巖土與隧道工程介紹

1、 地下結(jié)構(gòu)在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。地下空間的開發(fā)利用是城市現(xiàn)代化建設(shè)中的重要發(fā)展方向。 我國地處世界上最活躍的兩大地震帶（環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶）影響的地區(qū)，是世界上多地震國家之一。全國除個別省之外，都發(fā)生過6級以上的地震。地震設(shè)防區(qū)域(地震基本烈度6度以上地區(qū))的面積占全國國土面積60%以上。地震震源淺，強度大。我國450個城市中，位于地震區(qū)的占74.5%；有一半位于地震基本烈度7度及以上地區(qū)。28個百萬以上人口的特大城市，有85.7%位于地震區(qū)；50100萬人口的大城市和2050萬人口的中等城市80位于地震區(qū)。 地下結(jié)構(gòu)具有隱蔽性，震害不易發(fā)現(xiàn)，修復困難，破壞后果影響大等

2、特點，其抗震安全性受到廣泛關(guān)注。但地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法還缺乏比較深入的研究。1. 地下結(jié)構(gòu)的地震震害地下結(jié)構(gòu)的地震震害 多次大地震中都有不少地下結(jié)構(gòu)遭到震害。 地下結(jié)構(gòu)的地震震害有兩種類型: (1)由地震波傳播引起(地震波引起的地下結(jié)構(gòu)的軸向和彎曲變形);(2)地震造成的地基變形(斷層錯動、滑坡、液化)所引起。后一種震害應(yīng)在地下結(jié)構(gòu)選線布置時設(shè)法避免或?qū)Φ鼗扇〖庸檀胧?。地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計主要考慮前一種震害。 Dowding C. H. 統(tǒng)計了美國加州、阿拉斯加州以及日本等71座巖石地基上由于地震波動產(chǎn)生的隧洞震害事例。洞徑大部分D36m；地震震級M=5.88.3。阪神地震中高速地鐵車站震害唐

3、山地震中地下巷道震害2. 地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點 地下結(jié)構(gòu)受周圍巖土介質(zhì)的約束，其地震響應(yīng)特點和地面結(jié)構(gòu)有明顯差別。輸入(地震波)K、 C、 M輸出(結(jié)構(gòu)響應(yīng)) 如以入射地震波作為輸入，結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為輸出的話，則地面結(jié)構(gòu)猶如一個強濾波系統(tǒng)，隨著結(jié)構(gòu)剛度、阻尼和質(zhì)量慣性分布的變化，輸出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的頻率成分和振動的持續(xù)時間與入射地震波相比，都將發(fā)生很大的改變。地下結(jié)構(gòu)則不同，由于約束作用，只要地下結(jié)構(gòu)的尺寸與地震波長相比較小的話，響應(yīng)波形與入射地震波形相比，將不發(fā)生明顯變化。地下結(jié)構(gòu)對地震波場擾動的影響很小。地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的基本方程gbgbbtbtigbbbbbiibiitb

4、tibbbiibiitbtibbiiUSUUSKKKKUUCCCCUUMM0 )(gbgbbtgbbbUSUSK)(fbfbbtebbfbbbUSUSSKgbgbbtbtigbbbbbiibiiUSUUSKKKK0簡寫為 地下結(jié)構(gòu)抗震分析的關(guān)鍵是求解半無限空間地基介質(zhì)的動力阻抗矩陣 或 (是激勵頻率的函數(shù))以及地下結(jié)構(gòu)地震動輸入 。 或 為動力剛度，含剛度和阻尼的影響，一般為復值，而且是頻率的函數(shù)。 工程設(shè)計上常常采用簡化的方法。gbbSfbbSfbUgbbSfbbS3. 隧洞結(jié)構(gòu)的計算模型隧洞結(jié)構(gòu)的計算模型 對盾構(gòu)隧道介紹日本早稻田大學小泉淳教授所發(fā)展的村上小泉模型。 環(huán)與環(huán)、管片與管片之間

5、的相互連接的模擬。 管片與管片之間主要采用回轉(zhuǎn)彈簧(彈簧剛度相當于剛性連接，彈簧剛度等于零相當于鉸接)，抵抗相對轉(zhuǎn)動； 環(huán)與環(huán)之間主要采用剪切彈簧，抵抗相對錯動； 周圍土體抗力地基彈簧(橫向)、支點彈簧(軸向)。盾構(gòu)隧道計算模型盾構(gòu)隧道計算模型法線方向的地基彈簧Kgr切線方向的地基彈簧Kgt環(huán)間切線彈簧Kt環(huán)間法線彈簧Kr回轉(zhuǎn)地基彈簧K梁一次襯砌（管片） 法線方向的地基彈簧Kgr切線方向的地基彈簧Kgt環(huán)間切線彈簧Kt環(huán)間法線彈簧Kr回轉(zhuǎn)地基彈簧K多層襯砌間的法線方向的彈簧Ky二次襯砌多層襯砌間的切線方向的彈簧Kx一次襯砌（管片）有二次襯砌的計算模型 結(jié)構(gòu)計算模型化 No 結(jié)構(gòu)單元 計算模型

