地下结构动力分析若干问题研究

结合一些实际工程，研究了场地地震反应、边界条件、运动方程隐式积分算法、列车振动荷载的反演、隧道地震减震方法以及隧道洞口段三维地震反应等问题，得出的结论可作为隧道及地下结构的抗震设计和振动反应分析的参考依据。论文主要内容包括以下几个方面：(1)运用波动理论，对水平成层的地层进行了正演和反演地震反应分析。研究了冻土层的存在：地基辐射阻尼等因素对场地地震反应的影响，以及通过反演计算得到结构地震反应分析时所需要的地震波。(2)根据不同边界条件，采用振动方法和波动方法，进行在地震荷载作用下隧道结构的反应分析，比较粘．弹性边界、粘性边界和固定边界条件的计算精度，分析无限地基对计算结果的影响以及在地震荷载作用下隧道衬砌的薄弱部位。(3)在Newmark隐式积分方法的基础上，提出提高其计算效率的改进方法。计算结果表明，改进方法既可节约计算机内存，又显著地提高了隐式时间积分方法的计算效率。(4)计算了不同地震动作用下不同的围岩材料对隧道地震反应的影响，并通过改变隧道衬砌一定范围内围岩材料的参数，计算了隧道的地震反应，分析了在隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这两种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。提出采用注浆加固围岩的办法进行减震、充分发挥围岩的承载能力的观点。(5)进行了隧道洞口段三维地震反应分析。在不同的围岩材料、不同的衬砌类型情况下，分析了洞口段隧道衬砌应力和位移沿隧道轴线方向的变化规律以及采取注浆加固围岩的方法的减震效果。对隧道抗震设防长度与洞口段围岩性质、衬砌断面形式的关系以及隧道洞口段的加固措施进行了研究。指出在地震作用下，铁路双线隧道和单线隧道的抗震设防长度仅与洞口段围岩的分布情况有关，与隧道跨度关系不大，洞口段隧道衬砌轴向力不可忽视。(6)推导了求解振动荷载的反演公式，提出由结构对振动荷载的反应求振动荷载时程的有限元方法，验证了方法的有效性。     

水下盾构隧道抗震设计分析方法的适应性研究

 针对断面大、水头高，结构复杂的水下盾构隧道，通过分析其在横向和纵向结构特点，提出了合理的抗震设计方法。在地层条件较均匀的横断面，通过成层重复反射理论，计算出工程场地地层的实际地震响应，采用反应位移法对隧道典型断面进行地震反应分析，再将其结果与静力计算结果叠加后作为抗震设计的依据。纵向则考虑线状结构特点、沿隧道纵向地层的不均匀性、地震行波效应和边界效应等方面的因素，应用三维时程响应法加以计算分析。对2种方法的特点、适用条件和分析流程进行了系统阐述，并将其应用于越长江盾构隧道工程，揭示了该典型水下盾构隧道的动力响应特征及抗震的薄弱部位。     

考虑水平及竖向地震影响的盾构隧道动力分析及Pushover方法研究北大核心

为了研究竖向地震对盾构隧道的影响,并得到考虑竖向地震影响的简化静力计算方法,基于静动力统一粘弹性人工边界单元,分别建立了包含周围地基土-盾构隧道结构体系的二维非线性有限元动力和静力模型,研究了地铁隧道结构的地震反应特性,对比了仅考虑水平地震和同时考虑竖向地震输入情况下,盾构隧道的动力反应,分析了竖向地震对盾构隧道的动力性能的影响,可以看出,竖向地震对地下盾构隧道影响较大,应考虑竖向地震影响,并提出一些抗震措施建议.通过静力计算模型,基于一维动力模型输入水平地震和竖向地震波作用,获得土层的分布形式,得到一维场地反应计算目标位移,研究了考虑水平及竖向输入的静力推倒的弹塑性方法(Pushover分析)的加载模式,并采用竖向均布的体力模拟竖向地震动,与动力时程计算结果进行对比研究,讨论了考虑竖向Pushover方法的适用性,提出了考虑竖向地震荷载的静力简化方法,采用倾斜度作为抗震性能指标,并讨论了隧道结构的地震破坏准则。     

