盾构隧道抗震分析的静力推覆方法

利用动力时程法对盾构隧道进行抗震分析时,计算时间长,工作量大,土体本构以及阻尼的选择困难,不利于工程设计广泛应用。为了解决这些困难,借鉴地上结构静力推覆分析方法的思想,并结合盾构隧道的地震响应主要由周围土体的地震响应所控制的这一特点,改进了静力推覆方法中的水平加载模式,提出了适用于盾构隧道抗震分析的静力推覆分析方法,并引入了隧道倾斜度的概念来衡量隧道的抗震性能。此法通过对计算模型施加沿地层深度方向分布的倒三角侧向水平位移,来模拟地震对盾构隧道的作用,概念清楚,考虑了隧道与周围土体的相互作用,避免了在动力时程分析中所涉及的土体本构和阻尼的选择、计算模型边界条件等复杂问题,大大降低了盾构隧道抗震分析的难度,同时,可以得到隧道的抗震能力曲线。与动力时程分析的对比结果表明,在弹性阶段,此法的计算结果合理,具有较高的精度,适用于盾构隧道抗震设计。     

正交各向异性岩体中地下洞室稳定的粘弹-粘塑性三维有限元分析

建立了一种正交各向异性岩体的粘弹－粘塑性模型，推导和描述了相应的数值计算表达式和有限元分析的步骤，并使用所编制的三维有限元程序，以在层状岩体（横观各向同性介质）中的地下洞室开挖为算例，考察了围岩的流变动态，得出了几点结论。     

盾构地铁隧道区间在地震作用下的三维动力时程响应分析

地铁已成为城市地下空间结构和轨道交通网络的重要组成部分。为预估和降低地震灾害的影响,以西安盾构地铁区间隧道为例,建立了地铁隧道区间三维计算模型,进行三维抗震时程响应分析。采用粘弹性局部人工边界模拟地基结构的半无限性,利用不同超越概率水平下的地震动参数作为参考,考虑相位随机性影响,拟合地震动时程样本,建立了地基与结构相互作用的三维有限元模型。计算结果表明,地震发生时,顶部、底面、侧面、以及联络通道处虽产生变形影响,但均在规范规定范围内;位移时程曲线、位移分布云图、拉压应力云图清楚显示区间结构在地震持续时的抗震情况,数据表明结构最不利位置在联络通道处,而内力和变形均满足规范安全要求。     

软土地下结构的地震土压力分析研究

在软土室内动力试验和有限元有效应力动力反应分析基础上,采用一种能够全面考虑软土振动孔压上升及消散、震陷、土-结构动力相互作用等因素的软土地下建筑物抗震稳定分析方法,对上海地铁一号线典型地铁车站结构进行地震土压力计算分析。据此对各类常用地震土压力简化计算方法进行评价,为今后改进地震土压力计算方法、提高软土地下建筑抗震设计水平提供了依据。     

深埋隧道层状岩体弹塑性本构模型研究

共和隧道围岩为薄层状灰岩,岩样试件单轴压缩全过程曲线表现为明显的各向异性,且隧道现场监测发现围岩屈服破坏也具有明显的方向性。据此选择合适的屈服准则及其强度参数随岩层倾角（与最大主应力的夹角）变化规律。结合各向异性弹性本构方程,获得横观各向同性弹塑性本构关系并利用C++语言实现。利用该本构模型对共和隧道进行数值模拟,计算结果与破坏特征基本吻合,验证了该模型的正确性,可以用于该隧道支护设计及稳定性分析。     

土-地下结构体系地震反应的简化分析方法

基于Penzien提出的土-结构动力相互作用分析的集中质量模型,考虑等价土体的层间剪切刚度与阻尼效应,提出了土-地下结构动力相互作用体系地震反应分析的简化分析方法,选取具有不同地震动特性的Taft波、汶川地震什邡八角波和松潘波作为基岩水平向输入地震动,采用该简化方法和二维有限元法对土-地铁地下车站结构体系的地震加速度反应特性进行了对比分析,结果表明：简化方法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应大于二维有限元法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应,两者的差异与输入地震动特性有关,但其随地铁地下车站结构高度变化的总体趋势较为一致;随着输入地震动强度的增大,其差异程度也有所加大。该简化方法可合理反映土-地下结构体系的动力相互作用效应,可作为地下结构抗震设计分析的一种辅助方法。     

