不同浅埋衬砌隧道压缩、剪切波作用下的动力响应

采用间接边界元法,对平面压缩波和剪切波入射下浅埋马蹄形隧道对弹性波的散射进行分析。研究表明:随着入射波频率的增大,马蹄形衬砌隧道正上方一定距离处地表位移表现出放大效应,但放大幅度略小于圆形隧道情况;垂直偏振横波倾斜入射,迎波面的地表位移幅值曲线振荡更剧烈;入射波频率较低时,衬砌应力集中现象最为显著,马蹄形衬砌上半拱左、右两侧与竖向夹角约为45°处和拱脚处易发生应力集中;衬砌隧道内壁的环向应力要明显大于衬砌外壁的环向应力。总体上看,马蹄形隧道动应力放大效应要小于相应的圆形隧道。随着入射波频率的增大,马蹄形衬砌应力空间分布更为复杂,应力集中的区域多于圆形。     

饱和半空间中隧道衬砌对平面SV波的散射IBIEM求解

基于Biot两相介质理论,采用一种高精度的间接边界积分方程法(IBIEM),研究了平面SV波在饱和半空间中隧道衬砌周围散射的基本规律,并给出了不同参数下地表位移幅值、衬砌动应力集中因子及表面孔隙水压分布图和相应的频谱结果。数值分析表明:饱和半空间隧道衬砌对SV波的散射特征取决于围岩介质孔隙率、入射波的频率和角度、隧道埋深等因素;隧道外壁透水状态对地表位移和隧道应力影响不大;不同角度SV波入射下,隧道应力集中部位有很大差别,且随半空间介质孔隙率增大,应力集中越发显著;衬砌外壁孔隙水压峰值可达到入射波应力幅值的4倍,且30°斜入射下幅值明显大于0°垂直入射情况;衬砌上方附近不同点位位移频谱特征差异显著,斜入射情况位移放大效应明显;随埋深增大,地表位移幅值和衬砌表面动应力谱振荡更为剧烈,但幅值会有所降低。另外,按波速比等效的单相介质模型可以近似计算SV波入射下隧道–饱和围岩的位移场和应力场。     

弹性半空间中衬砌隧道对瑞利波的散射

 采用一种高精度的间接边界积分方程法,对弹性半空间中衬砌隧道对入射瑞利的二维散射问题进行求解分析。结果表明：衬砌隧道和非衬砌隧道对瑞利波的散射具有显著的差别,衬砌刚度对波的散射规律具有重要影响。隧道附近地表动力响应和隧道衬砌动应力集中主要取决于衬砌和围岩的刚度比、隧道的埋深和直径、入射波频率等因素。对于柔性衬砌,浅埋隧道对低频瑞利波会产生显著的位移放大效应;对于刚性衬砌,衬砌内壁的动应力集中效应十分明显。整体上看,随着埋深的增大,隧道周围波的散射逐渐减弱。     

非匀质凸起出平面散射的封闭解答

采用解析方法研究任意圆弧状非匀质凸起地形对平面SH波二维散射效应和其出平面地表运动。经过理论推导,数值对比结果表明:任意圆弧状软质凸起地形的地表位移幅值反应随入射角、波速比、高宽比的变化而变化。     

平面压缩波入射下弹性半空间中直墙拱形隧道地震响应分析

采用间接边界积分方程法(IBIEM),对压缩波(P波)入射下弹性半空间中直墙拱形隧道的地震响应进行分析。通过参数分析,讨论入射波特性和衬砌特性对平面波散射的影响规律。计算结果表明:直墙拱形衬砌洞室附近波的散射同圆形衬砌情况相比差异显著;动力反应特征主要依赖于波入射角、入射波频率、衬砌埋深和厚度等参数;P波入射下洞室附近地面运动放大效应十分明显;低频波入射下,直墙拱形衬砌底板处的动应力集中现象最为显著。     

平面SH波激励下的土–隧道动力相互作用的解析解

采用波函数展开法给出了平面SH波入射下均匀半空间中埋置刚性衬砌隧道动力响应的解析解,并对问题的边界条件进行了验证。研究表明,土–隧道相互作用的机理和土–基础–地上结构相互作用有明显区别。土–隧道相互作用导致隧道动力响应小于相应自由场的动力响应,且前者的反应谱峰值周期有一定程度的降低。入射波角度、入射频率、以及隧道埋深对隧道动力响应和地表动力响应有显著影响,而隧道质量的影响则比较小。     

