平面P波入射下深埋圆形复合式衬砌隧道抗减震机理研究

基于Fourier-Bessel级数展开法,研究深埋圆形三层复合式衬砌洞室在平面P波入射下的动应力集中问题,并给出三层衬砌洞室动应力集中系数级数解析解;依托某IX度地震区管道隧道实际工程,分析不同衬砌刚度组合和厚度组合对洞室动应力集中系数的影响。研究表明:注浆加固洞室围岩和设置减震层都可以降低二次衬砌动应力集中系数;增大围岩注浆区弹性模量和厚度,有利于减小衬砌动应力集中系数,最优围岩注浆区厚度为1倍洞室净空半径;减震层弹性模量降低,减震层厚度增大,二次衬砌动应力集中系数变小,减震层弹性模量宜低于围岩弹模1/20,最优减震层厚度宜取1/50的洞室内净空半径。最后针对实际管道隧道抗减震技术,考虑围岩稳定性,提出"围岩-加固圈-减震层-衬砌"新型减震结构,分析结果表明:对比其他三种抗减震措施,新型减震结构的减震效果最好。     

地下圆形衬砌洞室在平面P波入射下的动应力集中:三维级数解

利用波函数展开法,研究了地下圆形衬砌洞室在入射平面P波作用下的动应力集中问题并给出了三维级数解。研究表明:(1)衬砌刚度对环向与轴向动应力集中系数都具有重要影响,刚性衬砌、无衬砌和柔性衬砌三种情况下的动应力集中系数在空间上的分布基本相同,但刚性衬砌情况的动应力集中系数最大,无衬砌情况次之,柔性衬砌情况最小,波阵面夹角入射时1δ=45°,环向与轴向动应力集中系数最大可分别达到16.62与8.53;(2)随着入射频率的增大,环向动应力集中系数在多数情况下逐渐减小;(3)波入射角度对动应力集中系数也有很大影响,随着入射波与y轴夹角2δ的增加,环向动应力集中系数总体上逐渐减小,而轴向动应力集中系数多数情况下逐渐增大。     

饱和土中圆柱形衬砌对瞬态弹性波的散射

基于Biot波动理论,运用Laplace变换和波函数展开法,得到瞬态弹性波入射条件下饱和土体及圆柱形衬砌的位移应力表达式.利用饱和土体与衬砌结构的连续条件和衬砌结构内边界上的应力自由条件确定表达式中的未知系数.利用Laplace逆变换的数值方法给出了问题的数值解.研究了衬砌结构的动应力集中系数的波型特性及材料剪切模量和衬砌厚度对动应力集中系数的影响.结论表明随着阶数n的增大波型明显衰减;土体较衬砌结构软时动应力集中系数越大;衬砌结构厚度越大动应力系数越小.     

土-结构接触面对圆形隧道动力反应的影响

土与地下结构在强震作用下可能会发生脱离和滑移,对地下结构的动力特性有较大的影响。研究了FLAC软件中接触面单元的力学原理,利用该软件对圆形隧道进行了地震反应模拟分析,对比分析了土与隧道衬砌之间考虑滑移与未考虑滑移两种情况下隧道的动力响应,给出了隧道衬砌不同位置处围岩与衬砌相对滑移量的分布规律。结果表明:考虑土与衬砌之间的滑移时,隧道衬砌的动轴力极值要明显低于未考虑滑移的情况;隧道衬砌的动弯矩极值和动剪力极值要高于未考虑滑移时的结果;圆形隧道的底部与两侧滑移量较大。在实际抗震设计中应考虑土与衬砌之间滑移对隧道抗震性能的影响。     

柱面SH波在地下圆形衬砌洞室周围散射解析解

采用波函数展开法给出了半空间中柱面SH波在圆形衬砌洞室周围散射的解析解,并对解答的精度进行了分析。通过数值算例分析了入射频率、波源与洞室的距离、洞室埋深、衬砌刚度等对洞室衬砌动应力集中因子的影响。研究表明,柱面波在地下衬砌洞室周围的散射与平面波情况有着显著的差别,衬砌动应力集中因子和波源与洞室的距离密切相关;柱面波在全空间衬砌洞室周围的散射与半空间情况有着显著的差别,半空间地表对动应力集中因子有着重要影响。     