层状岩体深埋长隧道锚杆支护优化设计

层状岩体是地下工程中经常遇到的一种岩体,力学性质具有明显的各向异性。选择合适的屈服准则和强度参数变化规律,结合各向异性弹性本构方程,获得横观各向同性弹塑性本构关系,利用该本构模型对共和隧道锚杆支护方案进行数值计算。首先考虑地应力、岩性的影响,从围岩的变形、破坏形式、塑性区及锚杆拉力的大小等方面改进、优化支护设计方案;其次从实际工程出发,考虑施工难度、工程造价等因素的影响,得到改进方案Ⅰ效果较理想,通过试验段现场监测确定改进方案I。本构模型对计算结果的影响很大,正确模型的计算结果可以为实际工程提供科学依据。     

列车荷载下轨道系统-层状横观各向同性饱和地基动力响应

基于Biot波动理论,构建列车荷载-轨道系统-双层状横观各向同性饱和地基模型,将模型分为上覆路轨系统和地层系统。对上覆路轨系统和地层系统处理,并利用双重Fourier变换技术,在变换域中将横观各向同性饱和地基动力响应的求解简化为求解一个6阶控制方程的特征值问题,进而得到了列车荷载作用下双层横观各向同性饱和地基力响应的解析结果。利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果,重点分析了上下土层的刚度和泊松比对位移和孔隙水压力和剪切应力响应的影响,结果表明,上、下土层刚度差异对地基动力响应有较大影响,土层各向异性参数中模量的影响较泊松比大。计算结果可为软土路基加固深度的确定提供理论依据。     

层状横观各向同性地基平面应变问题的扩展精细积分解

利用扩展精细积分法求解横观各向同性地基的平面应变问题。扩展精细积分法具有高精度和较高计算效率的特点,是求解微分方程的有效方法,相比于解析法可以节省大量理论推导工作量。从直角坐标下弹性力学控制方程出发,推导出Fourier变换域内地基的常微分矩阵方程;之后对地基微层元进行消元合并,进一步得到荷载作用在地基内部时层状地基的扩展精细积解。与已有文献的对比验证了方法的精确性,并分析了横观各向同性参数、层状性质和荷载作用点对计算结果的影响。结果表明：土体竖向位移随着横观各向同性参数n的增大而减小,而随着横观各向同性参数m的增大而增大;荷载作用点 的变化只对作用点以上的土体有影响,而上层土体的模量对竖向位移计算结果的影响更为显著,土体成层性对沉降的影响要比对竖向应力的影响更为显著。     

盾构隧道地震响应分析方法及工程应用

盾构隧道在地震作用下可发生接头螺栓剪断、管片开裂、管片端部混凝土脱落、大变形及错台等震害,将影响隧道的安全与正常使用,因此,建立合理的分析模型与计算方法来研究隧道可能的震害具有重要的工程防震减灾意义。采用嵌入梁单元模拟接头,厚壳单元模拟管片,无限元作为动力人工边界,同时在管片之间及管片与地层间设置非连续接触关系,更好地模拟了管片厚度方向应力及管片与地层间的相互作用,建立了厚壳-接触-无限元地震响应分析模型。并将该模型运用于某大直径越江盾构隧道的抗震分析中,计算结果与盾构隧道震害特征较为吻合,表明该模型可反映盾构隧道的真实地震动响应。并应用该模型分析了壁后注浆层材料参数及结构与土体相互作用对管片动力响应的影响。所建模型对于研究盾构或TBM施工隧道的震害分析具有很好的推广价值。     

软土隧道横向抗震分析的简化响应位移法

响应位移法能够反映软土隧道在地震荷载作用下的动力反应特性,是一种简便实用的隧道抗震设计简化分析方法。以方形截面隧道为例,采用地层－结构整体动力有限元方法,验证了响应位移法的准确性与合理性;为了简化响应位移法的计算过程,基于平面应变假定,采用弹性理论的复变函数方法推导了土弹簧刚度的解析表达式,并与有限元解进行了对比分析。将土弹簧刚度的解析表达式应用到响应位移法的计算中,同时采用地层剪应力及自由场地震反应位移的简化计算模式,将简化后的响应位移法和整体动力有限元法进行了对比分析,验证了简化方法的可行性。     

Physical and Numerical Modeling of Seismic Soil-Structure Interaction in Layered Soils

The structural response of buildings subjected to seismic loads is affected by local site conditions and the interaction between the structure and the supporting soil media. Seismic centrifuge model tests were conducted on two layered clay soil profiles at 80 g field to investigate soil-structure interaction and dynamic response of foundation. Several earthquake-like shaking events were applied to the models using an electro-hydraulic shaking table to simulate linear and nonlinear soil behavior. Results showed that the foundation input motion was significantly amplified in both models, especially for weak earthquake motions. Seismic soil-structure interaction was found to have an important effect on structure response by increasing the amplification of foundation input motion. A 3D finite difference numerical model was also developed to simulate the response of centrifuge model tests and study the parameters that affect the characteristics of earthquake at the base of the structure. The results indicated that the stiffness and stratification of the soil profiles had a significant effect on modifying the foundation input motion.     

