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。     

直墙拱形洞室围岩稳定性的结构面效应分析

本文以工程概化的思想,设计了15°、30°、45°、60°、75°五种典型倾角结构面分别位于直墙拱形洞室拱肩附近、横穿直墙拱形洞室断面及位于直墙拱形洞室拱脚附近不同情况,并建立数值模型,开展不同倾角、不同位置结构面控制条件下围岩应力分布、围岩变形与破坏的特征分析,为探讨不同结构面控制围岩变形与破坏的机理提供理论基础,具有显著的工程应用价值。     

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。     

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。     

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。     

平面SV波垂直入射下浅埋双圆隧道复合衬砌解析解及减震力学机理分析

基于波函数展开法,给出了平面SV波入射下地下半空间弹性介质中圆形双洞复合式衬砌洞室动应力集中系数解析解,建立了小净距隧道减震层力学模型,并深入研究了低频SV波入射下洞室间距和减震层对衬砌动应力集中的影响。分析结果表明：洞室间距对衬砌的动应力有显著影响,随着洞室之间距离增大,左右洞室衬砌动应力集中系数降低;当洞室间距小于4倍洞室直径时,必须考虑双洞的相互影响;洞室中间部分围岩动应力集中系数较大;在围岩和衬砌间设置减震层,由于减震层刚度低,可以减小围岩对隧道的径向作用力,减震层可以降低衬砌动应力20%左右,但同时围岩切向动应力增大。     

剪切波作用下直墙拱形巷道围岩破坏特征研究

直墙拱形巷道围岩在剪切波作用下会发生不同程度的破坏,通过直墙拱形巷道围岩的相似材料模型振动台实验与数值计算方法,共同研究了直墙拱形巷道围岩在剪切波作用下的受力及破坏规律。研究表明:剪切波作用下,直墙拱形巷道围岩在墙角处形成应力集中现象,直墙拱形巷道围岩的墙角底板和拱帮位置最容易积累损伤,直墙拱形巷道容易发生墙角处开裂破坏和直墙局部塌落破坏,且墙角处的的裂缝位置和方向对其他部位裂缝位置有着明显的影响,即直墙拱形巷道墙角处的裂缝由剪切波作用产生,巷道其他部位的裂缝的出现受到墙角处的裂缝和剪切波共同作用产生。     

应力波斜入射黏弹性节理的传播规律

应力波在岩体中传播规律的研究是岩石动力学的重要课题之一。基于应力和位移皆不连续的假定,针对充填节理的黏弹性特性,建立P波和S波斜入射单个充填节理的频域形式的透反射系数方程组。通过数值计算和参数分析,进而讨论入射角、入射波频率以及节理刚度等参数对应力波斜入射充填节理透反射规律的影响,而入射波参数和充填节理动态特性参数的合理选取是确定透反射系数的关键。     

隧道设置减震层减震机制研究

 通过Fourier-Bessel函数展开法,推导平面SV波垂直入射下半无限弹性介质中圆形双层衬砌结构、围岩–减震层–衬砌洞室的动应力集中系数级数解,分析入射波频率、减震层弹性模量和厚度对动应力集中系数的影响,并结合数值模拟分析结果对比,深入研究减震层减震机制。研究结果表明：入射频率对衬砌动应力集中系数有显著影响,减震层对低频波具有较好的减震效果;由于减震层剪切模量低,围岩和隧道可以剪切变形,从而减小了作用在衬砌外部的法向作用力,降低了衬砌内侧最大动应力集中系数,但围岩和衬砌外侧切向应力增大;随着减震层与围岩弹性模量之比减小,减震层厚度增大,二次衬砌动应力集中系数变小,减震层与围岩的弹性模量比宜低于1/10～1/20,和减震层弹性模量对应,存在一个最优的减震层厚度值。以一公路隧道为背景,开展隧道减震层结构大型振动台试验研究,结果表明：隧道衬砌设置减震层后,可以显著降低衬砌内力,减小衬砌裂缝的数量。