行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法。将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动力控制方程及边界条件,并通过模态叠加法进行求解,推导出任意动载作用下曲线隧道的位移、速度、加速度、弯矩、剪力等动力响应的解析表达式,以行波荷载为例,给出行波效应下曲线隧道动力响应的退化解答。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了所推导解析解的正确性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了隧道曲率半径、行波波速、行波频率及地层–结构相对刚度比等关键因素对曲线隧道结构动力响应的影响规律。     

土岩变化地层长隧道纵向地震响应解析解

土岩地层交界面是制约长隧道结构抗震安全的关键控制节点,但现有设计方法均未考虑隧道沿其纵向的地层变化。基于隧道的动力响应特点提出力学模型,将隧道沿纵向简化为两段处于不同地层条件中的半无限长弹性地基梁。通过求解结构的位移微分控制方程,推导出土岩变化地层长隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了面向工程设计的土岩变化地层长隧道纵向抗震简化分析方法。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了该方法的有效性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了结构刚度、地层剪切波速比等关键因素对土岩变化地层隧道结构地震响应的影响规律:隧道结构刚度越大,结构内力响应越剧烈,隧道地层突变段的内力峰值差越大,地层突变的影响范围也随之变宽;地层剪切波速比越大,隧道地层突变段的内力峰值差越大,但地层突变的影响范围却不受影响。     

行波效应下黏弹性地基梁动力响应解析解

弹性地基梁动力问题通常采用解析法和数值法进行分析,当可以应用解析法计算时效率更高。采用Laplace和Fourier变换,推导得出了黏弹性地基上受恒定轴向压力和横向行波作用下的无限长Euler-Bernoulli梁的解析解。经与数值模拟结果对比,验证了解答的正确性;并以长隧道为应用实例,分析对比了行波频率、波速、轴力和地基刚度对长隧道动力响应的影响,并得出了隧道内力响应受行波频率影响,频率越低,隧道内力响应越大,以及隧道内力响应受行波波速影响,当行波波速接近临界波速时,隧道内力响应明显增大等结论。     

行波效应下黏弹性地基梁动力响应解析解

弹性地基梁动力问题通常采用解析法和数值法进行分析,当可以应用解析法计算时效率更高。采用Laplace和Fourier变换,推导得出了黏弹性地基上受恒定轴向压力和横向行波作用下的无限长Euler-Bernoulli梁的解析解。经与数值模拟结果对比,验证了解答的正确性;并以长隧道为应用实例,分析对比了行波频率、波速、轴力和地基刚度对长隧道动力响应的影响,并得出了隧道内力响应受行波频率影响,频率越低,隧道内力响应越大,以及隧道内力响应受行波波速影响,当行波波速接近临界波速时,隧道内力响应明显增大等结论。     

局部均布荷载作用下软土盾构隧道结构分析

通过对集中荷载作用下弹性地基梁挠曲曲线函数进行积分,推出局部均布荷载作用下软土盾构隧道结构简化为弹性地基梁进行纵向结构分析时的挠度、转角、弯矩、剪力及地基反力的解析表达式,并对上海典型地质条件下的盾构隧道结构进行计算,得出其隧道结构纵向各个位置挠度、转角、弯距、剪力及地基反力的值,对局部均布荷载作用下软土盾构隧道结构纵向设计具有指导意义。     

局部线性分布荷载作用下软土盾构隧道解析解

通过对集中荷载作用下弹性地基梁挠曲曲线函数进行积分,推出局部线性分布荷载作用下软土盾构隧道结构简化为弹性地基梁进行纵向结构分析时挠度、转角、弯矩及剪力的解析表达式;并对上海地铁2号线的盾构隧道结构进行计算,得出其隧道结构纵向各个位置挠度、转角、弯矩及剪力的值,对局部线性分布荷载作用下软土盾构隧道结构纵向设计具有重要意义。     

SH波作用下山岭隧道洞口段结构动力响应研究

 基于弹性波动理论,将山岭隧道洞口段简化为单面边坡模型,考虑波在洞口边坡的反射效应,推导垂直入射SH波作用下隧道轴线上的位移场分布,并将隧道简化为三维薄壁壳结构,以得到在该位移场作用下隧道结构的动力响应。针对上述分析结果开展山岭隧道洞口段振动台模型试验,以验证理论模型的合理性,并综合分析得到如下结论：将隧道结构动力响应看作横截面与纵向响应的叠加,隧道结构横截面发生剪切变形,两侧拱肩与拱脚为抗震的薄弱环节,变形效应沿轴向缓慢增加,此响应为平行隧道结构横截面传播的SH波作用所致;隧道结构纵向发生水平剪切变形,变形效应沿隧道轴向逐渐减弱,洞口处产生较大刚性位移,在施工缝存在的情况下,隧道结构在洞口附近易沿施工缝产生错台现象,此响应为沿轴向传播的SH波所致。此规律表明,隧道结构的纵向抗震设计同样值得关注。     

