地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(II):数值结果

利用地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射级数解答，定量分析了入射波长、入射角度、隧道直径、衬砌刚度等因素对沿线地表位移放大作用的影响。计算结果表明，当入射频率较低时，地下隧道的存在对地表位移幅值影响不大；而当入射频率较高时，地表位移幅值可以达到无隧道情况的4．5倍以上；衬砌情况下地表位移幅值可以高出非衬砌情况的87．8％。建议在地铁的规划设计中考虑地下隧道的建设对隧道沿线设计地震动的影响。     

P波作用下饱和土中输流管道动力响应

根据Biot波动理论,采用复变函数与多级坐标法,求解了P波作用下饱和土体中地下输流管道的波动散射方程,分析了管道中流体介质性质、入射波角度及管道埋深等对地下输流管道周边动应力集中系数及孔压集中系数分布的影响。计算结果表明：在低频弹性波入射时,管道周边动应力集中系数及孔压集中系数分布相对均匀,而随入射频率的增加,其分布变得复杂化,但其峰值有所减小;中低频波入射作用下,管道内为水、石油介质时,动应力集中系数和孔压集中系数较空气介质时小,而在高频波作用时情况相反;对于管道内流体介质为水时,随着入射角度的变化,应力集中分布也沿一定角度的方向发生转动,入射波自管道下方垂直入射时,管道周边动应力集中系数峰值相对较大;随埋深的增加,动应力集中系数和孔压集中系数均呈震荡减小的趋势。     

地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(I):级数解

利用波函数展开法,给出了地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射问题的一个级数解答,当衬砌与半空间介质相同时,该解答退化为文献中的无衬砌隧道的解答。级数解答为进一步定量研究隧道对入射平面P波和SV波的放大作用以及入射波长、入射角度、隧道直径和衬砌刚度等参数对隧道沿线地震动的影响奠定了理论基础。     

地下圆形衬砌隧道对沿线地震动的影响(Ⅰ):级数解

利用波函数展开法，给出了地下圆形衬砌隧道对入射平面P波和SV波散射问题的一个级数解答，当衬砌与半空间介质相同时，该解答退化为文献中的无衬砌隧道的解答。级数解答为进一步定量研究隧道对入射平面P波和SV波的放大作用以及入射波长、入射角度、隧道直径和衬砌刚度等参数对隧道沿线地震动的影响奠定了理论基础。     

隧道开挖对沟谷坡体变形影响及衬砌结构力学特性分析

某公路隧道洞口穿越黄土沟谷,受沟谷地形影响,该隧道为典型的偏压双孔隧道。基于沟谷地形地貌、隧道分布情况、黄土地层及隧道结构物理力学参数建立有限元数值计算模型,采用强度折减法分析左洞(埋深大)先行方案与右洞(埋深小)先行方案对沟谷坡体稳定性的影响,进一步研究不同施工方案下隧道衬砌结构受力特性。研究结果表明,左洞开挖对坡体滑动面及塑性区影响较大,并对坡脚位移的影响程度最大;隧道开挖先行洞的衬砌结构受力较大,左洞先行方案对衬砌影响程度大于右洞先行方案,但左洞先行方案对坡体稳定性有利。据此,建议该偏压隧道采用左洞(埋深大)先行方案,以减小隧道开挖对坡体的扰动,同时根据衬砌结构内侧受力薄弱点分布规律加强左、右洞衬砌设计。     

Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的散射

基于Biot的两相介质理论,采用间接边界积分方程法,求解了Rayleigh波在饱和半空间中圆形洞室周围的二维散射问题,分析了入射波频率、孔隙率、边界渗透条件和洞室埋深等参数对地表位移幅值、洞室表面和地表孔隙水压力的影响。研究结果表明,由于圆形洞室的存在,饱和半空间地表位移幅值和地表孔隙水压被明显放大:在透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了10.1倍和11.2倍;在不透水条件下,水平和竖向位移最大值分别比自由场放大了12.0倍和9.6倍,地表孔隙水压力放大了2.1~3.0倍。地表位移和孔隙水压力最大值均出现在入射波近端洞室边界附近。随着Rayleigh波入射频率的增大和洞室埋深的增加,地表位移幅值的放大作用有所减小。在相同孔隙率条件下,当入射频率为1.0时,洞室表面孔隙水压力最大;当入射频率为2.0时,洞室表面孔隙水压力最小,洞室表面最大孔隙水压力出现在洞室顶部。     

