強震作用下圓形隧道響應(yīng)及設(shè)計方法研究.pdf

1、城市化促進了城市地下交通的快速發(fā)展,我國大中城市相繼開展了大規(guī)模地鐵建設(shè),其中部分城市位于地震高發(fā)地帶。近年來強震頻發(fā),地鐵隧道等地下結(jié)構(gòu)抗震成為城市防災(zāi)減災(zāi)研究的重要課題。本文在總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)圓形隧道地震響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上,采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗等方法,對強震作用下圓形隧道漸進破壞機理和抗震設(shè)計方法進行了研究,取得了如下研究成果:
　　 (1)通過土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗揭示了土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪切變形特征及破壞形式,基于

2、界面力學(xué)提出了反映接觸面變形性態(tài)的土結(jié)相對位移描述方法,明確了土結(jié)接觸面相對位移的內(nèi)涵,并建立了相應(yīng)的能考慮應(yīng)變軟化特性及接觸面法向脫離、切向滑移破壞的粘聚區(qū)域本構(gòu)模型,基于強化有限單元法構(gòu)造了無厚度接觸面單元,揭示了直剪試驗過程中接觸面漸進破壞機制,指出直剪試驗得到的平均剪應(yīng)力-剪切位移曲線不能真實反映土結(jié)接觸面應(yīng)力和變形特征。
　　 (2)基于實體彈性理論,采用復(fù)變函數(shù)級數(shù)解法,獲得了地震剪應(yīng)力作用下,土結(jié)接觸面“完全粘結(jié)”

3、和“光滑接觸”時深埋圓形隧道的擬靜力解析解及考慮接觸面漸進破壞過程的半解析解。分析表明,在強地震剪應(yīng)力作用下,土與結(jié)構(gòu)接觸面在正負45度位置最先發(fā)生剪切破壞。隨著地震剪應(yīng)力的增加,剪切破壞區(qū)域逐漸向兩側(cè)擴展。受接觸面漸進剪切破壞影響,強地震作用下結(jié)構(gòu)軸力遠小于“完全粘結(jié)”,但高于“光滑接觸”條件軸力,而彎矩值則幾乎與“光滑接觸”的結(jié)果重合。
　　 (3)飽和砂土自由場地動響應(yīng)分析表明,地震剪應(yīng)力折減系數(shù)沿深度的分布不僅與地震峰值

4、加速度有關(guān),還與地震波形、振動歷史和場地土體性質(zhì)有關(guān).當峰值加速度較小時,Seed等提出的rd經(jīng)驗公式能反映折減系數(shù)沿深度的變化規(guī)律,但由于不同時刻土骨架軟化程度不同,rd計算值間的差異可達10％;當峰值加速度較大、砂土液化時,rd隨深度變化受液化區(qū)域影響顯著,經(jīng)驗方法不能反映這一特性。
　　 (4)單相和飽和砂土場地中圓形隧道地震動力響應(yīng)分析表明,結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形與地震動時程相關(guān),單純以加速度峰值作為抗震設(shè)計指標難以合理反映結(jié)構(gòu)

5、響應(yīng);常見地鐵隧道對周圍土體的影響范圍約為一倍管徑,結(jié)構(gòu)變形主要受場地變形控制;對于高烈度地震,場地塑性變形使得基于自由場位移的隧道設(shè)計方法過于保守?；诖?提出了適用于高烈度地震的、基于修正自由場位移的圓形隧道擬靜力設(shè)計方法。
　　 (5)在系統(tǒng)評價浙江大學(xué)新建土工離心機ZJU400及振動臺性能基礎(chǔ)上,開展了不同激勵荷載作用下飽和砂土自由場地和含隧道場地的離心機振動臺模型試驗。通過對不同場地中孔隙水壓力和加速度及結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測