内源瞬态荷载作用下弹性介质与饱和多孔介质中衬砌隧道的动力响应对比分析

衬砌隧道周围介质不同,其内源瞬态荷载作用下的动力响应不同,该文对弹性介质与饱和多孔介质中作用有内源荷载的衬砌隧道的动力响应进行对比分析。首先,令饱和多孔介质孔隙率n=0,将衬砌周围饱和介质退化为弹性介质,动力响应解答相应退化为弹性介质中的解答,退化解与已有的隧道周围为弹性介质时的动力响应解答完全一致。其次,对不同孔隙率的饱和多孔介质和理想弹性介质中衬砌隧道的动力响应进行计算,结果表明：与弹性介质相比,饱和多孔介质中衬砌内表面的动力响应较大,轴向衰减速度较快;随着孔隙率的减小,饱和土中衬砌内表面的动力响应逐渐减小,位移和应力时程曲线均趋近于弹性介质。     

半空间饱和土中圆柱形衬砌内荷载引起的动力响应解答

地下衬砌结构经常会受到内部动荷载的作用,内荷载引起的衬砌结构的动应力集中备受关注。采用Laplace变换和波函数展开法,对半空间饱和土中均布突加荷载作用下圆柱形衬砌结构的动力响应进行了研究。对以大半径凸圆弧来近似半空间表面,将半空间饱和土中的波动方程展开成无穷级数的形式,应用Graff加法公式进行坐标变换,根据连续条件和边界条件,确定波函数展开式中的未知系数,求得了半空间饱和土中均布突加荷载作用下圆柱形衬砌的动力响应解答,讨论了衬砌埋深对圆柱形衬砌动力响应的影响。该问题的求解,为地下结构的动力分析提供了一种有效方法。     

高速荷载下多孔饱和地基的动力响应

研究高速荷载作用下梁与多孔饱和半空间的动力响应。由Fourier变换求解多孔饱和固体的动力基本方程，根据梁与半空间的接触条件得出多孔饱和半空间上梁的垂直位移的表达式。文中的数值算例考虑了荷载移动速度对梁的动力位移的影响，并与相应的弹性半空间问题作了对比。从算例中可以发现荷载移动速度对动力位移有很大的影响，当移动速度与半空间的表面波速相近时，地面会当产生很大的振动，同时还发现当速度大于介质的剪切波速时，多孔饱和半空间上梁的动力响应与弹性半空间上梁的动力响应有很大的差别。     

基于多孔介质理论的饱和土体中圆形隧道洞稳态响应分析

基于饱和多孔介质理论,将土体视为液固饱和两相介质,研究分析了粘弹性饱和土体中圆形隧道洞的稳态响应问题,得到了隧道洞边界作用轴对称荷载时的径向位移幅值、径向应力幅值和孔隙水压力幅值的稳态响应解,研究了渗透系数、阻尼系数对圆形隧道洞稳态响应的影响.     

岩土介质参数对圆形衬砌隧道三维瞬态动力响应的影响

研究内源爆炸荷载作用下各参数对"地下生命线"工程动力特性的影响,对其抗爆防爆设计具有重要意义。本文基于已有的饱和多孔介质中圆形衬砌隧道的三维瞬态动力响应解答,利用Fourier和Lαplαce逆变换数值方法,编写计算程序分析了内爆荷载作用下的Biot参数和衬砌参数对动力响应的影响。结果表明:①饱和土环向应力幅值对Biot参数α的改变较为敏感,最大环向应力幅值(α=1.0)约是最小环向应力幅值(α=0.4)的2.4倍;②当M~*0.1时,饱和土体受力状态近似于干孔状态,孔隙水压力趋于0,土体动力响应不再受孔隙水的影响;③黏性耦合参数b~*对动力响应的幅值有较明显的影响,对衰减速度影响不大,但当b~*100时,饱和土的动力响应基本不再受b~*的影响;④衬砌厚度、衬砌与土体的相对刚度对衬砌动力响应影响显著。     

