软硬相间地基中地铁隧道P波斜入射下的动力响应

以地处软硬相间地基中的地铁隧道为研究对象,采用地震动力仿真模拟方法,建立了能同时考虑多点激励、土-结构动力相互作用的地基-隧道的整体计算模型,系统分析了地震P波斜入射作用下穿越软硬相间地基中地铁隧道的动力响应规律。结果表明:地震波的入射角度对隧道的响应影响较大,传统的考虑地震波垂直入射的输入方法显现出一定的不安全性;软土区宽度的增加导致隧道的动力响应有明显的加强,对结构抗震不利;隧道衬砌混凝土等级的提高将使隧道结构的位移及加速度有所减小,但是弯矩增大明显,因此通过增大衬砌混凝土的等级提高隧道结构的抗震性效果并不好,反而使衬砌结构的受力变大。     

盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法及应用

在盾构隧道传统抗震分析方法基础上,针对上海一新建盾构越江隧道,提出以完全拟实仿真为特点的大规模盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法,建立包括地基土、盾构隧道以及联络通道等多个对象在内的三维分析模型,整体的单元数和节点数均达到了4×106左右。模型考虑地基土的材料非线性,以及土体–隧道间、管片–管片间的接触非线性因素,最后利用动态显式算法及其关键技术进行基于高性能计算机的大规模地震响应分析。计算结果反映地基土–盾构隧道体系在地震荷载作用下的相互作用和变形,并对隧道衬砌结构中的管片应力以及连接螺栓的受力变化进行深入分析。     

桩–土–斜拉桥动力相互作用体系振动反应特性试验研究

大跨斜拉桥结构自振频率和阻尼较低,其地震响应可能受桩基础和场地土特性的影响较大,然而目前为止,由于试验条件和技术所限,尚缺乏相关的包括桩基础、场地土和上部结构在内的全模型振动台试验研究。以一座试设计的主跨1400 m超大跨斜拉桥为原型,设计并完成了一座几何相似比为1/70,且包括群桩、人工土和上部结构在内的试验模型,采用多点振动台试验技术,研究了不同加速度峰值和不同频率成分地震作用下桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的振动反应特性。试验结果表明:桩–土–结构相互作用对斜拉桥地震响应产生影响,其影响程度与地震输入频谱特性密切相关;在纵向一致激励下,桩–土–结构相互作用受地震动加速度峰值的影响不明显,在横向一致激励下,桩–土–结构相互作用随地震动加速度峰值的增大而减小;主塔高阶振型对其地震响应的贡献明显;地震输入频谱特性影响桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的地震响应,特别是在具有丰富长周期成分的Mexico City波作用下主梁竖向地震响应显著增大。     

平面P1波入射下双层衬砌对海底隧道地震响应的影响

将海水和海床土分别视为理想流体和饱和多孔介质,基于理想流体波动理论和Biot流体饱和多孔介质理论,考虑海水-海床土-隧道结构动力相互作用,利用波函数展开法和Hankel函数积分变换法,给出平面P₁波入射下海底双层衬砌隧道地震响应的解析解。与以往的“大圆弧假定”方法相比,Hankel函数积分变换法可以将海底双层衬砌隧道场地中的散射波场势函数从柱坐标系下直接转换到直角坐标系下,可以更好地处理海水层表面和水土交界面处边界条件。在解析解的基础上,分析内外衬砌刚度比和内外衬砌厚度比对海底双层衬砌隧道位移响应和应力响应的影响,对海底双层衬砌隧道的抗减震设计提出合理建议。研究结果表明：(1)海底双层衬砌隧道的应力响应明显小于同参数条件下的单层衬砌隧道;(2)内外衬砌刚度比和厚度比对隧道位移响应的影响与隧道衬砌位置有关;(3)随着内外衬砌刚度比和厚度比的增加,隧道外衬砌应力响应均有减小趋势;(4)综合内外衬砌刚度比和厚度比对隧道位移响应和应力响应影响,海底双层衬砌隧道抗减震设计时,隧道内外衬砌刚度比和厚度比的选取范围分别建议为E₂/E₁...     

多维地震下考虑地表建筑的土和隧道的振动台试验研究

目前关于地下结构–土体系的地震响应研究多为未考虑竖向地震作用和周围建筑的影响。以隧道–土体系为研究对象,考虑10层地表建筑的影响,进行多维地震波作用下的振动台试验,研究隧道和周围土体的动力响应规律。试验结果表明：隧道和土体在双向地震动输入下的地震响应均大于单向地震动输入的响应。随着地震波输入维数的增加,土体的频谱没有改变。土体和隧道在远场地震波作用下的反应较为强烈,但由于近场地震波具有高能量的速度脉冲,随着输入地震动强度的增大,土体和隧道在两种地震波作用下加速度响应的差异逐渐减小。上部结构–桩基的存在导致隧道中间断面与端部截面处应变的不同,与隧道的端部截面相比,中间断面右侧的应变增大,左侧的应变减小。     