考虑水平及竖向地震影响的盾构隧道动力分析及Pushover方法研究

为了研究竖向地震对盾构隧道的影响,并得到考虑竖向地震影响的简化静力计算方法,基于静动力统一粘弹性人工边界单元,分别建立了包含周围地基土-盾构隧道结构体系的二维非线性有限元动力和静力模型,研究了地铁隧道结构的地震反应特性,对比了仅考虑水平地震和同时考虑竖向地震输入情况下,盾构隧道的动力反应,分析了竖向地震对盾构隧道的动力性能的影响,可以看出,竖向地震对地下盾构隧道影响较大,应考虑竖向地震影响,并提出一些抗震措施建议.通过静力计算模型,基于一维动力模型输入水平地震和竖向地震波作用,获得土层的分布形式,得到一维场地反应计算目标位移,研究了考虑水平及竖向输入的静力推倒的弹塑性方法(Pushover分析)的加载模式,并采用竖向均布的体力模拟竖向地震动,与动力时程计算结果进行对比研究,讨论了考虑竖向Pushover方法的适用性,提出了考虑竖向地震荷载的静力简化方法,采用倾斜度作为抗震性能指标,并讨论了隧道结构的地震破坏准则。     

深厚软土场地道路隧道结构横向地震响应分析

确定场地范围和地震输入方式是道路隧道地震响应分析的前提。以上海深厚多层软土场地的自由场解析为基础,验证2D有限元模型的场地基岩和侧向边界假定的合理性;进而选取典型盾构法和明挖法隧道为研究对象,建立有限元2D地层-隧道地震动力响应分析模型,分析评价合理的基岩面深度与侧向边界宽度。结果表明:深厚软土场地的隧道地震响应分析应采用黏弹性人工边界以合理实现自由场边界;侧向边界的选取范围对隧道的动力响应影响较小,计算模型的底部边界深度对响应影响较大;取70 m深度为基岩面得到隧道结构地震动力响应是偏于安全的,但场地的基频有所变化。     

不同埋深矩形隧道地震响应的离心振动台试验

开展砂质粉土层中矩形截面隧道的动力离心模型试验研究,共进行3组试验,包括土体自由场试验、浅埋隧道试验以及深埋隧道试验,得到土体和隧道结构的地震反应规律,包括不同深度的土体地震反应加速度、土体水平地震反应位移、地表沉降以及隧道横截面方向的动应变。对比几组试验结果,研究隧道的存在对场地地震反应的影响,并探讨不同埋深隧道地震响应的差别。研究结果表明：隧道的4个角点位置地震变形最大,隧道的存在改变了场地的动力特性,深埋隧道的地震响应大于浅埋隧道。     

沉积河谷-衬砌隧道体系对平面P波的散射

沉积河谷对地震动的放大效应已为地震观测和理论研究所证实。现实中有大量隧道穿越河谷情况,而河谷中隧道地震反应规律尚不明确。为此,本文建立沉积河谷-衬砌隧道整体二维平面应变模型,基于一种高精度边界间接积分方程法,对河谷中隧道地震响应及动应力集中进行模拟分析。大量参数计算结果表明:沉积河谷中隧道地震反应更为剧烈,动应力集中更为显著,应力峰值可达到入射波应力幅值的数十倍。随隧道埋深加大,应力频谱振荡加剧且峰值频率发生明显变化。部分频率段,隧道对河谷地表位移同样有较大的扰动。穿越河谷隧道的抗震设计需考虑河谷中地震动放大效应对隧道内力和变形的显著影响。     

隧道穿过土层分界面振动台模型试验研究

为了研究穿过不同土层的隧道在地震作用下的反应,进行隧道穿过土层分界面的振动台模型试验。采用自主研制的层叠剪切箱减小边界效应,装填黏土和砂土构成横向非均匀场地,模型隧道的轴线垂直穿过2种土的竖直分界面。通过输入不同幅值的El-Centro波,采集土层和隧道不同观测点处的加速度和应变等数据并进行分析,研究了在不同性质土层中地震波传播的规律以及隧道地震响应的特点,分析土层分界面对于隧道地震响应的影响。试验结果表明,地下结构的变形主要由周围土体的相对位移控制;砂土和黏土动力特性以及对隧道约束作用的差异会导致分界面两侧的隧道地震响应不同,产生相对位移,令隧道产生转动、弯曲和扭剪。     

