考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。     

穿越上软下硬地层海底隧道衬砌横向地震响应分析

海底隧道主体通常埋置于海下基岩内,两端以一定的坡度上升连接至地面,其上岸段通常会穿越不同性质的地层。由于各地层力学性能存在较大的差异,容易引起应力集中,从而导致隧道结构发生破坏。文中以穿越上软下硬地层上岸段海底隧道为研究对象,采用ABAQUS有限元软件建立数值模型,分别使用动力时程分析方法和拟静力分析方法研究穿越不同性质地层的隧道结构地震响应。在动力时程分析中,分别建立了穿越上软下硬地层、均质岩石地层和均质硬土地层3种工况的隧道模型。分析表明,隧道穿越上软下硬地层时,内力最大,且变形不均匀,穿越均质岩石地层时内力最小。在拟静力分析中,通过对土体施加一维等效线性分析得到场地变形计算隧道的反应。分析表明,拟静力分析方法所得结果与动力分析方法所得结果基本吻合,但拟静力法效率更高,更便于复杂隧道结构的地震响应分析。     

饱和砂土地铁车站的振动台试验研究

地震作用下,饱和砂土地层地铁车站的动力反应特征是城市轨道工程抗震的关键问题。以太原地铁新近沉积粉细砂地层地铁工程为对象,通过模拟地震运动输入的饱和砂土地基地下结构的振动台模型试验,分析了不同峰值加速度地震作用下饱和砂土与地下结构相互作用的动力反应性状。研究了地震波作用的放大效应与频率特征,动孔压比增长发展过程和液化区域分布,以及动土压力的变化规律。表明加速度放大系数为1.5~2.0;0.1~0.25g峰值加速度地震作用下饱和砂土均产生动孔隙水压力累计发展;0.3g峰值加速度地震作用下饱和砂土产生液化,抑制了土与地下结构的振动放大效应,地表面大量冒水,结构模型出现了明显上浮,地下结构两侧产生震陷。     

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。     

西安地铁双线隧道地表沉降预测模型研究

针对西安地铁留核心土、上下半洞开挖、超前小导管注浆加固与水平钢撑锁脚的钢拱架和挂网喷层支护的饱和黄土隧道,根据现场地面沉降监测数据,分析了隧道右线、左线掌子面间隔30m开挖过程中洞顶地表沉降变形的历时变化规律,以及左、右线单洞沉降槽和双线沉降槽的分布特征。结果表明,洞顶地表沉降变形可以划分为初期沉降变形、右线开挖主变形、左线开挖主变形及沉降变形稳定4个阶段;左、右线单洞沉降槽和双线沉降槽均可用高斯分布曲线拟合。基于沉降槽Peck公式及O’Reilly和New最大沉降与隧道埋深的关系,得到了饱和黄土隧道单洞与双洞地面沉降槽的宽度和最大沉降,以及右、左线隧道先后开挖单洞的沉降槽宽度比和最大沉降比。考虑双线隧道洞间距、左右洞先后开挖地层松动相互影响以及围岩饱和黄土固结变形的影响,提出了一种饱和黄土隧道双洞开挖施工引起地表沉降的预测模型,验证了该预测模型应用的可靠性。     

地铁隧道-地层动力相互作用模型试验参数设计

以西安地铁2号线为研究原型,根据模型试验相似准则,设计了列车荷载作用下地裂缝-地铁隧道-地层动力相互作用试验模型。根据试验需求及场地条件,确定采用模型试验箱进行试验,模型试验箱考虑了地铁隧道与地裂缝的不同交角,可以分别模拟地铁隧道与地裂缝呈90°正交、60°斜交、30°斜交的情况,同时,试验采用激振器模拟了不同频率的车辆振动荷载。根据相似原理,合理确定了几何参数、地铁隧道及围岩材料参数、动力加载方式及动力试验参数,以期通过模型试验来研究地铁隧道-地裂缝-地层在列车振动荷载作用下的动力响应规律,为列车振动控制措施研究提供参考。     

饱和砂土中箱型隧道的地震反应分析

饱和砂土地基在地震作用下存在液化的潜在危险,液化引起的地基失效可能会导致地下结构的严重震害。以Opensees作为计算平台,对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行输入不同幅值地震动时的动力数值计算,研究场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的震后位移以及隧道的内力分布。计算结果表明,饱和砂土中箱型隧道的地震附加内力仍受周围土体的相对位移控制,此外在震后隧道可能会产生侧移和上浮的永久位移,并且可能存在残余内力。     

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。     

椭圆空洞对盾构隧道地震易损性曲线影响研究

采用增量动力分析方法,探究水平向地震下地层空洞对盾构隧道地震响应特征的影响规律。针对管片损伤及周边地层应力,选择弯矩比作为性能评价指标,峰值加速度(PGA)及峰值速度(PGV)作为衡量地震强度指标(IM),阐明椭圆形空洞对管片抗震性能的影响,得到隧道结构的地震易损性曲线。研究表明：椭圆空洞加大了浅埋盾构隧道的地震破坏概率;PGA与PGV均可作为IM并获得相应的隧道易损性曲线;使用弯矩比作为破坏指标,PGV作为地震动指标,其对应的易损性曲线对地层变异性更敏感。研究结论可为潜在空洞发育区防震方案的制定提供参考。     

单圆盾构隧道抗震计算的惯性力法

将单圆盾构隧道衬砌结构在地震作用下的动力响应问题,简化为由作用于盾构隧道管片形心的等代地震惯性力与地层抗力组成的受力体系,并据此以计算结构在地震作用下的内力.结果表明,该方法能准确反映单圆盾构隧道在地震作用下的内力最大值,并且简单、实用.     