地面出入式盾构隧道动力响应试验对比分析

地面出入式盾构隧道（ground penetrating shield tunnel, GPST）的地震动力响应与传统隧道有显著区别,这是由于GPST部分衬砌出露地面,部分埋置于地下,其动力特性与一般隧道或地面建筑都有所不同,采用振动台试验方法对GPST的地震动力响应进行分析。本研究建立了大型隧道-地层模型,合理模拟了隧道的接缝、衬砌环横截面和纵向刚度,并还原原型场地的动力参数。模型隧道的总长7.7m,埋深范围为-0.5D～0.5D,其中D为隧道直径。试验中输入地震动为上海人工波,输入方向垂直隧道轴线。试验对两种结构形式的隧道进行分析,分别为标准衬砌环和顶部开洞衬砌环,重点分析了隧道在地震中的加速度响应和直径变形响应,以揭示GPST的动力响应特性。研究表明,隧道埋深对隧道的地震响应产生显著影响。随着埋深减小,隧道顶部加速度响应增大,表现出了显著的摆动效应。随着埋深的增加,隧道直径变形响应也相应增加,但顶部开洞衬砌环在出由于刚度显著降低,直径变形响应也出现极值。总的来说,地下段（D≥0）结构响应主要受控于土-结构相互作用（SSI）的影响,而出露地面的隧道（D <0）由于没有地层的约...     

隧道–土体–地表结构相互作用体系地震响应影响因素分析

为探讨地下结构近距离穿越地表结构时二者之间地震响应的相互影响规律,建立隧道–土体–地表框架结构相互作用体系计算模型,系统研究对该体系地震响应影响显著的参数,具体包括:隧道的直径和埋深、土体的分层特性、框架结构的高宽比及其与隧道圆心的间距、输入地震波特性等。计算分析表明:(1)隧道对体系自振特性影响并不显著,但地表框架结构则显著改变了体系的频率特征;(2)隧道对地表框架结构地震响应的影响主要与隧道的半径相关,较大的隧道半径可阻隔地震波的传播,从而起到一定的减震功能;(3)由于考虑的框架结构质量相对较轻,地表框架结构对隧道地震响应的影响不显著;(4)由于地震波频谱成分及结构自身频率的影响,不同地震波对体系地震响应的影响十分显著;(5)土的分层特性改变了土体的刚度,因而也影响了体系的地震响应。研究成果可为初步定性确定地下结构与临近地表结构地震响应的相互影响提供参考。     

平面P波入射下海底衬砌隧道地震响应解析分析

基于Biot流体饱和多孔介质和理想流体介质波动理论,采用Hankel函数积分变换法(HFITM),在考虑水下饱和土的流固耦合及水–土–结构动力相互作用条件下,给出海底衬砌隧道对平面P波散射问题的解析解。Hankel函数积分变换法能够较好地处理半空间表面边界条件,避免了传统研究中的"大圆弧假定"。在解析解的基础上,计算分析了入射角度、入射频率、海水水深和隧道埋深等因素对场地位移和隧道应力的影响。结果表明:入射角度、入射频率、海水水深和隧道埋深对场地位移和隧道应力影响明显;入射角不同时,场地水平位移和隧道动水压力随着入射角的增加而增加,竖向位移和隧道总应力随着入射角的增加而减小;入射频率不同时,隧道应力随着频率的增加而明显减小;海水水深不同时,水深为10倍隧道半径时的场地位移和隧道应力最大;隧道埋深不同时,场地位移和隧道应力随着埋深的增加而减小。     

考虑成层土体的地铁隧道地震动力响应分析

考虑了土体的粘弹性,采用非均质土-结的计算模型,结合动力学理论,分析了结构的本构模型、人工边界条件以及土-结的接触问题,主要探讨了地震作用下地铁隧道的动力响应特征。依托实际工程,在ANSYS中建立数值模型并输入实际材料参数,施加粘弹性人工边界,参考武汉地区抗震设防的要求,垂直入射天津波。通过该模型的模态分析、时程分析表明：结构在地震作用下的响应与衬砌混凝土等级、衬砌厚度有关,并且土体加固后对结构抗震性能有很大影响。最后,对衬砌在地震作用下的安全性进行了分析,为地铁隧道的抗震设计提供了依据。     

横观各向同性土——半封闭隧道衬砌相互作用分析

土体在沉积过程中存在各向异性,将土体视为各向异性体更为合理。考虑土体和衬砌的相互作用,基于饱和多孔介质理论和弹性理论,在频率域内研究了简谐荷载作用下横观各向同性土——半封闭圆形隧道衬砌简谐耦合振动。通过衬砌内边界应力连续以及土体和衬砌界面处应力和位移协调,得到了饱和横观各向同性土和衬砌的位移、应力和孔压解析表达式。利用衬砌中流体速度和土体中流体速度相等,建立了隧道部分透水边界条件,得到了待定系数的具体表达式。数值算例分析了土体和衬砌物性和几何参数的影响,表明：横观各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较大,而垂直于各向同性面内的弹性模量对系统动力响应影响较小。另外,相对渗透系数和衬砌厚度对响应幅值有很大影响,而衬砌泊松比对响应幅值影响较小。     