爆破地震波作用下既有圆形隧道衬砌动应力集中系数分析

将爆破地震波进行合理近似简化,采用波函数展开法,推导出无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩和衬砌动应力集中系数的表达式。结合具体算例,分析隧道不同位置上爆破地震波主频、隧道几何参数和隧道围岩和衬砌物理力学指标对动应力集中系数的影响。分析结果表明,爆破地震波主振频率对隧道围岩和衬砌中的动应力集中系数（DSCF）影响较大,隧道不同位置和不同方向应力的动应力集中系数随主振频率的变化趋势不同,低主振频率引起的动应力集中系数较大,不利于隧道的抗爆破振动;隧道几何参数对隧道围岩和衬砌内侧切向应力动应力集中系数影响趋势不同;隧道衬砌弹性模量对隧道结构动应力集中系数影响较大,泊松比次之;泊松比较大的隧道围岩具有一定的抗爆破振动作用,但效果有限。     

连拱隧道施工对洞口仰坡影响的三维数值分析

以江西某高速公路一浅埋偏压连拱隧道为例,采用Marc有限元程序对其出口段进行了动态施工的三维数值模拟。从施工过程中的应力集中、塑性区的分布形态和发展规律、仰坡轴向地表位移的分布特征等方面,系统研究了偏压连拱隧道施工对强风化岩体洞口仰坡的影响作用机制。结果表明:在模拟施工过程中塑性区和应力集中区只出现在洞体附近,可能的仰坡失稳往往是隧道施工失稳的累进性响应;洞口仰坡的轴向水平位移前缘大、后缘小,垂直位移后缘大、前缘小;隧道上方和近山脊一侧仰坡位移比近山谷一侧大,仰坡失稳往往从隧道上方和埋深较大一侧开始。     

平面P波入射下浅埋平行双洞隧道注浆加固减震机制

地震动作用下小净距隧道双洞之间存在动力放大效应,依托某强震区小净距盾构隧道工程,基于傅里叶贝塞尔级数展开法,给出了平面P波垂直入射下地下半空间弹性介质中圆形双洞复合式衬砌洞室动应力解析解,深入研究了洞室间距、隧道全环注浆加固参数对衬砌动应力集中的影响。研究表明：洞室间距对衬砌的动应力有显著影响,随着洞室之间距离减小,左右洞室衬砌动应力明显放大;2.5倍洞径可以作为双洞洞室动力临界净距,当洞室间距小于2.5倍洞径时,应进行抗减震设计;注浆全环加固隧道周边土体,可以明显降低衬砌动应力,随着注浆加固区土体刚度增加,衬砌动应力幅值减小;结合工程实际,建议注浆加固区厚度取0.5倍的洞室半径值,加固区岩体和围岩剪切波速度之比取1.2。     

层状场地中局部不均体对平面P波的散射

利用间接边界元方法,在频域内求解了层状场地中局部不均体对平面P波的散射。利用精确的土层动力刚度矩阵进行自由场反应分析,求得位移和应力响应。通过计算虚拟分布荷载的格林影响函数,求得相应位移和应力;根据边界条件确定虚拟分布荷载,最终得到问题的解答。研究了入射P波时,不均体宽度、埋深、厚度、入射角、入射频率度等参数对地表位移幅值的影响,并与相应自由场的结果进行了比较。不均体对P波散射有重要影响,在工程场地地震安全性评价中,应合理考虑局部不均体对场地设计地震动参数确定的影响。     

圆弧形沉积谷地对平面P波的三维散射解析解

采用大圆弧面来模拟半空间表面,利用波函数展开法在频域内给出了圆弧形沉积谷地形对平面P波三维散射的一个解析解,并以此解答为基础,进一步分析了入射波频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应的影响。数值结果表明,入射波的频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应有重要影响。     

Dynamic response of a circular lined tunnel with an imperfect interface subjected to cylindrical P-waves