分离式双圆形隧道衬砌对平面SH波的散射

采用波函数展开法,将入射、散射和折射SH波的位移势函数展开成Fourier-Bessel函数的级数形式,根据Graf加法定理,得到了任一局部圆柱坐标系下的波场势函数的表达式.根据隧道衬砌与周围岩体都在界面处应力和位移连续及衬砌内边界完全自由的边界条件,得到了分离式双隧道衬砌对入射平面,SH波的多重散射问题的理论解.通过数值计算分析得出:入射频率、衬砌间距、衬砌与围岩的模量比及衬砌的厚度等是影响衬砌内侧的无量纲位移和动应力集中因子分布的重要因素,为双衬砌或多衬砌的地震评价提供了理论依据.     

铅芯对厚层铅芯橡胶支座竖向力学性能的影响

厚层铅芯橡胶支座具有同时隔离水平地震动和竖向地震动的三维隔震性能,其竖向刚度是影响厚层橡胶支座竖向隔震性能的关键因素。基于厚层铅芯橡胶支座三维有限元模型,研究铅芯对厚层铅芯橡胶支座竖向刚度的影响,模型分析中考虑铅芯与周边边界的不同约束情况,研究铅芯的边界约束条件对支座竖向刚度的影响,分析结果表明,铅芯单元边界约束考虑法向可分离、切向可滑移且边界接触摩擦系数取0.9时较为符合支座实际情况。研究了铅芯直径对支座竖向刚度的影响,结果表明,铅芯对支座竖向刚度的贡献除铅芯材料自身刚度及其边界约束条件外,尚应考虑铅芯直径的影响。同时进行了支座性能试验,通过有限元分析结果与试验结果的比较,验证有限元分析方法的有效性及铅芯边界约束条件定义的合理性。     

基于黏弹性边界的地下隧道非线性地震响应分析模型

采用黏弹性边界方法和地震动输入等效节点力方法模拟半无限场地的地震激励,结合通用有限元软件ANSYS,建立地下隧道地震响应分析模型。模型采用等效线性化方法模拟土体非线性,采用瑞利阻尼和材料阻尼相结合方法模拟土体阻尼,分别考虑衬砌中混凝土和钢筋的非线性,以及衬砌和土体之间的接触。通过与文献比较,对整体模型的精度进行验证,并以天津市深厚覆盖层场地中某地铁双隧道为例进行非线性地震响应分析。研究表明,隧道间距较小时隧道之间存在显著相互作用,非线性地震动应力显著增大。本文模型可用于地下隧道一类结构的抗震验算分析。     

基于黏弹性边界的地下隧道非线性地震响应分析模型

采用黏弹性边界方法和地震动输入等效节点力方法模拟半无限场地的地震激励,结合通用有限元软件ANSYS,建立地下隧道地震响应分析模型。模型采用等效线性化方法模拟土体非线性,采用瑞利阻尼和材料阻尼相结合方法模拟土体阻尼,分别考虑衬砌中混凝土和钢筋的非线性,以及衬砌和土体之间的接触。通过与文献比较,对整体模型的精度进行验证,并以天津市深厚覆盖层场地中某地铁双隧道为例进行非线性地震响应分析。研究表明,隧道间距较小时隧道之间存在显著相互作用,非线性地震动应力显著增大。本文模型可用于地下隧道一类结构的抗震验算分析。     

SV波斜入射时双线并行地铁隧道横截面地震响应分析

SV波以大角度斜入射时,场地伴随更大的竖向地震作用,这很可能使得地铁隧道地震响应特点异于小角度斜入射情况。基于粘弹性人工边界理论,采用频域刚度矩阵法计算任意角度斜入射SV波的地震动输入等效节点力,通过ABAQUS有限元软件建立自由场模型,验证了0°、30°、40°和50°斜入射SV波地震动输入的准确性;在此基础上建立任意角度斜入射SV波作用下的地下双线并行圆形地铁隧道地震响应分析数值模型,从场地类别、隧道埋深和双隧道间距等方面分析SV波入射角度对隧道结构横断面地震响应的影响。研究表明:入射角度0°及略大于SV波临界角的入射角度是浅埋圆形地铁隧道结构抗震的最不利角度,尤其对于Ⅱ类场地,若仅在临界角以内研究衬砌结构的地震响应,将显著低估衬砌结构的动力响应;此外,隧道埋深对衬砌动弯矩、动轴力峰值具有显著影响,这种影响与场地类别密切相关;Ⅱ类和Ⅲ类场地中小隧道间距条件下隧道间的动力相互作用对衬砌结构动力响应具有一定的增大效应,而Ⅳ类场地中可忽略隧道间的动力相互作用对衬砌结构动力响应所产生的影响。     

