第一章岩土与隧道工程介绍.ppt

地下结构的抗震安全评价大连理工大学林皋大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT 地下结构在国民经济和国防建设中发挥着重要作用。地下空间的开发利用是城市现代化建设中的重要发展方向。我国地处世界上最活跃的两大地震带（环太平洋地震带和欧亚地震带）影响的地区，是世界上多地震国家之一。全国除个别省之外，都发生过6级以上的地震。地震设防区域(地震基本烈度6度以上地区)的面积占全国国土面积60%以上。地震震源浅，强度大。我国450个城市中，位于地震区的占74.5%；有一半位于地震基本烈度7度及以上地区。28个百万以上人口的特大城市，有85.7%位于地震区；50~100万人口的大城市和20～50万人口的中等城市80％位于地震区。地下结构具有隐蔽性，震害不易发现，修复困难，破坏后果影响大等特点，其抗震安全性受到广泛关注。但地下结构抗震设计方法还缺乏比较深入的研究。大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT 1.地下结构的地震震害多次大地震中都有不少地下结构遭到震害。地下结构的地震震害有两种类型:(1)由地震波传播引起(地震波引起的地下结构的轴向和弯曲变形);(2)地震造成的地基变形(断层错动、滑坡、液化)所引起。后一种震害应在地下结构选线布置时设法避免或对地基采取加固措施。地下结构的抗震设计主要考虑前一种震害。大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT DowdingC.H.统计了美国加州、阿拉斯加州以及日本等71座岩石地基上由于地震波动产生的隧洞震害事例。洞径大部分D＝3~6m；地震震级M=5.8~8.3。 阪神地震中高速地铁车站震害 唐山地震中地下巷道震害 2.地下结构地震响应的特点大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT 地下结构受周围岩土介质的约束，其地震响应特点和地面结构有明显差别。输入(地震波)K、C、M输出(结构响应)如以入射地震波作为输入，结构响应作为输出的话，则地面结构犹如一个强滤波系统，随着结构刚度、阻尼和质量惯性分布的变化，输出的结构响应的频率成分和振动的持续时间与入射地震波相比，都将发生很大的改变。地下结构则不同，由于约束作用，只要地下结构的尺寸与地震波长相比较小的话，响应波形与入射地震波形相比，将不发生明显变化。地下结构对地震波场扰动的影响很小。 地下结构地震响应的基本方程 简写为 地下结构抗震分析的关键是求解半无限空间地基介质的动力阻抗矩阵或(是激励频率的函数)以及地下结构地震动输入。或为动力刚度，含刚度和阻尼的影响，一般为复值，而且是频率的函数。工程设计上常常采用简化的方法。 3.隧洞结构的计算模型对盾构隧道介绍日本早稻田大学小泉淳教授所发展的村上－小泉模型。环与环、管片与管片之间的相互连接的模拟。管片与管片之间－主要采用回转弹簧(弹簧刚度相当于刚性连接，弹簧刚度等于零相当于铰接)，抵抗相对转动；环与环之间－主要采用剪切弹簧，抵抗相对错动；周围土体抗力－地基弹簧(横向)、支点弹簧(轴向)。大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT 盾构隧道计算模型 一次衬砌（管片）有二次衬砌的计算模型 结构计算模型化 管片接头 单环实验 三环错缝拼装实验 地基弹簧盾构隧道设计规范（日本） 振动实验振动实验模型 地基模型隧道埋设后的模型 地震作用下的计算模型地基变形剪切力地基弹簧SeismicDeformationMethod 输入正弦波的实验值与计算值比较弯矩，轴力整缝拼装错缝拼装 输入正弦波的实验值与计算值比较弯矩，轴力 输入ELCENTRO波 输入神户波 输入ELCENTRO波弯矩，轴力－时间关系一次衬砌，二次衬砌 4.隧洞与周围岩土间动力相互作用的模拟4.1工程上的简化图形大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT 4.2地下结构与围岩相互作用求解方法为时空耦合，同时为激励频率的函数。反映能量向无限域的扩散[S]。周围岩土介质对地下结构的作用力频域：时域：研究者提出了大量的计算模型。另一种处理办法是采用局部人工边界，进行时空解耦。也有许多研究者提出了相应的计算模型。 我们建议采用比例边界有限元方法(SBFEM-ScaledBoundaryFiniteElementMethod)这种方法的特点是特别适宜于处理无限域问题，具有和边界元法同样的优点，但是不需要求基本解，可采用有限元的方法求解。同时，方法只需在边界上进行离散，可以将三维问题降阶为二维问题，二维问题降阶为一维问题，使计算工作量缩减。SBFEM非常适合于求解竖井、弯段等复杂形状结构的地震响应。 SBFEM具有比较高的计算精度。下面给出SV波水平入射时，孔洞周边变形与应力变化与解析解的比较。图中a0=r/cs表示无量纲频率。 谢谢!大连理工大学土木水利学院DalianUniversityofTechnology工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineeringDUT