巖土與隧道工程介紹

1、 地下結(jié)構(gòu)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。地下空間的開(kāi)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(guó)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(guó)家之一。全國(guó)除個(gè)別省之外，都發(fā)生過(guò)6級(jí)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(guó)國(guó)土面積60%以上。地震震源淺，強(qiáng)度大。我國(guó)450個(gè)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(gè)百萬(wàn)以上人口的特大城市，有85.7%位于地震區(qū)；50100萬(wàn)人口的大城市和2050萬(wàn)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(fù)困難，破壞后果影響大等

2、特點(diǎn)，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(jì)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(cuò)動(dòng)、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(shí)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(jì)主要考慮前一種震害。 Dowding C. H. 統(tǒng)計(jì)了美國(guó)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(dòng)產(chǎn)生的隧洞震害事例。洞徑大部分D36m；地震震級(jí)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(diǎn)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點(diǎn) 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(diǎn)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(gè)強(qiáng)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(dòng)的持續(xù)時(shí)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(zhǎng)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(duì)地震波場(chǎng)擾動(dòng)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(jiǎn)寫(xiě)為 地下結(jié)構(gòu)抗震分析的關(guān)鍵是求解半無(wú)限空間地基介質(zhì)的動(dòng)力阻抗矩陣 或 (是激勵(lì)頻率的函數(shù))以及地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)輸入 。 或 為動(dòng)力剛度，含剛度和阻尼的影響，一般為復(fù)值，而且是頻率的函數(shù)。 工程設(shè)計(jì)上常常采用簡(jiǎn)化的方法。gbbSfbbSfbUgbbSfbbS3. 隧洞結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型隧洞結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型 對(duì)盾構(gòu)隧道介紹日本早稻田大學(xué)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(dāng)于剛性連接，彈簧剛度等于零相當(dāng)于鉸接)，抵抗相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)； 環(huán)與環(huán)之間主要采用剪切彈簧，抵抗相對(duì)錯(cuò)動(dòng)； 周圍土體抗力地基彈簧(橫向)、支點(diǎn)彈簧(軸向)。盾構(gòu)隧道計(jì)算模型盾構(gòu)隧道計(jì)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(jì)算模型 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型化 No 結(jié)構(gòu)單元 計(jì)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(biāo)系） X 方向，Y 方向彈簧（全局坐標(biāo)系） 6 支點(diǎn)彈簧 法線，切線，回轉(zhuǎn)彈簧（局部坐標(biāo)系） X 方向，Y 方向，方向彈簧（全局坐標(biāo)系） 管片接頭管片接頭單環(huán)實(shí)驗(yàn)三環(huán)錯(cuò)縫拼裝實(shí)驗(yàn)地基彈簧地基彈簧盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（日本）振動(dòng)實(shí)驗(yàn)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(cuò)位拼裝Unit:mm振動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?地基模型隧道埋設(shè)后的模型

7、地震作用下的計(jì)算模型地震作用下的計(jì)算模型慣性力 周面斷力地盤(pán)変位地盤(pán)使用梁彈簧模型（村上小泉法）的 SDM 計(jì)算模型 地基變形 剪切力 地基彈簧 Seismic Deformation Method輸入正弦波的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值比較彎矩，軸力3.02.01.00-1.0-2.0彎矩N m -300-200-1000100200實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)值梁彈簧模型接頭位置軸力N 整縫拼裝 錯(cuò)縫拼裝 4503001500-150-300實(shí)驗(yàn)值無(wú)接頭實(shí)驗(yàn)值 整縫拼裝實(shí)驗(yàn)值錯(cuò)縫拼裝動(dòng)FEM無(wú)接頭動(dòng)FEM整縫拼

8、裝梁彈簧模型無(wú)接頭梁彈簧模型整縫拼裝梁彈簧模型錯(cuò)縫拼裝接頭位置N軸力 3.62.41.20-1.2-2.4實(shí)驗(yàn)值無(wú)接頭實(shí)驗(yàn)值 整縫拼裝實(shí)驗(yàn)值錯(cuò)縫拼裝動(dòng)FEM無(wú)接頭動(dòng)FEM整縫拼裝梁彈簧模型無(wú)接頭梁彈簧模型整縫拼裝梁彈簧模型錯(cuò)縫拼裝接頭位置Nm彎矩 輸入正弦波的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)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(shí)驗(yàn)值動(dòng)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(shí)驗(yàn)值動(dòng)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(shí)驗(yàn)值動(dòng)FEM接頭位置軸力N-75-50-2502550實(shí)驗(yàn)值動(dòng)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(shí)間關(guān)系-0.4-0.200.20.400.511.52彎矩(N）實(shí)驗(yàn)值計(jì)算值時(shí)間(s)-0.4-0.200.20.400.511.52彎矩（N）実験値解析値時(shí)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(shí)間(s)-1

10、00-5005010000.511.52軸力（N）実験値解析値時(shí)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(dòng)力相互隧洞與周圍巖土間動(dòng)力相互作用的模擬作用的模擬4.1 工程上的簡(jiǎn)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(shí)空耦合，同時(shí)為激勵(lì)頻率的函數(shù)。反映能量向無(wú)限域的擴(kuò)散S。 周圍巖土介質(zhì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的作用力頻域：時(shí)域： )(uSR tdutStR0)( 研究者提出了大量的計(jì)算模型。 另一種處理辦法是采用局部人工邊界，進(jìn)行時(shí)空解耦。也有許多研究者提出了相應(yīng)的計(jì)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(diǎn)是特別適宜于處理無(wú)限域問(wèn)題，具有和邊界元法同樣的優(yōu)點(diǎn)，但是不需要求基本解，可采用有限元的方法求解。同時(shí)，方法只需在邊界上進(jìn)行離散，可以將三維問(wèn)題降階為二維問(wèn)題，二維問(wèn)題降階為一維問(wèn)題，使計(jì)算工作量縮減。 SBFEM非常適合于求解豎井、彎段等復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。 o SBFEM具有比較高的計(jì)算精度。下面給出SV波水平入射時(shí)，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(wú)量綱頻率。謝謝!2. 地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點(diǎn)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)值動(dòng)FEM接頭位置軸力N-75-50-2502550實(shí)驗(yàn)值動(dòng)FEM接頭位置軸力N整縫拼裝神戶彎矩N m一次襯砌