饱和土与衬砌动力相互作用的圆柱形孔洞内源问题解答

考虑饱和土与衬砌结构的动力相互作用,该文研究了内源荷载作用下圆柱形孔洞的动力响应问题.将饱和土体和衬砌结构分别视为流固耦合介质和弹性均匀介质,通过引入势函数将位移控制方程化为二维轴对称波动方程.采用拉普拉斯变换,得到饱和土体位移应力的表达式及衬砌的位移应力的表达式.利用土体与衬砌结构之间的连续性条件和衬砌结构内边界上的边界条件,确定表达式的未知系数.采用逆拉普拉斯变换的数值方法,给出了问题的数值解.分析了饱和土中圆形衬砌结构随土体和衬砌结构参数变化的动力响应规律.     

浅埋偏压小净距隧道大型振动台实验研究

浅埋偏压小净距隧道具有与其它形式隧道不同的受力特点,其地震响应特性也必然不同于其它隧道。基于相似理论设计并完成了浅埋偏压小净距隧道大型振动台模型实验,研究了小净距隧道分别在X(水平)向、Z(竖直)向、XZ双向(水平竖直同时输入)多种工况汶川地震波作用下隧道衬砌加速度和动应变响应规律。实验结果表明:(1)衬砌加速度受地震波的入射方向影响较大,且Z向的影响大于X向,XZ双向的影响大于单向,左洞隧道的加速度响应大于右洞隧道;(2)衬砌应变受地震烈度的影响较大,隧道衬砌在地震作用下承受拉压循环荷载,以受拉为主,右洞隧道衬砌的动应变响应大于左洞隧道;(3)综合衬砌加速度与动应变的响应分析,左洞隧道的左半部分和右洞隧道的拱脚是隧道衬砌在地震作用下容易发生损坏的部位,在进行设计配筋时应特别注意。对于浅埋偏压小净距隧道衬砌进行抗震设计计算时,应考虑Z向地震的影响。研究成果可为浅埋偏压小净距隧道工程的抗震设计提供参考。     

侧向点爆炸作用下地下拱结构的动力响应

首先,利用几何关系与介质中超压、位移衰减公式得出结构表面自由场荷载和位移的分布形式,并对衰减因数、爆距等参数进行讨论;其次,利用MSSI（modified soil-structure interaction）相互作用模型对拱的振动方程进行正交求解,得到任意角度荷载作用下的结构弹性动力响应解析解。基于动力响应解析解,得到了土体的声阻抗对结构位移、速度、加速度时程响应曲线的影响。研究结果表明:侧向爆炸荷载作用下,岩土介质声阻抗越大,埋设其中的地下结构的位移、速度和加速度变化越大。为此,建议地下防护结构应修建在声阻抗小的岩土介质中。     

行车荷载对浅埋黄土隧道稳定性的影响研究

地面行车荷载是影响浅埋隧道开挖稳定性的重要因素之一。本文以西安地铁四号线飞天路站-航天大道站区间浅埋暗挖黄土隧道为工程背景,应用ANSYS软件研究了隧道开挖引起的地表沉降、初期支护拱顶位移、隧道洞口处最大应力,并结合现场监控量测数据得到了隧道洞口断面稳定性最差的结论。研究中通过对行车荷载的瞬态分析,模拟了行车荷载、行驶速度对隧道洞口初期支护的振动响应,探讨了隧道埋深对支护结构加速度时程响应的影响。结果表明:随着隧道埋深的增大,初期支护结构的响应加速度减小;随着行车荷载及行驶速度的增大,隧道初期支护的振动响应越明显。     

饱和土地基在简谐荷载作用下的解析分析

基于多孔介质混合物理论,用解析的方法研究了不可压饱和土地基受到简谐荷载作用下的动力响应问题。利用Fourier积分变换求解耦合方程组,得到了二维饱和土介质在简谐荷载作用下的通解。针对表面透水的具有下卧基岩的饱和土层以及半无限饱和土地基的边界条件,获得了固体骨架位移、孔隙流体位移、固体骨架有效应力以及孔隙流体压力的积分形式解答,并通过数值算例分析了饱和土地基在简谐荷载作用下的响应。     

爆破地震波作用下城市隧道结构动力响应的敏感性

选取纵波作为研究对象,采用波函数展开法,推导了无限弹性介质中复合衬砌结构隧道在爆破地震波作用下动力响应问题的解析解,结合南京红山南路隧道群开挖工程开展了隧道结构动应力集中因数的敏感性分析,并通过曲线拟合分别得到了隧道围岩及内衬环向动应力集中因数随隧道结构动力学及几何参数变化的回归方程。分析结果表明:隧道围岩和二次衬砌层的弹性模量及围岩泊松比对考察点处环向动应力的影响较大,而初期支护层弹性模量的影响几乎可以忽略不计;衬砌层厚度变化对围岩环向动应力的影响要远大于内衬,在隧道施工设计时可以通过增加衬砌层的厚度平衡隧道结构的受力状态,但增加初期支护层的效果不如二次衬砌层。     

隧道施工中围岩与支护结构的黏弹性分析

本文结合某高速公路隧道设计与施工,利用黏弹性理论,对隧道围岩与支护结构时间相依应力与位移进行了研究。首先,将隧道开挖后围岩受力分析视为具有初始应力、在洞周位移作用下的边值问题,导出了隧道时间相依的围岩与支护结构应力与位移,结果表明,其应力和位移与隧道围岩和支护结构间相互作用相关。然后,利用变形协调条件,导出了隧道围岩与支护结构间的相互作用,结果表明,围岩、初期支护与二次衬砌之间的相互作用不仅与围岩和衬砌的材料性质、结构尺寸相关,而且与施做初衬和二衬的时间相关。最后,结合具体隧道设计与施工,利用本文时间相依应力,对围岩应力释放与支护施做时机、载荷分配与支护结构受力分析进行了探讨,给出了不同荷载分担比下二次衬砌的受力与变形,为隧道施工与设计提供参考。     

爆炸载荷特征参数对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响

采用含有三角脉冲载荷和准静压载荷的爆炸载荷加载,利用单自由度模型对无限长圆柱壳体（即等效平面应变圆环）的弹性动态响应进行了力学分析,获得了径向位移响应解析解及准静压阶段弹性响应振幅的解析解。基于所得解析解,通过控制变量法分析了载荷压力及载荷分界点时刻（即三角脉冲载荷与准静压载荷作用的分界点时刻）对径向位移最大值、准静压阶段弹性响应振幅的影响规律,更加深入地研究了爆炸载荷对结构响应的影响。本文主要从准静压幅值与三角脉冲峰值的比值以及载荷分界点时刻两个主要特征参数入手,结合结构的呼吸振动频率来研究爆炸载荷对无限长圆柱壳弹性动态响应的影响。在研究中发现存在临界时刻:当载荷分界点时刻早于临界时刻时,径向位移最大值出现在准静压阶段;当载荷分界点时刻晚于临界时刻时,获得了便于直观判断径向位移达到最大值时所处载荷阶段的分区图。基于前述解析解的分析,还获得了不同影响因素导致的振幅变化的单调性分区图,便于判别载荷压力的变化所致的准静压阶段振幅的增减趋势。通过研究获得的爆炸压力载荷对结构响应的影响规律,可为爆炸容器设计以及结构防护基础研究提供参考。     

多次爆破荷载作用下大荒沟小净距隧道围岩岩体位移响应

以丹东-通化高速公路大荒沟隧道进行的爆破振动监测数据为依据,采用FLAC-3D软件,分析了多次爆破荷载作用下大荒沟隧道小净距段围岩位移响应规律。根据爆破振动监测数据,考虑了竖向和横向质点运动在爆破荷载作用下的耦合效应,模拟左、右洞在6次爆破开挖下的隧道围岩位移响应,同时进行小净距隧道围岩岩体疲劳损伤声波监测,将爆破振动模拟结果和工程实测岩体疲劳损伤声波监测结果进行比较。分析表明:随着爆破循环开挖的进行,围岩处于稳定状态,在排除爆破加载左洞及右洞先后顺序的影响后,岩体损伤及围岩位移偏移以间柱为对称面呈现一定的对称性。同时,随着爆破掘进进行,隧道围岩监测处距爆破中心距离增大,测点处爆破应力波的强调度降低,围岩岩体疲劳损伤及位移偏移增量减少并最终趋于稳定。     