基于快速多极边界元法的局部场地对地震波高频散射二维模拟

结合快速多极子展开技术与间接边界元法,发展一种新的高频地震波散射(二维平面内)快速模拟方法。精度和效率检验表明该方法具有很高的计算精度、求解效率及良好的数值稳定性,同时可大幅度降低计算存储量。进而以半空间峡谷与凸起地形对平面SV波的高频散射为例,讨论了峡谷及凸起周围地震波宽频散射基本特征,给出了千米尺度局部场地、0~25 Hz频带宽度的散射模拟结果。分析表明:高频SV波垂直入射下,峡谷角部水平和竖向位移均表现出明显的放大效应,而峡谷底部的散射效应较弱;半圆凸起顶部附近水平位移谱峰值高达5.0,山脚处位移反应则受到明显的抑制作用;斜入射情况,峡谷地形迎波面一侧位移幅值较大,而凸起地形则是背波面一侧放大显著。数值结果可为复杂局部场地中大型工程抗震设计提供部分理论依据。     

含半圆形凸起的直角域对平面SH波的地震动

按Green函数和积分方程方法,分析了含半圆形凸起的直角域对平面SH波的稳态响应,讨论了由凸起散射所造成的地震动。对含半圆形凸起的直角域做分区,分为直角域和半圆域,按镜像方法构造直角域的Green函数,按Graf加法公式和波函数展开法构造半圆域的Green函数。对直角域和半圆域做契合,在契合界面施加一组分布力,使直角域和半圆域中的位移场和应力场满足契合界面上的连续性条件,得到分布力的定解积分方程组。数值求解,得到契合界面上的应力分布和地表位移幅值,结果表明入射波的波数和角度以及凸起与直角域垂直边界的距离对凸起散射的影响。     

地震波散射问题研究进展

对在P波、SV波和SH波入射下的局部不规则场地,如圆弧形凹陷地形、圆弧形沉积谷场地,地下衬砌隧道和地下双洞室造成的散射以及由此产生的放大及其他危害作用做了大致的概括。     

大厚度黄土地层浸水湿陷对地铁隧道影响的模型试验研究

黄土力学特性对地层水环境变化极为敏感,水敏性黄土地层浸水对工程结构影响明显。为系统研究大厚度黄土地层浸水对地铁隧道的影响,自主研制可以再现基底和地表浸水工况的模型箱,综合考虑浸水影响因素制定不同工况,开展不同工况下隧道结构力学响应的模型试验,分析黄土地层浸水对地铁隧道的影响机制,建议湿陷性地基剩余湿陷量控制标准。结果表明:(1)随浸水深度增加,隧道基底和地表局部浸水均会引起土压力重分布,受地层的荷载传递机制影响,土压力变化趋势不均匀;基底全幅浸水土压力随着浸水深度增加逐渐减小,地表全幅均匀浸水土压力逐渐增大,两者变化趋势相对均匀。(2)基底局部浸水导致隧道地基局部承载力降低,引起隧道衬砌弯矩发生不规律变化,基底全幅均匀浸水导致隧道地基承载力均匀降低,衬砌各点的弯矩变化相对均匀;地表局部浸水隧道上方地层结构强度局部丧失,荷载逐渐作用于隧道衬砌上引起衬砌弯矩快速增大,地表全幅均匀浸水衬砌弯矩随着浸水深度的增加而增加。(3)基底局部浸水和地表局部浸水时,隧道发生了明显的水平位移和竖向位移;基底全幅浸水和地表全幅浸水隧道主要以竖向位移为主,水平位移不明显,基底浸水引起的隧道位移比地表浸水更大,局部不均匀浸水导致的差异沉降对隧道具有附加扭转作用,对隧道整体受力更不利。(4)当隧道基底湿陷地层为30 cm时,仅仅湿陷10 cm对隧道整体影响不大,允许有10 cm的剩余湿陷量,建议湿陷性地基的处治深度为20 cm。研究结果可为大厚度黄土地区地铁隧道前期设计及后期运营提供借鉴。     

