地下结构地震反应规律和抗震设计方法研究

随着城市轨道交通系统,尤其是地铁的大规模建设,城市轨道交通系统的安全问题已经成为重中之重。地铁系统要在长时间的运行周期内保证安全,就必须具有良好的抗震性能。对于地下结构抗震问题,模型试验和数值计算是必不可少的两种手段,合理且简便的抗震设计方法是研究所要达到的目标,而地下结构周围土体材料的非线性动力本构模型是研究中的难点。本文对地下结构的地震反应规律和抗震设计方法进行了深入研究,取得了如下研究成果:(1)土的本构模型。根据Hardin和Drnevich提出的土体动应力-应变关系曲线以及其在非等幅往返荷载作用下的Pyke修正,结合Dafilias和Popov等人提出的边界面理论,构造了基于Hardin曲线的土体边界面本构模型,并在ADINA中利用自定义材料的二次开发实现了该本构模型。(2)二维有限元动力计算。采用Opensees对饱和砂土场地的地震反应进行了非线性动力有限元分析,并通过改变土性、地震动幅值、持时、频率等因素后数值模拟的对比,分析了各因素对可液化场地地震反应的影响;然后对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行了输入不同幅值地震动时的动力计算,分析了场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的变形和位移、以及隧道的内力分布,揭示了可液化土层中箱型隧道的地震反应规律和震害机理。(3)饱和砂土中地下结构地震反应振动台试验。完成了饱和砂土中地下结构地震反应的振动台试验,从孔压、土层加速度、土层频谱、地下结构加速度、地下结构频谱、动土压力和地下结构应变等方面分析了试验结果,并观测了宏观的试验现象,分析了饱和砂土场地以及其中埋置的地下结构的地震反应规律。(4)三维有限元动力计算。在Opensees计算平台中建立了穿过饱和砂土和粘土分界面箱型隧道的三维有限元模型并且进行了动力数值计算,对比分析了分界面两侧的土层和隧道的地震反应,此外,亦分析了沿隧道纵向地表竖向位移、隧道变形和隧道内力的分布,揭示了饱和砂土和粘土对隧道地震反应的不同作用,探索了穿过饱和砂土和粘土分界面的箱型隧道的地震反应规律和震害机理,对实际工程建设中此类隧道的抗震研究具有重要意义。(5)地下结构横截面抗震设计方法。详细介绍了反应位移法的原理和具体内容,以动力时程计算的结果作为参照,比较了几种地基弹簧参数取值方法计算结果的准确性;然后在反应位移法的基础上提出了大震下地基弹簧参数取值的非线性修正,并对其计算结果进行了验证;最后又依据地基弹簧参数取值的非线性修正,进而提出了基于反应位移法的地下结构简化pushover分析方法,并根据一具体算例对其计算结果进行了验证。(6)地铁隧道纵向抗震设计方法。介绍了几种常见的隧道纵向抗震设计方法,例如,BART法、质点-弹簧模型法和反应变位法等;然后将桩-土相互作用的p-y曲线弹簧引入到了地铁隧道的纵向抗震设计中,建立了超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型,并且通过对该模型的Pushover分析给出了地铁隧道的一种纵向弹塑性设计方法;最后通过多点激励对超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型进行了动力数值计算,得到了隧道纵向内力和变形的一些规律。     

循环荷载作用下不均质地层中盾构隧道纵向响应研究

修建在纵向不均质地层中的地铁隧道,由于列车循环荷载的作用,会导致隧道下部的土体产生不均匀沉降,对既有隧道产生不利的影响。针对这一问题,提出考虑隧道剪切效应的地基不均匀沉降对既有隧道竖向变形影响的解析解。既有隧道简化为搁置在Winkler地基上的Timoshenko梁,通过两阶段分析法,分析下卧地层不均匀沉降引起的隧道响应。首先确定列车荷载引起的动偏应力,并运用土层的力学指标计算出静偏应力和破坏偏应力。然后运用累积应变的经验公式计算出隧道下部土体的累计沉降,将土体的沉降转化为力施加在隧道上。基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的隧道竖向变形微分方程,求解得到隧道变形的解析解,进一步可以得到隧道的弯矩、剪力、转角、错台。     