用二次形函数薄层法分析弹性层状地基中的动力问题

薄层法是分析和模拟弹性波在层状介质中传播的一种半解析半数值方法。本文在土层垂直方向离散中利用Galerkin加权残值法推导出二次形函数薄层元的计算公式。采用薄层单元模拟半空间上的层状场地,模型底面用阻尼器边界或傍轴边界代替半空间。利用点源简谐荷载作用下的土层反应与其它数值分析方法的对比讨论薄层模型的设置指标。并用一次和二次两种形函数离散方法计算了层状地基中的面波频散曲线、圆形均布简谐荷载作用下弹性半空间的位移反应和半无限地基中单桩的竖向阻抗函数,分别讨论其计算精度。     

三维粘弹性层状半空间埋置集中荷载动力格林函数求解—修正刚度矩阵法

针对三维粘弹性层状半空间埋置集中荷载作用下动力响应问题,在柱面坐标下,结合径向Hankel积分变换,提出了一种新的求解方法—修正刚度矩阵法。方法基于位势函数理论,将三维问题分解为平面内反应(P-SV波型)和平面外反应（SH波型）两个二维问题的叠加;借鉴结构力学中超静定结构的位移法原理,首先固定荷载所在层的上下界面,通过对波动方程的特解和齐次解叠加得到“固端”反力。进而放松两“固端约束”,利用直接刚度法求得各层面位移,荷载作用层内反应另需叠加上该“固定层”内解,并将特解部分积分（直达波）由全空间解析解代替,解决了当接收点和源点作用水平面接近时的积分收敛问题。算例分析表明,对于低频（可退化为静力状态）和高频问题,本文方法均具有很高的计算效率和精度。     

隧道及地下工程的基本问题及其研究进展1）

作为隧道及地下工程学科的3个基本问题,隧道围岩稳定性、支护--围岩相互作用和结构体系的动力响应一直都是本学科研究的核心问题,本文围绕上述问题重点分析了隧道围岩力学特性及其载荷效应,建立了深浅层围岩结构力学模型,并通过分析深层围岩中结构层稳定性得到了围岩特性曲线的解析公式,提出了围岩结构性特点及载荷效应的计算方法;通过对隧道支护与围岩作用关系的分析,将支护与围岩的动态作用分为4个阶段：即自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌阶段.由此提出了动态作用全过程的描述方法;基于广义与狭义载荷的理念,提出隧道支护具有调动和协助围岩承载基本功能的观点,明确了两种功能的实现方式,即通过围岩加固、超前加固及锚杆支护实现调动围岩承载,通过支护结构协助围岩承载;针对复杂的隧道支护结构体系,提出了多目标、分阶段协同作用动态优化概念,可使各种支护结构的施作实现时间和空间上的协调,提高可靠性;针对极不稳定的复杂隧道围岩的安全性特点,建立了3种模式的安全事故机理模型,基于工程响应特点提出了安全性分级的新理念,并形成了分级指标体系和分级方法;针对水下隧道及富水围岩条件,建立了3种模式的隧道突涌水机理模型,提出了基于围岩变形控制的安全性控制理论和方法.最后,对本学科发展的热点和核心问题进行了分析和展望.     

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.      

VERTICAL VIBRATION ANALYSIS OF AXISYMMETRIC SATURATED SOIL

Based on Biot’s dynamic consolidation equations,by means of Laplace-Hankel transform technology,the integral solutions of stress and displacement in saturated soil with subjacent rock-stratum under axisymmetric arbitrary excitations were derived.In- fluence of the reflected wave generated by the boundary was revealed.Numerical results indicate that the vibration frequency has some effect on the vertical displacement of satu- rated soil.The vertical displacement at the surface of saturated soil lags in phase with the load.Furthermore,the dynamic permeability coefficient of saturated soil has significant effect on the vertical displacement at the initial stage of load applied,but when the load becomes stable,the effect is inapparent.