盾构隧道的纵向抗震分析研究

将盾构隧道简化为一维的杆系 ,其周围的土体看作是粘弹性材料 ,将隧道的纵向抗震问题简化为粘弹性地基中弹性杆系的振动问题 ,利用粘弹性地基中杆系振动的有限单元法 ,对盾构隧道进行纵向抗震分析。同时 ,根据盾构隧道接头的特点 ,用接头单元来模拟管片的纵向接头 ,并且推导出盾构隧道纵向接头刚度的表达式。最后对地震作用下接头刚度以及地基参数对隧道的内力及变形的影响情况进行了分析研究     

盾构隧道纵向沉降模式及其结构响应

软弱地基的不均匀沉降导致隧道结构产生附加结构变形与次生内力，根据大量工程实测资料，总结了包含盾构隧道施工与长期使用阶段在内的隧道地基沉降的4种典型模式．然后基于弹性地基理论，分别推导并给出了这四种地基沉降模式下隧道结构的纵向变形及结构内力解析表达式，探讨了不同地基变形模式下隧道结构的响应规律，这为隧道的纵向设计及考虑纵向剪切传递影响的横向设计研究奠定了基础。     

盾构隧道纵向沉降模式及其结构响应

软弱地基的不均匀沉降导致隧道结构产生附加结构变形与次生内力，根据大量工程实测资料，总结了包含盾构隧道施工与长期使用阶段在内的隧道地基沉降的4种典型模式，然后基于弹性地基理论，分别推导并给出了这四种地基沉降模式下隧道结构的纵向变形及结构内力解析表达式，探讨了不同地基变形模式下隧道结构的响应规律，这为隧道的纵向设计及考虑纵向剪切传递影响的横向设计研究奠定了基础。     

Analytical solution for long lined tunnels subjected to travelling loads

An analytical solution is derived for dynamic response of long lined tunnels subjected to travelling loads. For the derivation, the long lined tunnel is assumed to be infinitely long with a uniform cross-section resting on a viscoelastic foundation. Fourier and Laplace transforms are utilized to simplify the governing equation of the tunnel to an algebraic equation, so that the solution can be conveniently obtained in the frequency domain. The convolution theorem is employed to convert the solution into the time domain. Final solutions of tunnel responses investigated are deflection, velocity, acceleration, bending moment, and shear force. The proposed solution is verified by providing comparisons between its results and those from the Finite Element program ABAQUS. Further parametric analysis, such as the influence of wave velocity and frequency on dynamic responses of the tunnel is presented with the analytical solution. These relationships can be an effective tool for practitioners.     

基坑施工对下卧地铁隧道上抬变形影响的简化理论分析

为了合理地分析基坑施工对下卧已建地铁隧道上抬变形的影响,首先,将软土地基考虑为三参量H-K黏–弹性体,推导了自由边界半无限黏–弹性空间体在内部集中荷载作用下的Mindlin时域解,并采用积分、叠加的方法,提出了一种用于计算基坑开挖及工程降水所引起的邻近隧道附加应力的方法;然后,将已建隧道视为Pasternak黏–弹性地基上的欧拉伯努利长梁,建立了隧道在附加荷载作用下的平衡微分方程,求得了隧道纵向附加变形和内力的表达式;最后,将所提方法运用于某近接既有地铁隧道的基坑工程中,并与三维数值模拟流变分析结果和现场实测结果进行了对比分析。研究发现:提出方法能较好地反映软土隧道变形随时间的发展趋势;隧道纵向附加变形、曲率和弯矩的解析解与数值解基本一致,且上抬变形的解析解与实测值能较好地吻合;成果可为基坑施工对邻近隧道的影响分析及保护措施的制定提供一定的理论依据。     

考虑隧道剪切效应的基坑开挖对邻近隧道纵向变形分析

 基坑施工将打破周围地层已平衡的应力场,引起应力释放,对既有下卧地铁隧道产生不利的影响。针对既有研究的不足,提出考虑隧道剪切效应的基坑开挖对下卧隧道影响的解析解。既有隧道简化为搁置于Winkler地基上的Timoshenko梁。通过两阶段分析法,考虑基坑卸荷作用下已建隧道的响应。首先基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的隧道纵向变形微分方程,然后将由Mindlin弹性解计算得到附加荷载施加于既有隧道上,最后通过有限差分法得到在附加荷载作用下隧道的纵向变形解答。收集3个已发表工程实例的实测数据,并与本文方法及Euler-Bernoulli梁法的计算结果进行对比分析,发现实测结果与2种方法得计算结果有较好的一致性。然而,在内力分析上,相对比于本文方法,Euler-Bernoulli梁法明显高估基坑卸荷引起的隧道弯矩与剪力。由于本文方法可有效模拟既有隧道剪切效应,因而可进一步给出1在卸荷作用下隧道管片间错台量。研究成果可为合理预测邻近基坑施工对既有隧道的影响提供一定的理论支持。     

