巖土與隧道工程介紹

1、會(huì)計(jì)學(xué)1巖土與隧道工程介紹巖土與隧道工程介紹 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(chē)站震害唐山地震中地下巷道震害 地下結(jié)構(gòu)受周?chē)鷰r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(huà)，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)

2、構(gòu)的尺寸與地震波長(zhǎng)相比較小的話(huà)，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gbgbbtbtigbbbbbiibiitbtibbbiibiitbtibbiiUSUUSKKKKUUCCCCUUMM0 )(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

3、采用簡(jiǎn)化的方法。gbbSfbbSfbUgbbSfbbS 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?chē)馏w抗力地基彈簧(橫向)、支點(diǎn)彈簧(軸向)。法線(xiàn)方向的地基彈簧Kgr切線(xiàn)方向的地基彈簧Kgt環(huán)間切線(xiàn)彈簧Kt環(huán)間法線(xiàn)彈簧Kr回轉(zhuǎn)地基彈簧K梁一次襯砌（管片） 法線(xiàn)方向的地基彈簧Kgr切線(xiàn)方向的地基彈簧Kgt環(huán)間切線(xiàn)彈簧Kt環(huán)間法線(xiàn)彈簧Kr回轉(zhuǎn)地基彈簧K多層襯砌間的法線(xiàn)方向的彈簧Ky二次襯砌多

4、層襯砌間的切線(xiàn)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 1 一次襯砌（管片） 二次襯砌 曲線(xiàn)梁，直線(xiàn)梁 2 管片接頭 法線(xiàn)，切線(xiàn)，回轉(zhuǎn)彈簧 3 環(huán)向接頭 法線(xiàn)，切線(xiàn)彈簧 4 一襯，二襯間接頭 法線(xiàn)，切線(xiàn)彈簧 5 地基彈簧 法線(xiàn)，切線(xiàn)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(xiàn)，切線(xiàn)，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） 單環(huán)實(shí)驗(yàn)三環(huán)錯(cuò)縫拼裝實(shí)驗(yàn)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（日本）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)

5、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 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 Method3.02.01.00-1.0-2.0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整縫拼裝梁彈簧模型無(wú)接頭梁

6、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 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 0.450.300.150-0.15-0.300.450.300.150-0.15-0.30彎矩N m-

7、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(hù)彎矩N m一次襯砌二次襯砌 -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)-100-5005010000.511.52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

8、襯砌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?chē)鷰r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!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(hù)彎矩N m一次襯砌二次襯砌 gb