圆形隧道衬砌背后空洞对隧道结构影响的振动台模型试验

为研究圆形隧道背后空洞对结构抗震性能的影响,开展振动台模型试验研究。从地层参数、试验模型相似比、模型箱设计、人工边界处理、传感器布置及地震动加载制度等方面,详细介绍模型试验方案。分析模型箱的边界处理效果,重点考察了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、隧道结构的动应变规律及特征。试验结果表明:模型箱设计合理,边界的设置能够很好地模拟原型土域;随着地震波的向上传播,模型地基中的峰值加速度逐渐增大,地表处的加速度放大系数随着台面输入地震动的增大而减小;在较小地震动作用下,圆形衬砌背后空洞会缩小断面的加速度响应,而在较大地震动作用时会明显增大断面地震反应。     

南京长江沉管隧道的地震安全性评价*

 利用沉埋隧道整体地震反应分析的数学模型和平面有限元动力分析模型,对高速铁路南京长江沉管隧道进行了地震响应分析,计算了该隧道在地震作用下的地震响应,评价了该隧道在地震作用下的安全与稳定性。     

软土地层中双圆盾构法隧道的抗震分析

目前对于上海双圆盾构法隧道的抗震问题 ,尚没有成熟的方法可供利用。本文结合上海地区典型软土室内动力试验研究成果 ,采用考虑土 -结构相互作用的软土地层中地下建筑物抗震稳定分析方法 ,研究了隧道 -土体体系二维地震反应 ,并应用梁单元有限元模型研究了隧道的纵向地震反应。计算结果包括 :地震引起的隧道周围软土孔隙水应力比、震陷、动剪应力比 ,以及隧道结构的动剪应力、轴力、剪力、弯矩等。最终从地震影响角度对该隧道的优劣作了初步评价 ,为工程决策提供了重要参考依据 ,所得结论可为软土隧道抗震设计提供参考依据。     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。     

A stable CS-FEM for the static and seismic stability of a single square tunnel in the soil where the shear strength increases linearly with depth

A numerical procedure using a stable cell-based smoothed finite element method (CS-FEM) is presented for estimation of stability of a square tunnel in the soil where the shear strength increases linearly with depth. The kinematically admissible displacement fields are approximated by uniform quadrilateral elements in conjunction with the strain smoothing technique, eliminating volumetric locking issues and the singularity associated with the Mohr–Coulomb model. First, a rich set of simulations was performed to compute the static stability of a square tunnel with different geometries and soil conditions. The presented results are in excellent agreement with the upper and lower bound solutions using the standard finite element method (FEM). The stability charts and tables are given for practical use in the tunnel design, along with a newly proposed formulation for predicting the undrained stability of a single square tunnel. Second, the seismic stability number was computed using the present numerical approach. Numerical results reveal that the seismic stability number reduces with an increasing value of the horizontal seismic acceleration (α_h), for both cases of the weightless soil and the soil with unit weight. Third, the link between the static and seismic stability numbers is described using corrective factors that represent reductions in the tunnel stability due to seismic loadings. It is shown from the numerical results that the corrective factor becomes larger as the unit weight of soil mass increases; however, the degree of the reduction in seismic stability number tends to reduce for the case of the homogeneous soil. Furthermore, this advanced numerical procedure is straightforward to extend to three-dimensional (3D) limit analysis and is readily applicable for the calculation of the stability of tunnels in highly anisotropic and heterogeneous soils which are often encountered in practice.     

相邻洞室爆破施工对已有洞室的影响

 爆破施工振动对邻近已有洞室的影响及其控制是隧洞工程中的关键技术问题。新建隧洞在与已有隧洞间距比较小的情况下进行爆破开挖,爆破开挖产生的爆破波会危及已有隧洞围岩和衬砌结构的安全与稳定性。结合锦屏一级水电站左岸洞群工程施工爆破的相互影响分析课题,应用动力有限元数值模拟,研究不同的围岩类别、洞室间距、岩体阻尼比、单响药量情况下爆破振动对邻近已有洞室围岩和衬砌结构的影响问题。根据洞壁振动速度允许值与隧洞衬砌在邻近爆破振动波作用下的动拉应力值,得出施工爆破洞室的最小间距及单响药量控制：III类围岩、洞间距为(1.5～2.0)D时,单响药量应控制在15 kg以内;IV类围岩、洞间距为(1.5～2.0)D时,单响药量应控制在12 kg以内;V类围岩、洞间距为(1.0～1.5)D时,单响药量应控制在10 kg以内。研究结果为实际工程的施工和设计提供了参考和依据。     

SV波斜入射对岩体隧道洞身段地震响应影响研究

基于显式有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,推导了SV波斜入射时人工边界面上等效节点力的计算公式,并基于通用有限元软件实现了SV波的倾斜输入。采用简单算例验证了SV波斜入射输入方法的准确性。分别考虑了SV波在隧道横断面和纵断面内斜入射工况,研究了SV波斜入射条件下岩体隧道洞身段地震响应规律。计算结果表明：SV波斜入射时的隧道地震响应规律与垂直入射时具有较大的差异;SV波在不同断面内斜入射时隧道的地震响应结果也具有较大差别。     

基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响

地铁已成为大城市中家喻户晓的重要交通工具,在地铁旁建建筑物就不可避免的会对地铁隧道造成影响。结合南京市绿地广场·紫峰大厦的基坑工程,运用3维有限元法计算模拟了基坑开挖的不同阶段,定性地分析了隧道的位移规律。与实测资料进行对比,发现有限元结果与实测资料取得了较好的一致,表明有限元方法能很好地模拟此类问题。为类似工程的设计和施工提供了计算验证。     

高地震烈度区粉土地基抗液化及隧道抗震研究

昆明东外环下穿隧道工程是昆明南火车站枢纽工程中的一个重大项目,在勘察过程中发现K2+100~K2+200隧段含两层粉土层,且其中一层紧靠隧道设计底板。由于该工程处于高地震烈度区,在地震作用下粉土极易发生液化,直接影响到上部隧道结构的稳定。针对该工程实例,利用FLAC~(3D)软件开展了高地震烈度区粉土地基抗液化及不同隧道衬砌混凝土强度等级与衬砌厚度等条件下的隧道抗震研究。计算结果表明,在设计地震动加速度为0.2 g的条件下,该工程粉土地基超孔压比约为0.2,粉土地基不会发生液化;随着衬砌厚度的增加,衬砌弯矩和剪力总体呈现增长趋势,而混凝土强度等级的变化对衬砌的受力影响很小。分析结果初步揭示了可液化土中隧道结构的抗震特性,可为设计所参考。     

对桩承结构上下部水平抗震理解的联合预估

结合平面动力有限元与简化三维集中质量法(S-R模型)对水平地震作用下的群桩-土-结构体系的动力性能进行了理论预测,可用来计算不同构型、桩数、土层属性下的结构系统动力反应。算例分析表明,由于土与基础的参与,考虑相互作用后结构位移及层间位移反应增大;受结构、桩基础及土层属性等多因素影响,结构内力在某些地震频谱作用下反而会有所增加,而固基情形下的加速度反应谱曲线对相互作用的反应结果并不一定形成包络,两种方法在对相互作用结构进行动力反应的量化数值分析和定性评价上均有良好的一致性。     

Train-induced vibration prediction in tunnels using 2D and 3D FEM models in time domain

The purpose of this study is to develop a 3D numerical FEM model of a railway tunnel to predict railway induced vibrations, which is calibrated and validated with in situ measurements. After that, two different 2D FEM models are constructed following the same assumptions as in the 3D model but different methodologies to introduce the loads. The results from the different models are used to determine the existing differences among each type of model, and the scope of each one. Vertical accelerations are obtained from each model and compared among them, concluding that the 3D FEM models provide more accurate results with a longer calculation time and require huge computational requirements.