6、1 一次襯砌（管片） 二次襯砌 曲線梁，直線梁 2 管片接頭 法線，切線，回轉(zhuǎn)彈簧 3 環(huán)向接頭 法線，切線彈簧 4 一襯，二襯間接頭 法線，切線彈簧 5 地基彈簧 法線，切線彈簧（局部坐標系） X 方向，Y 方向彈簧（全局坐標系） 6 支點彈簧 法線，切線，回轉(zhuǎn)彈簧（局部坐標系） X 方向，Y 方向，方向彈簧（全局坐標系） 管片接頭管片接頭單環(huán)實驗三環(huán)錯縫拼裝實驗地基彈簧地基彈簧盾構(gòu)隧道設(shè)計規(guī)范（日本）振動實驗振動實驗70030014010060100900332=96橡膠環(huán)多地層（硅膠）一次襯砌t=4整縫拼裝二次襯砌t=4隔離層錯位拼裝Unit:mm振動實驗?zāi)Ｐ?地基模型隧道埋設(shè)后的模型

7、地震作用下的計算模型地震作用下的計算模型慣性力 周面斷力地盤変位地盤使用梁彈簧模型（村上小泉法）的 SDM 計算模型 地基變形 剪切力 地基彈簧 Seismic Deformation Method輸入正弦波的實驗值與計算值比較彎矩，軸力3.02.01.00-1.0-2.0彎矩N m -300-200-1000100200實驗值梁彈簧模型接頭位置軸力N 3.62.41.20-1.2-2.4彎矩N m -450-300-1500150300實驗值梁彈簧模型接頭位置軸力N 整縫拼裝 錯縫拼裝 4503001500-150-300實驗值無接頭實驗值 整縫拼裝實驗值錯縫拼裝動FEM無接頭動FEM整縫拼

8、裝梁彈簧模型無接頭梁彈簧模型整縫拼裝梁彈簧模型錯縫拼裝接頭位置N軸力 3.62.41.20-1.2-2.4實驗值無接頭實驗值 整縫拼裝實驗值錯縫拼裝動FEM無接頭動FEM整縫拼裝梁彈簧模型無接頭梁彈簧模型整縫拼裝梁彈簧模型錯縫拼裝接頭位置Nm彎矩 輸入正弦波的實驗值與計算值比較彎矩，軸力輸入EL CENTRO波0.90.60.30-0.3-0.6彎矩N m-300-200-1000100200實驗值動FEM接頭位置軸力N一次襯砌0.90.60.30-0.3-0.6彎矩N m-300-200-1000100200實驗值動FEM接頭位置軸力N二次襯砌EL CENTRO整縫拼裝 輸入神戶波0.450

9、.300.150-0.15-0.300.450.300.150-0.15-0.30彎矩N m-75-50-2502550實驗值動FEM接頭位置軸力N-75-50-2502550實驗值動FEM接頭位置軸力N整縫拼裝神戶彎矩N m一次襯砌二次襯砌 輸入EL CENTRO波彎矩，軸力時間關(guān)系-0.4-0.200.20.400.511.52彎矩(N）實驗值計算值時間(s)-0.4-0.200.20.400.511.52彎矩（N）実験値解析値時間(s)ELCENTRO二次覆工ELCENTRO一次襯砌ELCENTRO二次襯砌 -100-5005010000.511.52軸力(N）実験値解析値時間(s)-1

10、00-5005010000.511.52軸力（N）実験値解析値時間(s)ELCENTRO一次襯砌ELCENTRO二次襯砌 一次襯砌，二次襯砌4. 隧洞與周圍巖土間動力相互隧洞與周圍巖土間動力相互作用的模擬作用的模擬4.1 工程上的簡化圖形4.2 地下結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用求解方法地下結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用求解方法gbbS 為時空耦合，同時為激勵頻率的函數(shù)。反映能量向無限域的擴散S。 周圍巖土介質(zhì)對地下結(jié)構(gòu)的作用力頻域：時域： )(uSR tdutStR0)( 研究者提出了大量的計算模型。 另一種處理辦法是采用局部人工邊界，進行時空解耦。也有許多研究者提出了相應(yīng)的計算模型。局部人工邊界 我們建議采用比例

11、邊界有限元方法 (SBFEM-Scaled Boundary Finite Element Method) 這種方法的特點是特別適宜于處理無限域問題，具有和邊界元法同樣的優(yōu)點，但是不需要求基本解，可采用有限元的方法求解。同時，方法只需在邊界上進行離散，可以將三維問題降階為二維問題，二維問題降階為一維問題，使計算工作量縮減。 SBFEM非常適合于求解豎井、彎段等復雜形狀結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。 o SBFEM具有比較高的計算精度。下面給出SV波水平入射時，孔洞周邊變形與應(yīng)力變化與解析解的比較。圖中a0=r/cs 表示無量綱頻率。謝謝!2. 地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點管片接頭管片接頭輸入神戶波0.450.300.150-0.15-0.300.450.300.150-0.15-0.30彎矩N m-75-50-2502550實驗值動FEM接頭位置軸力N-75-50-2502550實驗值動FEM接頭位置軸力N整縫拼裝神戶彎矩N m一次襯砌