基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究

基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。     

考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析

本文采用通用有限元程序ANSYS,针对上海地区一例土-箱基-高层建筑结构进行了三维有限元分析,计算中土体的本构模型采用等效线性模型,利用粘一弹性人工边界作为土体的侧向边界,并研究了土体边界位置、土性、基础埋深、基础形式以及上部结构刚度等参数对动力相互作用体系动力特性及地震反应的影响。     

逆断层错动对隧道工程影响的数值模拟

由于断层错动导致的围岩永久变形会对隧道结构产生危害,为研究隧道在逆断层错动下的变形与受力特征,本文以成兰铁路穿越北川—映秀断裂的跃龙门隧道工程为研究对象,利用Abaqus软件建立穿越逆断层隧道结构的数值模型,选择参数和设定边界条件,模拟分析在逆断层错动作用下隧道衬砌结构的受力与变形情况.结果表明:逆断层错动引起隧道衬砌...     

降雨对无支挡结构下隧道-滑坡正交体系的作用机理研究

通过大型地质力学模型试验,研究在无支挡结构下降雨对隧道-滑坡正交体系的作用机理。主要研究不同降雨阶段,隧道-滑坡正交体系下隧道纵向应变的变化特征及隧道不同横断面环向应力变化特点,并重点分析在不同降雨阶段,不同位置及其不同横断面滑体的位移变化特征。试验结果表明:(1)降雨可导致坡体横断面断裂而出现新的滑移面,从而导致坡体失稳。(2)在隧道-滑坡正交体系下,随着雨水的下渗及滑体土样含水率不断增大,隧道局部应变有明显突变,且山侧纵向应变比河侧应变要大。(3)在隧道-滑坡正交体系下,降雨使得隧道环向应力呈不均匀变化:隧道的底部应力大于顶部应力,山侧应力大于河侧应力,表明降雨可导致滑体蠕动或局部滑移,引起隧道不均匀受力及变形,这对隧道结构的安全非常不利。本次试验可为雨水充沛区的滑坡及隧道抗滑设计提供一定参考。     

基坑开挖对下方越江隧道变形影响的评价

采用数值模拟方法计算隧道附加纵向变形值,应用三次样条插值对其进行拟合,并通过曲线拟合方程计算基坑影响范围内隧道纵向变形曲率的分布,以判别隧道纵向差异变形的敏感位置,从而评价隧道在不同抽条开挖方式与不同开挖工况下的变形状态,为基坑支护的设计提供依据。研究表明：基坑中心位置隧道的纵向变形最大,隧道纵向变形曲率变化最大的区域为隧道纵向基坑围护结构的位置。说明对于由基坑开挖引起的近接隧道保护问题而言,在严格控制坑底隆起量的同时,更应关注基坑维护刚度对隧道结构变形的影响。通过施工工法、隧道纵向变形及隧道纵向曲率变化三方面的综合评价,得出顺向抽条开挖方式对隧道保护更加有利的认识。     

地震作用下盾构隧道变形性能试验研究

地震作用下,盾构隧道的抗震变形性能限值是个重要指标。采用盾构区间隧道为原型,设计1/20的相似模型,考虑管片接头以及土体-结构相互作用,采用隧道结构加载试验系统,对盾构管片结构在不同的拼装方式和埋深下的变形行为进行了研究,测得了管片环的内力和位移。通过对6组试验结果进行分析对比,得出结论:埋深和拼装方式对盾构隧道结构变形有影响,对通缝结构的影响大于错缝结构;弹塑性分界点直径变形率限值,对通缝结构为0.56‰~1.00‰,对错缝结构为0.42‰~1.09‰;临界失稳点直径变形率限值,对通缝结构为16.87‰~21.44‰,对错缝结构为15.22‰~19.52‰。     