Dynamic interaction of twin vertically overlapping lined tunnels in an elastic half space subjected to incident plane waves

The scattering of plane harmonic P and SV waves by a pair of vertically overlapping lined tunnels buried in an elastic half space is solved using a semi-analytic indirect boundary integration equation method. Then the effect of the distance between the two tunnels, the stiffness and density of the lining material, and the incident frequency on the seismic response of the tunnels is investigated. Numerical results demonstrate that the dynamic interaction between the twin tunnels cannot be ignored and the lower tunnel has a significant shielding effect on the upper tunnel for high-frequency incident waves, resulting in great decrease of the dynamic hoop stress in the upper tunnel; for the low-frequency incident waves, in contrast, the lower tunnel can lead to amplification effect on the upper tunnel. It also reveals that the frequency-spectrum characteristics of dynamic stress of the lower tunnel are significantly different from those of the upper tunnel. In addition, for incident P waves in low-frequency region, the soft lining tunnels have significant amplification effect on the surface displacement amplitude, which is slightly larger than that of the corresponding single tunnel.     

地震波斜入射下层状场地中地下综合管廊地震响应分析

利用黏弹性人工边界和等效地震荷载时域波动输入方法,结合土层和半空间的精确动力刚度矩阵,实现了地震波斜入射下层状场地地下综合管廊地震反应分析,建立了不同场地条件下地下综合管廊分析模型。计算结果表明:地震波倾斜入射情况下,综合管廊结构地震响应与垂直入射时具有显著差异,一般SV波以30°临界角附近入射时结构地震反应最为剧烈;地下综合管廊动应力集中主要分布在管廊角部、中柱上下端;成层土波速结构变化对地下综合管廊地震反应亦具有显著影响。总体上看:当穿越软夹层时管廊结构地震反应更为剧烈,且覆盖层越厚,管廊结构内力幅值越大。因此地下综合管廊结构抗震设计宜考虑地震波倾斜入射及场地土层性质的影响。     

平面SH波作用下衬砌隧道对地下地震动的影响

以地下隧道对附近场地动力特性的影响为研究目标,基于弹性波动理论,利用波函数展开法和镜像法,分析了弹性半空间中圆形衬砌隧道对平面SH波入射产生的散射问题,得到了地下圆形衬砌隧道附近场地位移的级数解答。通过数值算例分析了地下圆形衬砌隧道对场地动力响应的影响,重点考察了SH波入射角度、入射频率和隧道埋深、衬砌刚度对隧道周围土体动力响应随深度变化的影响规律。结果表明,地下隧道对沿线场地的地下地震动影响显著。     

2D numerical investigation of segmental tunnel lining under seismic loading

Segmental tunnel linings are now often used for seismic areas. However, the influence of segment joints on the segmental lining behavior under seismic loading has not been thoroughly considered in the literature. This paper presents a numerical study, which has been performed under seismic circumstance, to investigate the factors that affect segmental tunnel lining behavior. Analyses have been carried out using a two-dimensional finite difference element model. The proposed model allows studying the effect of the rotational joint stiffness, radial stiffness and the axial stiffness of the longitudinal joints. The numerical results show that a segmental lining can perform better than a continuous lining during earthquake. It has been seen that the influence of the joint distribution, the joint rotational stiffness, the joint axial stiffness, Young׳s modulus of the ground surrounding the tunnel, the lateral earth pressure factor and the maximum shear strain should not be neglected. Some important differences of the segmental tunnel lining behavior under static and seismic conditions have been highlighted.     