考虑地震波激振方向的浅埋偏压双联拱黄土隧道动力响应规律研究

以实际工程为背景,在模型试验结果和数值模拟结果验证合理的基础上,通过建立三维数值模型,研究兰州人工波在不同激振方向下坡-隧体系动力响应规律,通过小波包变换从能量和频域角度对衬砌结构动力响应规律进行分析。研究结果表明：水平、竖直面内垂直隧道轴向(X、Z)的地震波在隧道最大埋深处引起较大响应,水平面平行于隧道轴向的地震波(Y)对埋深较浅的洞口处的结构最为不利。频率在0～12.5 Hz范围内的低频波是引起隧道结构响应的主要波段,该频段中竖直向地震波(Z)能量相较于其他方向地震波能量占比最高。地震作用中衬砌结构的存在对坡体内的围岩变形有一定的抑制效应。X、Y向地震波容易引起坡脚附近的围岩发生剪切破坏,Y向地震波对隧道洞口段仰坡的稳定性影响最大;Z向地震波容易造成坡顶附近区域围岩的拉伸破坏,且对隧道拱顶附近产生最不利响应。研究成果对浅埋偏压双联拱隧道的抗震优化设计具有借鉴意义。     

可液化土层隧道围岩的动力响应及液化区发展分析

隧道可液化土层围岩对地震动作用非常敏感,可液化土层动孔压的产生和发展使得地下结构受到上浮作用,从而影响地下结构的稳定性.通过对可液化土层中隧道动力响应计算,研究了不同静应力场隧道围岩动孔压场分布、围岩液化区域分布以及衬砌结构仰拱底与拱顶的动孔压差变化.研究结果表明,不同静应力场对围岩可液化土的动孔压分布、液化区域分布及...     

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。     

Seismic ground amplification induced by box-shaped tunnels

The growing use of underground structures, specifically to facilitate urban transportation, highlights the need to scrutinize the effects of such spaces on the seismic ground response as well as the surrounding buildings. In this regard, the seismic ground amplification variations in the vicinity of single and twin box-shaped tunnels subjected to SV waves have been investigated by the finite difference method. To evaluate the effects, generalizable dimensionless diagrams based on the results of parametric numerical analysis considering factors such as variations in the tunnels’ depth, the distances between the tunnels, tunnel lining flexibility, and input wave frequency, have been presented. In addition, to assess the effects of underground box-shaped tunnels on the response spectrum of the ground surface, seven selected accelerograms have been matched based on a specific design spectrum for the stiff soil condition of Eurocode 8 (CEN, 2006). The results underline the significant amplification effect of the box-shaped tunnels on the ground motions, specifically in the case of horizontal twin tunnels, which should be given more attention in current seismic design practices for surface structures.

     

SV波在饱和土体自由表面的反射

基于饱和两相介质弹性波动方程分析SV波在饱和土体自由表面的反射问题,引入波动方程的势函数解答,求解出二维问题中SV波入射情况下饱和土体自由场的位移、速度、加速度和应力响应。在饱和土体自由场响应解析解基础上,建立SV波入射下饱和土体自由场静、动力有限元模型。建模中考虑了如下几方面因素:(1)在不同分析步,对土体单元赋予不同材料本构。通过*model change命令进行单元生死设定,从而实现在初始应力场平衡的静力状态下采用DuncanChang本构模型,而地震波动输入时采用Davidenkov动力本构模型;(2)采用多孔介质黏弹性人工边界条件,在人工边界上分别施加固相和液相介质的弹簧和阻尼来模拟饱和土体中能量的传播;(3)将地震波转化为作用在人工边界上的等效地震荷载,施加到人工边界节点上;(4)土体单元采用4结点平面应变孔压单元(CPE4P)。有限元计算与解析解比较结果表明:SV波在垂直入射和掠入射时,竖向位移响应为零;在45°左右入射时,水平位移响应最大;60°左右入射时,竖向位移响应最大。这些结论与解析解吻合较好,本文模型为建立土-结构动力相互作用模型打下良好的基础。     

平面P-SV波入射时非均匀饱和土 自由场地的响应

基于Biot多孔介质波动模型,研究了非均匀饱和土层对平面P-SV波入射时的动力响应.考虑饱和土地基的物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用亥姆霍兹矢量分解原理和动力刚度法,分析了平面入射P-SV波在非均匀饱和土层中的反射和透射,并给出了基岩表面和自由表面处反射系数和透射系数的计算表达式.基于理论推导结果,数值分析了平面SV波入射下非均匀饱和土自由场地的动力响应,其中假设饱和土地基的物理力学性质沿土层深度按幂律梯度变化.数值结果表明,平面SV波入射所引起的地面位移与基岩位移之比均随土层厚度和土体的非均匀程度、波的入射角和入射频率的增加而减小,且其竖向位移比的减小更为显著,厚土层对地震波的耗散作用尤为明显.      

双洞八车道大断面隧道地震动力响应数值分析

为研究双洞八车道超大断面隧道在地震力作用下的动力响应特征,以平潭综合实验区牛寨山隧道为工程背景,建立双洞八车道隧道的三维有限元数值计算模型。采用时程分析方法,在模型底部输入水平向地震动荷载,计算隧道结构在地震动荷载作用下的响应,包括位移、加速度及应力的变化。结果表明:最大水平和竖向位移出现在拱顶处,南线浅埋隧道整体呈剪切响应;隧道最大水平加速度出现在南线隧道拱顶偏左处,最大垂直加速度出现在南线隧道拱顶偏右处,南线隧道洞口由于浅埋,关键部位响应差较北线要大;南线的右拱肩埋深最浅,该部位拉应力最大,而北线拱顶的拉应力区最大,拱脚也出现明显的拉或压应力。建议在隧道洞口段的拱顶、拱脚及埋深最浅的部位应加强抗震设防。     

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.