通过活断层区地铁隧道埋置深度研究

采用ABAQUS有限元分析软件,以北京地铁7号线区间隧道作为工程背景,考虑到衬砌与土体之间的相互作用,建立了地基土-隧道体系的整体有限元模型,针对不同断层类型工况下,隧道结构在不同埋深下的反应进行了系统分析。研究结果表明:隧道结构处于弹性阶段时,在规范规定的取值范围内适当地减小隧道埋深可以减轻结构的反应;在较大断层位错作用下,隧道结构产生的损伤区域长度,以及出现损伤最严重的位置不受埋深的影响;在逆断层下,隧道埋深为10m时,结构震害程度最为严重;在正断层下,隧道埋深为8m时,结构震害程度最为严重;在走滑断层下,隧道埋置越深结构受到的震害程度越严重。     

考虑各向异性的层土-盾构隧道地震反应数值模拟

在层状各向异性土体-盾构隧道地震反应分析中,引入了横观各向同性弹塑性模型理论,建立了适合于横观各向同性介质的双渐近-多向透射边界条件。针对地铁区间盾构隧道抗震设计的特点,基于横观各向同性弹塑性模型,研制了考虑层状土体各向异性和施工开挖效应,适合于盾构隧道动力计算的各向异性弹塑性动力有限元程序。在程序中对于不同的材料采用了不同的本构关系和不同的单元形式,并采用了关联流动法则和多种屈服准则,可同时进行各向异性土体与地下结构的二维平面应力、平面应变和轴对称问题的静力和动力数值分析。最后利用所研制的程序进行了上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震动输入下的隧道反应计算。结果表明,在层状土体-地铁区间隧道的抗震分析中考虑土体各向异性的影响是必要的,所提出的计算模型是可行的。     

大跨度空间网格结构多维多点随机地震反应分析

本文建立了三维正交地震动多点激励下大跨度空间网格结构的随机地震反应分析方法,依据现行抗震设计规范的有关规定,确定了平稳随机地震动功率谱密度的模型参数。数值仿真分析了一柱距80m的正方形平板网架分别在一维地震动或三维地震动的一致激励、行波激励和考虑部分相干效应的随机激励下的地震反应。结果表明:考虑地震动的空间效应会很大程度地改变结构杆件的内力,其中控制杆件的内力增幅达到30%;地震动的行波效应对结构杆件内力的影响比随机地震动的部分相干效应的影响更大;三维地震作用比一维地震作用下结构杆件的内力大。由此得出结论,对于大跨度空间网格结构,必须进行多维多点地震激励下的随机地震反应分析。     

分层土-隧道相互作用体系地震响应分析

为研究地震作用下非均质场地各个土层放大效应以及分层土-隧道的地震响应,以大连某实际工程为背景,基于地震作用下隧道结构动力响应的理论,采用收敛约束法,通过ABAQUS构建分层土-隧道三维有限元模型,并结合振动台试验,验证模拟的准确性;将自由场与有隧道场地进行对比,并结合加速度和傅里叶曲线对模拟数据进行分析。结果表明：(1)土体性质和激励大小对地震波的传递有影响,随着场地由浅到深逐渐增加,峰值加速度逐渐放大,不同分层介质的主要频率和频谱形状发生明显变化;(2)隧道会放大远场的加速度响应,略微降低近场的动力响应;(3)软弱夹层的存在对地震动的放大作用也有明显影响,不同分层介质的不同特性导致土层刚度不同,从而影响地震作用下层状土-隧道的动力相互作用。     