粘弹性人工边界单元及地震动输入方法比较研究

本文引用一致粘弹性边界的概念,推导了与一致粘弹性边界等效的粘弹性边界单元,得到了粘弹性边界单元的刚度矩阵和阻尼矩阵。通过对比粘弹性边界单元阻尼系数不同取值的计算精度,给出了阻尼系数推荐取值。在输入地震动时,采用一种基于局部人工边界的子结构输入方法,实现了和波动法相同的输入效果,并且避免了复杂的应力计算和荷载作用方向判断等问题,应用更加方便。采用自由场的算例,比较了人工边界和不同输入方式的组合在SV波垂直入射时的模拟精度。为了说明边界单元的变形对计算结果的影响,提出了使用底边界输入位移幅值u_max和边界单元宽度b的比值ε=u_max/b作为变形指标,调节边界单元边长尺寸。通过算例给出了ε的推荐取值。最后,选取合适的ε后建立一个圆形孔洞散射场地模型,对散射场地模型的模拟结果验证了粘弹性边界单元和子结构输入方式应用于散射场地时仍具有较高精度。     

进洞高程对黄土隧道洞口衬砌和仰坡动力响应的影响

针对黄土边坡与隧道洞口段衬砌的相互作用问题,运用数值模拟的方法分析了以不同进洞高程进洞时黄土隧道洞口段衬砌的动力响应特征和洞口仰坡的动力稳定性。结果表明:进洞高程越大,洞口段隧道衬砌的位移响应与内力响应越大;随着进洞高程的增大,坡面位移放大系数在减小,不同进洞高程进洞时坡面位移放大系数均呈先增大后减小再增大的变化趋势。在0.2~0.6H时变化最为剧烈,0.4H左右时位移放大系数达到了最大值;不同进洞高程进洞时坡面中心和水平方向距离隧道结构1.5D处的坡面位移放大系数变化趋势基本一致,其大小关系为:纯边坡位移放大系数 < 有隧道结构中面位移放大系数 < 距隧道1.5D位移放大系数;随着进洞高程的增大,剪应变增量和坡面位移均在减小,坡面的稳定性在增强。该研究可为黄土地区隧道进洞高程的选择提供一定的参考。     

高烈度区公路隧道横通道地震响应分析

双洞隧道主隧道与横通道交接部位是隧道抗震中的薄弱位置,以穿越高烈度区隧道为背景,采用MIDAS GTS-NX有限元分析软件,对在汶川地震动作用下的公路隧道横通道进行地震响应分析。在X方向和Y方向地震动荷载的共同作用下,通过对围岩和衬砌的计算结果研究,得出以下结论:隧道整体的最大相对位移主要发生在主隧道与横通道拱顶和连接处;衬砌相对位移随埋深增加而减小;隧道产生的横向变形更大;横通道边墙位置更容易受到剪切破坏,主隧道与横通道连接处拱脚的弯矩、剪力、最大主应力和最大剪应力最大,应重点采取设防措施。     

波浪荷载作用下海底隧道-孔隙海床的动力分析

孔隙海床在波浪荷载作用下其有效应力减小、孔隙水压力增加,这将影响孔隙海床中隧道的稳定性,因此,研究在波浪荷载作用下孔隙海床与隧道的动力响应具有重要的工程意义。本文基于Biot的动力固结理论和弹性动力学理论建立波浪荷载作用下孔隙海床与海底隧道的动力分析模型,并同时考虑海底隧道与海床之间的接触效应、边界效应等对海底隧道内力的影响。最后通过变换海床的变形模量、渗透系数和海底隧道的半径、埋深等,观察其对海床土孔隙水压力和海底隧道内力的影响,为海底隧道的设计提供依据。     

Dynamic response of a piecewise circular tunnel embedded in a poroelastic medium

Recently, considerable efforts have been devoted to evaluation of seismic dynamic response of a circular tunnel. Conventional approaches have considered integral liners embedded in an elastic medium. In this study, we re-examine the problem with piecewise liners embedded in a porous medium. Surrounding saturated porous medium of tunnels is described by Biot's poroelastic theory, while the liner pieces and the connecting joints are treated as curved beams and characterized by curved beam theories. The scattered wave field in the porous medium is obtained by the wave function expansion method. The differential equations governing the vibration of a curved beam is discretized by the General Differential Quadrature (GDQ) method. The domain decomposition method is used to establish the global discrete dynamic equations for the piecewise tunnel. The surrounding soil and the tunnel are coupled together via the stress and the displacement continuation conditions which are implemented by the boundary collocation method. Numerical results demonstrate that the stiffness difference between the liner piece and the connecting joints has a considerable influence on the internal forces of the liner piece.