Effect of stress disturbance induced by construction on the seismic response of shallow bored tunnels

This paper examines the effect of the stress disturbance induced by tunnel construction on the completed tunnel’s seismic response. The convergence-confinement method is used to simulate the tunnel construction prior to the dynamic analysis. The analysis is performed using the finite element method and drained soil behaviour is simulated with an advanced multi-mechanism elastoplastic model, utilising parameters derived from laboratory testing of Toyoura sand. The response of the soil and of the lining during dynamic loading is studied. It is shown that stress disturbance due to tunnel construction may significantly increase lining forces induced by earthquake loading, and Wang’s elastic solution appears to underestimate the increase.     

地震荷载作用下大坂盾构隧道管片配筋校核

将盾构隧道管片视为分段曲梁、管片之间为铰接关系、管片与地层之间为非线性接触关系,边界采用无限元吸收地震波的反向与折射,地层服从Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,地震波采用EI-Centro波,采用地层-结构法,应用隐式动力有限元分析地震荷载作用下管片轴力与弯矩分布情况。根据有限元计算结果,结合结构力学方法,校核管片配筋是否合理。与荷载结构法相比,其方法可模拟围岩与管片、管片与管片之间的相互关系,并可考虑锚杆等支护结构对管片受力的影响,因而,计算结果更为精确。研究为盾构隧道管片配筋优化设计,降低隧道支护成本,提供了一种管片配筋校核计算方法与设计依据。     

基于耦合分析法的地铁隧道抗震研究

在土体与结构动力相互作用理论的基础上,提出用有限元和无限元耦合分析法对地铁隧道结构进行抗震分析。为考虑相互作用的非线性特点,选用Ramberg-Osgood骨架曲线来模拟土体本构关系的非线性特性,同时选用GOODMAN单元来模拟土与结构接触面上的非线性接触状态。以双洞口矩形隧道结构为例进行了动力反应的分析与比较,得到了一些有益的规律和结论。     

可液化土中地铁结构的地震响应

在饱和土耦合作用与土和结构相互作用理论基础上,以地铁车站为例,用有限元法研究地下结构在地震液化作用下的响应。所采用的软件为动力两相体非线性有限元软件Dyna-Swandyne-II,该软件可以应用先进的Pastor-Zienkiewicz III广义塑性模型模拟可液化土的动力特性,应用u-p形式的Biot方程,在有限元分析中充分考虑孔隙水与土之间的耦合,同时考虑地下结构与饱和土在动力作用下的非线性相互作用。分析了地铁车站的动力响应,包括地铁内力、加速度以及地铁位移。研究结果表明,地铁结构在地震液化作用下会产生较大的上浮,从而对结构造成比较严重的破坏;地铁结构在地震作用下的最大内力位于结构的交接处。因此,结构交接处的配筋应该格外小心。     

地震作用下复合地基-筏板-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析

基于复合地基-上部结构相互作用的静力分析已取得一定的研究成果,但其在动力荷载作用下,特别是地震作用下的动力响应却相当匮乏。首先借助有关试验通过ABAQUS和EERA的模拟分析,验证了基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性模型能较好地反映土体非线性动力特性以及采用有限元与无限元耦合的方法对土体无限边界的模拟。在此基础上,针对实际问题建立了刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,对其进行动力弹塑性时程分析,并讨论了该复合地基与桩基对地震响应的差异。深入研究了不同强度地震作用下,刚性桩复合地基的工作机制,包括桩体、褥垫层、筏板的动力响应以及上部结构的地震反应和抗震性能。结果表明,小震时褥垫层基本没有减震效果,大震时复合地基的抗震性能优于桩基。地震越强烈,减震效果越明显,但作用有限,减震系数一般在0.8以上,可为工程实践提供参考。     

层状岩体地下洞室破坏模式数值模型及验证

基于层面法向局部坐标系中的横观各向同性弹性本构模型,根据层面产状方位角,推导出整体坐标系中弹性应力的转换方法。针对层状岩体的各向异性特征,将岩体的破坏模式细分为5种,分别对每一种破坏模式建立各自的判别函数和屈服准则,根据塑性流动正交法则推导出相应的应力修正迭代计算方法。通过单轴、三轴压缩数值试验,对层状岩体的强度和变形性质进行研究,分析层面倾角和围压对层状岩体力学行为的影响。将所建模型与FLAC3D自带的横观各向同性弹性模型以及遍布节理模型进行对比,验证模型的正确性及精度。同时,将模型应用于三向等压理想圆形隧洞的开挖计算中,分析层状岩体破坏方式受层面方位角影响的变化规律,分析结果表明层面对围岩破坏模式和塑性区扩展方向起到了控制作用。