考虑地震非平稳性的隧道纵向抗震可靠度分析

考虑地震运动的非平稳性,将沉埋隧道地震反应分析的数学模型应用于隧道纵向随机地震响应及其抗震动力可靠度分析。从有限元动力分析的基本原理出发,利用脉冲响应函数和傅立叶变换原理,结合随机振动理论,研究了将地震荷载作为非平稳随机过程时隧道纵向随机地震响应及其抗震动力可靠度分析方法,建立了地下结构随机地震响应数字特征及其抗震动力可靠度的计算表达式。以南京长江越江隧道初步设计方案(沉管段)为例,计算了其在非平稳随机过程地震动作用下的动力反应均方根值和纵向抗震动力可靠度,并研究了管段接头的抗震可靠度。     

地表堆载下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解

既有盾构隧道在地表堆载下将会导致纵向不均匀沉降,威胁地铁列车的安全。目前地表堆载下盾构隧道的沉降预测方法没考虑到土体变形非线性的特点。基于所提的非线性地基模型,推导得到在地表堆载影响下盾构隧道纵向非线性变形简化解析解。地表堆载引起的隧道附加荷载通过Boussinesq解估算,通过连续梁模拟隧道的变形,推导得到在地表附加荷载下盾构隧道沉降的微分方程,引入有限差分法与Newton迭代法相互结合数值求解方法。通过三维有限元结果验证了其正确性,可以为在地表堆载下盾构隧道的沉降变形预测提供理论支持。     

地震隧洞稳定性分析探讨

 为得到地震作用下无衬砌隧洞的力学规律,将有限元强度折减法和具有拉和剪破坏分析功能的大型有限差分程序FLAC相结合,并将其引入到隧洞的稳定性分析中。在黄土无衬砌隧洞静力分析基础上,提出地震作用下动力有限元静态分析以及完全动力2种稳定性分析方法,在分析时同时考虑隧洞的拉破坏与剪破坏,从而得出黄土隧洞在动力情况下首先是隧洞顶部出现局部拉破坏然后是侧边整体破坏的破坏机制,同时也验证有限元强度折减法不仅能够用于隧洞静力分析而且能够用于隧洞动力稳定分析,从而为无衬砌黄土人居洞室的抗震设计提供理论依据,也可作为有衬砌黄土隧道的地震反应分析的基础。     

小半径平面曲线隧道地震响应分析

基于某实际工程,建立了小半径平面曲线隧道三维分析模型,探讨其在单向水平激振下的地震响应规律。其中考虑了隧道弯曲角度、地震动幅值和类型等因素的影响。通过分析得出了小半径平面曲线隧道的地震响应规律:①响应幅值方面,横向抗震段的响应最大,曲线段其次,纵向抗震段最小;②响应差异方面,曲线部分对隧道加速度影响较小,主要影响隧道的变形;③震动能量方面,随着隧道从横向抗震逐渐过渡到纵向抗震,其震动能量逐渐降低。     

Seismic response of box-type tunnels in soft soil: Experimental and numerical investigation

A series of dynamic centrifuge tests were carried out at the geotechnical centrifuge facility of IFSTTAR in Nantes, to investigate the response of box-type tunnels embedded in dry sand under sinusoidal and seismic excitation, as affected by soil-tunnel relative flexibility and soil-structure interface rugosity. The system under investigation was analyzed by means of full dynamic time history analyses, implementing rigorous finite element models. The numerical models were calibrated on the basis of back analysis of tests, while the numerical predictions were compared with experimental data, in terms of soil and tunnel horizontal acceleration, soil shear strains and tunnel deformations. The validated numerical models were then employed to further investigate several aspects of the system seismic response. Results indicate a rocking deformation mode coupled with the well-known racking distortion of box-type tunnels under seismic shaking. The effect of the soil-tunnel interface characteristics and soil yielding on the racking deformation of the tunnel, the dynamic earth pressures and shear stresses around the tunnel, as well as on dynamic lining forces is also reported. Soil yielding leads to post-shaking, residual, dynamic earth pressures, shear stresses and lining forces, especially in the case of flexible tunnels, while interface characteristics affect the distributions of these response parameters around the perimeter of the tunnel section. The ability of simplified seismic design methods for tunnels to predict the response is finally discussed, by comparing their predictions with the recorded data and the numerical results.