5跨连续中承式钢管混凝土拱桥抗震性能分析

钢管混凝土拱桥由于桥型优美在城市桥梁中得到广泛应用,对某正在设计的5跨连续巾承式钢管混凝土拱桥进行了动力特性和抗震性能分析,根据该桥的结构特点,建立了’该桥的空间有限元分析模型,计算桥梁的自振特性,基于反应谱方法计算了该桥在横向、纵向水平地震反应,计算结果表明：该桥拱肋的面外刚度相对较小,在桥梁振动中首先出现拱肋的面外振动;桥梁的竖向振动表现为拱肋与桥面的整体竖向振动,其基频明显比拱肋面外振动大;主拱肋的轴力由横桥向地震动控制,其他内力由纵桥向地震动控制;地震作用对弯矩的影响较大,故主拱的内力计算应考虑地震力的影响;在设计计算中除常规关键点应作为控制点外,内外拱连接处也应作为控制点。计算结果已为该桥的抗震设计提供了参考。     

Soil pressure and pore pressure for seismic design of tunnels revisited: considering water-saturated,poroelastic half-space

This paper describes a systematic study on the fundamental features of seismic soil pressure on underground tunnels, in terms of its magnitude and distribution, and further identifi es the dominant factors that signifi cantly infl uence the seismic soil pressure. A tunnel embedded in water-saturated poroelastic half-space is considered, with a large variety of model and excitation parameters. The primary features of both the total soil pressure and the pore pressure are investigated. Taking a circular tunnel as an example, the results are presented using a fi nite element-indirect boundary element(FE-IBE) method, which can account for dynamic soil-tunnel interaction and solid frame-pore water coupling. The effects of tunnel stiffness, tunnel buried depth and input motions on the seismic soil pressure and pore pressure are also examined. It is shown that the most crucial factors that dominate the magnitude and distribution of the soil pressure are the tunnel stiffness and dynamic soil-tunnel interaction. Moreover, the solid frame-pore water coupling has a prominent infl uence on the magnitude of the pore pressure. The fi ndings are benefi cial to obtain insight into the seismic soil pressure on underground tunnels, thus facilitating more accurate estimation of the seismic soil pressure.     

地下隧道轴向地震动土作用分析

以弹性基岩上覆层状场地中刚性衬砌隧道为模型,采用间接边界元方法求解衬砌隧道所受的沿轴向地震动土作用,通过参数分析揭示轴向动土作用的幅值大小、空间分布等基本规律。研究表明,土-隧道动力相互作用对地震动土作用的空间分布形式影响较小,但对地下隧道所受地震动土作用峰值大小具有显著影响,隧道主要位置点的地震动土作用峰值与隧道相应位置处自由场土层应力相比放大1.7~2.4倍。论文最后提出一个轴向地震动土作用的简化计算方法。     

Circular tunnels in sand: dynamic response and efficiency of seismic analysis methods at extreme lining flexibilities

The paper discusses the seismic response of circular tunnels in dry sand and investigates the efficiency of current seismic analysis methods at extreme lining flexibilities. Initially, a dynamic centrifuge test on a flexible circular model tunnel, embedded in dry sand, is analyzed by means of rigorous full dynamic analysis of the coupled soil–tunnel system, applying various non-linear soil and soil–tunnel interface models. The numerical results are compared to the experimental ones, aiming to better understand the recorded response and calibrate the numerical models. Then a series of numerical analyses are conducted using the validated numerical model, in order to investigate the effect of the tunnel lining rigidity on the dynamic response of the soil–tunnel system. In parallel, the accuracy of currently used simplified analysis methods is evaluated, by comparing their predictions with the results of the a priori more accurate and well validated numerical models. The comparative analyses allow us to highlight and discuss several crucial aspects of the soil-tunnel system seismic response, including (1) the post-earthquake residual values of the lining forces, which are amplified with the increase of the flexibility of the tunnel and (2) the importance of the soil-tunnel interface conditions. It is finally concluded that simplified analysis methods may provide a reasonable framework for the analysis at a preliminary stage, under certain conditions.     