基于非局部Biot理论下饱和土中深埋圆柱形衬砌对平面弹性波的散射

基于Biot饱和多孔介质理论和非局部弹性理论,构建了非局部Biot运动方程及本构方程。利用波函数展开法及饱和土与衬砌边界连续条件和衬砌内边界自由边界条件,求解了饱和土体中圆柱形衬砌对平面波散射问题的解析解。并通过将该解退化为单相介质中及经典Biot理论下衬砌对平面P波散射稳态解,验证了计算结果的正确性。研究结果表明,衬砌内边界及外边界动应力集中因子均随非局部因子的增大而减小;隧道内边界动应力集中因子分布曲线随非局部因子的减小而扩大;当入射波频率大于0.045 MHz时,饱和土中空隙尺寸及空隙动力的影响将不可忽略;非局部因子一定时,衬砌外径与内径比越大则衬砌内边界动应力集中因子越大,且当衬砌较薄时,衬砌内边界动应力集中因子可能产生负值。     

圆弧形沉积谷地对平面SV波三维散射解析解

采用大圆弧面来模拟半空间表面,利用波函数展开法和有限项Fourier展开技术,在频域内给出了圆弧形沉积谷地对平面SV波三维散射的一个解析解。并以此解答为基础,进一步分析了入射波频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应的影响。研究表明,圆弧形沉积谷地对平面波的三维散射比二维散射更加复杂;将三维散射问题分解为两个主平面入射的简化处理存在较大的误差;入射波的频率和入射角度对圆弧形沉积谷地场地反应均有重要影响。     

含滑移界面复合式衬砌隧道地震响应边界元模拟

采用一种高精度间接边界元方法(IBEM),求解了平面P、SV波入射下“围岩-减震层-浅埋衬砌隧道”体系地震响应及动应力集中效应。引入接触-滑移界面模型,模拟复合式隧道衬砌与围岩之间接触状态。结果表明: 总体上看,随着界面滑移刚度因子增大,衬砌内壁动应力集中因子(DSCF)增大,无滑移状态下应力放大更为显著;SV波入射下,衬砌外壁DSCF则随滑移刚度因子增大而减小;P波垂直入射下,低频情况在隧道左右两端动应力集中十分显著,高频时则在隧道下部应力更为集中。另外,减震层的存在可有效降低衬砌动应力集中效应,随着入射频率增加,减震效果越好,隧道衬砌受力更为均匀;适当降低减震层弹性模量和加大减震层厚度,可取得更好的减震效果。     

Imperfect bonding effect on dynamic response of a non-circular lined tunnel subjected to shear waves

Combining the wave function expansion method and conformal transformation method, the dynamic stress around a non-circular tunnel with imperfect interface subjected to anti-plane shear waves is derived. The non-circular tunnel is mapped into an annular region, and the analytic solutions of stress and displacement solutions are expanded in terms of wave functions. By introducing the spring-type interface model, the coefficients are determined by satisfying the imperfect bonding conditions around the concrete lining. The distribution of tangential stresses on the imperfect interface is graphically illustrated, and the interacting effect of imperfect interface and incident wavelength is discussed in detail. The imperfect interface is revealed as a key factor dominating the seismic responses of a tunnel.     

Effect of imperfect interface on the dynamic response of a circular lined tunnel impacted by plane P-waves

A theoretical method for studying the dynamic response of a circular lined tunnel with an imperfectly bonded interface subjected to plane P-waves is presented in the paper. The wave function expansion method was used and the imperfect interface was modeled with a spring model. Two cases were discussed in the paper. In the first case rock is harder than the lining and vice-versa in the second case. The results indicated that the variation in the stiffness of the interface has much influence on the distribution of dynamic stress concentration factors (DSCF) in the rock and the lining. The imperfection of the interface has a more noticeable influence on the DSCF in the rock mass and the lining at high frequency incident wave’s scenario than low frequency incident wave’s scenario. The resonance scattering phenomena can be observed when the bond is extremely weak. Limiting cases were considered and a good agreement with the solutions available in the literature was obtained.     

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。