The analytic solutions for the dynamic response of a circular lined tunnel with an imperfect interface subjected to cylindrical P-waves are presented in the paper. The wave function expansion method was used and the imperfect interface was modeled with a spring model. The interface separating the liner from the surrounding rock was considered to be homogeneous imperfect. The dynamic stress concentration factors (DSCF) of the rock and liner were evaluated and discussed. The effects of incident wave’s frequency, bonding conditions and distance between the wave source and the tunnel were examined. The results showed that the low-frequency incident wave leads to a higher DSCF than the high-frequency incident wave. The bonding conditions have a great effect on the dynamic response of the lined tunnel. When the bond is extremely weak, the resonance scattering phenomenon can be observed. When the distance between the wave source and the tunnel, depending on frequency of the incident wave, is considered as large, the cylindrical wave can be treated as a plane wave. Limiting cases were considered and good agreement with the solutions available in the literature was obtained.     

A complex variable solution for stress and displacement field around a lined circular tunnel at great depth

By applying the series expansion technique in the complex variable method established by Muskhelishvili, the plane elasticity problem for the stress and displacement field around a lined circular tunnel in conjunction with the consideration of misfit and interaction between the liner and the surrounding geomaterial is dealt with. The tunnel is assumed to be driven in a homogeneous and isotropic geomaterial. The coefficients in the Laurent series expansion of the stress functions are determined. The complex potentials in the liner and the surrounding geomaterial are explicitly derived, respectively. As an example, the case of a lined circular tunnel located in an isotropic initial stress field but subjected to uniform internal pressure is numerically considered. Numerical results indicate that the installation of tunnel liner can reduce the influences of the tunnel excavation on the in situ displacement and stress fields. However, the relative thickness and rigidity of the liner should be in an appropriate range. In addition, the effect of the tunnel excavation upon the displacement field is more significant than that upon the stress field. As far as the stress field in the surrounding geomaterial is concerned, when the ratio between the cover depth of tunnel and the tunnel radius is larger than 5, the results for the stress field in the paper are applicable. When the ratio between the tunnel depth and the tunnel radius is larger than 20, the results are applicable for the displacement field. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

平面P1波斜入射下海底洞室地震响应解析分析

基于无黏性可压缩理想流体介质波动理论和Biot流体饱和多孔介质波动理论,考虑水下饱和土的流固耦合,借助Hankel函数积分变换法(HFITM)给出入射平面P1波在海底洞室周围散射问题的解析解。相比传统研究中的"大圆弧假定",Hankel函数积分变换法可以较好地处理半空间表面边界条件。利用该解析解,计算分析了洞室表面透水条件、入射角度、入射频率、海水水深和饱和土的孔隙率等因素对水-土交界面处水平位移、竖向位移和洞室表面动水压力、环周总应力的影响。结果表明:洞室表面透水条件对水-土交界面处水平位移和竖向位移影响较小;随着斜入射角的增加,水-土交界面处竖向位移减小;随着入射频率的增加,水-土交界面处水平位移随之增加;海水水深为2.5倍SV波的波长时,水-土交界面处水平位移及洞室表面动水压力最大值最大;随着孔隙率的增加,水-土交界面处水平位移、竖向位移和洞室表面环周总应力减小,而洞室表面动水压力随之增加。     

沉积河谷-建筑群地震动力相互作用的二维IBEM模拟

众多城市坐落于沉积河谷之中,沉积河谷-密集建筑群间的地震动力相互作用规律尚不明确。采用间接边界元方法（IBEM）,对在平面SV波入射下,沉积河谷-建筑群之间的地震相互作用进行二维模拟计算和参数分析。研究结果表明：沉积河谷-建筑群间存在着显著而复杂的地震动力相互作用;较浅沉积河谷中建筑群地震响应呈现强弱交替变换特征;入射波角度、沉积河谷的材料、几何特征是影响沉积河谷-建筑群整体地震响应规律的关键因素。总体上看,建筑群对浅沉积河谷地震动响应有较大的降幅效应,特别是高频波入射下最大降幅近50%。实际河谷地震放大效应评估需考虑密集建筑群的影响,而位于地震波聚焦位置的建筑物需适当提高设防标准。     

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。