地下综合管廊土-结构接触面参数对地震动力响应的影响数值分析

为研究土-结构接触面参数对地下综合管廊地震动力响应特征的影响,建立动力有限元数值模型,模型边界采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,土体本构采用HSS模型,接触面采用改进Goodman单元,动力荷载考虑三种情况(Rayleigh波的作用、底部激励了美国加利福尼亚Upland地震波以及前两者的共同作用),分别研究不同地震动输入、接触面折减系数的改变对综合管廊内力及加速度的影响。研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大,综合管廊设计时应考虑地震荷载作用下内力增大的情况;随着界面折减系数的增加,正弯矩极值减小,负弯矩极值增大,加速度峰值增大;在相同接触面折减系数条件下,底部地震波输入产生的结构内力极值显著高于仅有Rayleigh波输入的情况;考虑Rayleigh波和地震波共同作用条件下,引起的管廊结构内力极值与仅考虑底部地震波输入时的结构内力极值差异不大。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。     

Longitudinal integral response deformation method for the seismic analysis of a tunnel structure

For the longitudinal seismic response analysis of a tunnel structure under asynchronous earthquake excitations, a longitudinal integral response deformation method classified as a practical approach is proposed in this paper. The determinations of the structural critical moments when maximal deformations and internal forces in the longitudinal direction occur are deduced as well. When applying the proposed method, the static analysis of the free-field computation model subjected to the least favorable free-field deformation at the tunnel buried depth is performed first to calculate the equivalent input seismic loads. Then, the equivalent input seismic loads are imposed on the integral tunnel-foundation computation model to conduct the static calculation. Afterwards, the critical longitudinal seismic responses of the tunnel are obtained. The applicability of the new method is verified by comparing the seismic responses of a shield tunnel structure in Beijing, determined by the proposed procedure and by a dynamic time-history analysis under a series of obliquely incident out-ofplane and in-plane waves. The results show that the proposed method has a clear concept with high accuracy and simple progress. Meanwhile, this method provides a feasible way to determine the critical moments of the longitudinal seismic responses of a tunnel structure. Therefore, the proposed method can be effectively applied to analyze the seismic response of a long-line underground structure subjected to non-uniform excitations.     

Three-dimensional finite element analysis of the seismic behavior of inclined micropiles

This paper presents a thorough study of the behavior of inclined micropiles under seismic loading. Analysis is carried out using a full three-dimensional finite element modeling. The soil media is assumed to be elastic with Rayleigh damping, while micropiles are modeled as 3D elastic beam elements. The structure is described by a single degree of freedom system composed of a concentrated mass and a column. The paper is composed of four parts. The first part includes a literature survey on the behavior of inclined micropiles. The second part presents the numerical model used in this study. The third part concerns analysis related to the influence of micropiles inclination on the seismic behavior of a group of micropiles embedded in a homogeneous soil with a uniform stiffness. The last part deals with the seismic behavior of inclined micropiles embedded in a soil layer with a depth-based increasing stiffness. The results of this study provide valuable information about the influence of micropiles inclination on dynamic amplification and on the seismic-induced internal forces in micropiles.     

Seismic analysis of underground tunnels by the 2.5D finite/infinite element approach

A procedure for the seismic analysis of underground tunnels using recorded free-field earthquakes based on the 2.5D finite/infinite element approach is presented. The near and far fields of the half space are modeled by finite and infinite elements, respectively. Using the 1D wave theory, the nodal force and displacement on the near-field boundary are computed for each spectral frequency of the earthquake. Then, equivalent seismic forces are computed for the near-field boundary for the earthquake spectrum. By assuming the soil-tunnel system to be uniform along the tunnel axis, the 2.5D approach can account for the wave transmission along the tunnel axis, which reduces to the 2D case for infinite transmission velocity. The horizontal and vertical components of the 1999 Chi-Chi Earthquake (TCU068) are adopted as the free-field motions in the numerical analysis. The maximal stresses and distribution patterns of the tunnel section under the P- and SV-waves are thoroughly studied by the 2.5D and 2D approaches, which should prove useful to the design of underground tunnels.