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。     

凸起地形中半圆形衬砌隧道对SH波的散射解析解

根据弹性波动理论,结合分区和契合思想,利用傅里叶级数展开法,由连续性条件和自由地表边界条件,求得了凸起地形中衬砌隧道对SH波散射的解析解。通过研究半圆形山岭衬砌隧道对SH波散射的影响,得到的计算结果表明:对于软性和硬性衬砌隧道而言,凸起地形对地震波有明显的放大作用,当入射频率增大时,地表位移幅值也增大,这种现象在凸起地形范围内尤为明显;当入射频率较低时,位移幅值在凸起地形附近变化明显。与此同时,刚性衬砌表面的动应力集中现象尤为显著。除此以外,结果还表明动力反应特征主要影响因素包括入射波角度、入射波频率及衬砌材料属性等。     

Stochastic seismic wave interaction with a rock joint having Coulomb-slip behavior

Seismic wave interaction with a slippery rock joint with an arbitrary impinging angle is analytically studied based on the conservation of momentum on the wave fronts. Based on the displacement discontinuity method, the wave propagation equations are derived for incident P- and S-waves. By comparison, the calculated transmission and reflection coefficients for normal incident waves are the same as the existing results, which proves the wave propagation equation obtained in the paper is correct. The wave propagation derived in the context can be applied to incident waves with different waveforms. Stochastic seismic waves are then used to analyze the seismic wave interaction with the slippery rock joint, where the stochastic seismic waves are generated from frequency spectra. The parametric studies are carried out to investigate the effect of type, intensity and impinging angle of the incident seismic waves on the wave propagation across the slippery rock joint.     

爆破地震波作用下隧道围岩动应力集中系数分析

将爆破地震波进行合理近似简化,采用波函数展开法,推导了无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩动应力集中系数的表达式,结合具体算例,从理论上定量分析了围岩不同位置上爆破地震波主频和围岩物理力学指标对动应力集中系数的影响。分析结果表明：隧道围岩迎爆侧的动应力集中系数整体上大于背爆侧,动应力集中系数峰值偏向于迎爆侧;在不同主频爆破地震波作用下,动应力集中系数的影响存在最大值;隧道围岩的弹性模量对动应力集中系数的影响较大,而泊松比对动应力集中系数的影响较小。     

层状与各向异性介质波动问题的时域边界元法及工程应用

时域边界元方法是研究层状与各向异性介质波动问题的有效工具,本文对其研究背景和进展情况进行了扼要评述。在此基础上,将其运用于对某电站地下厂房在地震波作用下的波动响应分析,通过求解地下厂房的位移响应和应力响应并比较地基介质的各向异性程度,入射波的角度及频率对波动响应的影响,获得了对工程具有重要参考价值的规律。     

地震波三维斜入射作用下隧道#br# 对场地地表地震动的影响

利用2.5维有限元-边界元耦合方法,以饱和土场地中圆形隧道为例研究了地下隧道对场地地表地震动加速度的放大效应,主要讨论了地震波入射角的影响。假定地震波在基岩面三维斜入射,用水平入射角θh和竖向入射角θv两个角度来表示地震波的入射方向。研究表明,地震波斜入射时的场地地表地震动加速度放大系数显著大于地震波垂直入射情况,且地震波入射角对场地地表加速度反应谱的幅值、形状以及卓越频率也均有一定程度的影响,尤其对竖向加速度反应谱卓越周期的影响显著。此外,针对本文算例,θh< 30°且θv> 30°时,场地地表地震动竖向加速度与水平加速度的比值大于规范推荐的0.65,且此时竖向加速度反应谱的幅值可能会大于水平加速度反应谱的幅值。     

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。     

On subsurface box-shaped lined tunnel under incident SH-wave propagation

In this paper, a half-plane time-domain boundary element method is applied to obtain the seismic ground response, including a subsurface box-shaped lined tunnel deployed in a linear homogenous elastic medium exposed to obliquely incident SH-waves. Only the boundary around the tunnel is required to be discretized. To prepare an appropriate model by quadratic elements, a double-node procedure is used to receive dual boundary fields at corners as well as change the direction of the normal vector. After encoding the method in a previously confirmed computer program, a numerical study is carried out to sensitize some effective parameters, including frequency content and incident wave angle for obtaining a surface response. The depth and impedance ratio of the lining are assumed to be unvaried. The responses are illustrated in the time and frequency domains as two/three-dimensional graphs. The results showed that subsurface openings with sharp corners distorted the propagation path of the anti-plane waves to achieve the critical states on the ground surface. The present approach can be proposed to civil engineers for preparing simple underground box-shaped models with angular boundaries.     

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。     

盾构隧道半径及埋深对其地震响应的影响分析

针对目前出现的大半径盾构隧道,通过建立土-隧道的数值计算模型,分析了隧道半径及埋深对其地震响应的影响,研究表明：随着隧道半径的增大,隧道拱顶的竖向位移及弯矩均显著增加,且增加隧道埋深有助于提高其抗震能力。