析了荷载的移动速度对层状地基动力响应的影响以及弹性模量、泊松比、阻尼比和荷载频率对土体临界速度的影响。结果表明：荷载的移动速度对不同频带的动力响应的影响范围不同;移动速度对低频响应的影响程度大于对高频响应的影响程度;相比于泊松比和阻尼比,弹性模量对土体临界速度的影响最大;频率越接近荷载振动频率的振动响应,其幅值越大,临界速度越小。     

隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型

隧道水平冻结施工过程中,土体冻结引起体积膨胀,进而会在地表产生冻胀现象。实际工程一般采用多根冻结管形成冻结壁。冻结壁交圈前,地表冻胀由多个冻土柱的叠加膨胀变形引起;冻结壁交圈后,地表冻胀则由整个冻结壁的膨胀变形引起。鉴于此,考虑冻结壁的形成过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型。同时对冻结外锋面半径和冻胀区域外半径这2个关键参数的取值方法进行了相关探讨。最后针对两个工程案例,采用该计算模型对地表冻胀位移进行分析,得到地表冻胀位移随时间的变化规律,并与现场实测结果相比较,验证了模型的可靠性。该模型应用于隧道水平冻结施工前、冻结期内任意时刻的地表冻胀位移预测,可为工程冻结实施方案的合理确定提供有效依据。     

雀儿山隧道冰碛地层冻胀力原位测试及计算分析

以国道317线雀儿山隧道为工程依托,进行了隧道洞口冰碛地层的冻胀力原位测试,同时结合数值模拟、理论模型计算等方法,得到了冻融圈厚度、冻胀压力以及冻结前后衬砌结构内外测的应力。在此基础上,计算得到了衬砌结构的轴力、弯矩分布和变化规律,并与已有研究结果进行了比较分析。研究结果表明：寒区隧道洞口段冰碛地层作为高原常见季冻土受低温影响显著,低温持续22 h时冻融圈厚度达2 m左右;采用隧道冻胀力计算模型计算得到的冻胀压力在19.8～158.3 kPa之间,原位测试的冻胀压力在40～240 kPa之间,其中拱脚处最小,仰拱处最大;冰碛地层冻结前后的衬砌结构内侧、外侧应力各自具有复杂的变化和分布规律,冻结状态下衬砌结构轴力呈“扇”形分布,弯矩呈“蝶”形分布。与相关研究成果比较分析表明,现场采用的原位测试方法合理,结果更准确。     

盾构隧道与周围土体在列车振动荷载作用下的动力响应特性

为研究列车振动荷载作用下盾构隧道结构及周围土体的动力响应特性,采用模型试验方法,通过布置在盾构隧道底部的激振器施加扫频激振荷载和列车振动荷载,采用频率响应函数FRF与最大加速度分析了盾构隧道衬砌结构与周围土体不同位置处的动力响应及其衰减规律。研究结果表明：FRF是隧道衬砌结构和周围土体自身的动力响应特性的体现,与激振力的大小、扫频方向及扫频时间无关;在隧道管片衬砌结构的底部和顶部均体现出高频响应大于低频响应的特性,隧道顶部加速度响应沿隧道纵向衰减幅度明显小于隧道底部;隧道周围土体的动力响应沿深度有明显变化,但均表现出沿隧道轴向衰减的规律。隧道结构上部第1层测点土体的动力响应在全频域内随频率的增加逐渐增大。但在第2层和地表的第3层测点,土体的动力响应在30～90 Hz区段线性增长,在90～300 Hz区段出现波动变化,并无明显增大趋势;与扫频激振荷载引起的动力响应规律一致,由列车运行振动荷载引起的隧道管片衬砌结构和周围土体的振动沿隧道轴向逐渐衰减,隧道底部的加速度响应大于顶部,随着列车车速的增大,在隧道内部引起的加速度响应将显著增大。同时,在列车振动荷载作用下发现地表存在加速度放大效应,地表第3层测点的加速度响应均大于隧道结构上部第1层测点。     

饱和软黏土中埋地管道冻结模型试验研究

为研究软土地区埋地管道在土体冻结过程中的管道受力机理, 开展了饱和软黏土中地埋管道冻结模型试验。通过人工冻结技术, 近似还原了管土受冻过程, 研究了人工冻结过程中土体温度场、 水分场、 位移场分布情况, 以及管道的力学特性。结果表明： 在冻结过程中, 土体温度场的变化直接影响着土中水分场的分布; 在冻结锋面前缘存在着剧烈的水分迁移现象, 大量的水分向冻结锋面迁移, 使得土体产生线性冻胀; 冻胀发展速率受外部荷载的直接影响; 当冻结发展到管道处时, 位于冻胀和非冻胀过渡段位置处的管身出现应力最大值。研究结果对于正冻土中管道的安全评估具有重要的意义。     

衬砌隧道中移动轴向激励作用下两相多孔介质动力响应

为了研究衬砌隧道中地铁振动在饱和地层中的传播情况,采用移动轴向激励模拟技术,建立了隧道-衬砌-两相介质的动力分析模型;利用波函数展开法、傅里叶变换法等,推导了频域内衬砌隧道移动轴向激励作用下两相多孔介质动力响应的解析解,并给出了两相多孔介质临界速度的经验公式;通过离散快速傅里叶逆变换得到了时-空域内两相介质的动力响应。结果表明：无衬砌隧道中移动的轴向常激励作用下,两相介质临界速度只与介质的剪切模量和密度有关,且数值接近其剪切波速的1.1倍;对于衬砌隧道,介质的临界速度随着衬砌剪切模量的增大而增大,随着衬砌密度的增大而减小,衬砌对振动向介质中的传播有一定的削弱作用,衬砌剪切模量与介质剪切模量相差越大,削弱越明显;动力响应频率越接近激振频率,其幅值越大,所对应的临界速度越小。     

土体冻胀与地基梁相互作用的叠加法研究

根据随机介质的思想,土体冻胀引起的地表隆起近似为正态分布。以上海体育场穿越工程为研究背景,由叠加法基本原理,得出多管冻结冻胀叠加法表达式。将非均布的冻胀荷载简化成多段均布荷载,编制matlab程序求解冻土地基上的弹性地基梁方程,得到冻胀与地基梁（结构）相互作用的位移及接触压力,并用实测数据进行了验证。最后对冻胀与基础梁相互作用的影响因素进行计算分析,得出相互作用的冻胀量随地基梁刚度与外荷载增加而减小、随地基弹性接触系数与自由冻胀量增加而增加。     

频域内饱和多孔介质的参数反演分析

基于Biot理论,假定固体颗粒和孔隙内流体均不可压缩,建立了以固体骨架位移表示的的控制方程.考虑单层饱和多孔介质在竖向简谐荷载作用下一维动力响应,通过理论推导获得了骨架位移、应力以及孔隙流体压力等物理量的解析表达式.基于饱和土的简谐动力模型试验数据,与所得到的理论解答相结合,将饱和多孔介质材料参数反演问题归结为非线性多峰函数的最优化问题.全局最优解的求解采用了遗传算法和模拟退火算法,并通过试验和数值算例验证了所得材料参数的正确性.