渗流作用下海底隧道结构流-固耦合地震动响应研究

摘要

随着现代交通建设的快速发展，海底隧道的建设解决了横跨海峡、海湾、海岛之间的交通连接问题，其所产生的巨大的经济效益和社会效益已经逐步走进公众视野。鉴于海底隧道处于复杂的地质环境和海洋环境中，其建设与维护存在着非常明显的困难，海水渗透防治与隧道结构抗震便是工程中所要解决的两个主要技术难题。为了研究渗流和地震作用对海底隧道结构的影响，本文的研究重点主要集中于以下两个方面:
　　 (1)不考虑围岩的含水率和渗透性，利用有限元软件ADINA，建立了粘弹性边界条件下的二维有限元计算模型，首先进行了自重应力下的固结计算，以消除非固结围岩对于计算结果的影响，然后输入地震荷载进行重新启动计算，得到了不考虑渗流作用下的海底隧道结构的地震动力时程响应。
　　 (2)考虑围岩的含水率和渗透性，将隧道围岩定义为等效各向同性连续多孔介质，考虑粘弹性人工边界及固体围岩与岩体孔隙水之间的流-固耦合作用，建立二维有限元计算模型，采用与(1)中相同的计算顺序，分析了水平地震作用下隧道围岩中孔隙水压力的变化、多孔介质中的动水压力对隧道衬砌的作用、多孔介质渗流场与地震应力场的耦合作用对隧道安全性与稳定性的影响，并对考虑渗流作用与否以及不同地震烈度下的海底隧道结构的地震动响应作了相应的对比，得出了一些结论。
　　 数值计算结果表明:隧道衬砌结构的地震动响应与地震加速度的变化密切相关，渗流作用对于隧道衬砌结构的安全性和稳定性影响显著:考虑渗流作用时，多孔介质围岩中的动水压力对隧道结构内力具有明显的影响，不可忽略;水平地震使得隧道衬砌两侧、拱肩至拱脚区域应力应变显著增大，岩体破坏的临界应力减小，隧道衬砌结构的安全性和稳定性降低。不同地震烈度对于隧道衬砌结构的地震响应具有不同的影响，地震响应随着地震加速度的增大而增大，其增幅与地震加速度的增幅具有基本一致的比例。这些结果将为工程实践和相关领域的科学研究提供参考依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 陆地隧道及地下工程的研究现状

1．3．2 海底隧道工程的研究现状

1．4 研究内容

1．4．1 不考虑渗流作用下海底隧道结构流-固耦合地震动响应

1．4．2 考虑渗流作用下海底隧道结构流-固耦合地震动响应

第2章 基本计算原理

2．1 概述

2．2 岩土体弹塑性强度理论

2．2．1 莫尔-库伦强度理论

2．2．2 弹塑性本构关系

2．3 孔隙介质的渗透定律

2．3．1 孔隙介质渗流的基础理论——达西定律

2．3．2 均质各向同性多孔介质三维渗流定律

2．4 饱和岩土体的动力控制方程

2．4．1 岩土工程问题总控制方程

2．4．2 饱和岩土体的动力控制方程及其解法

2．5 海底隧道渗流场与应力场耦合计算方法

2．5．1 渗流场与应力场的相互力学作用

2．5．2 耦合分析的数学模型

2．5．3 耦合分析的数值方法

第3章 有限元法和边界条件

3．1 概述

3．2 有限元法基本原理

3．2．1 结构离散化

3．2．2 单元分析

3．2．3 总体矩阵集成

3．2．4 固有特性分析

3．2．5 动力响应分析

3．3 有限元法在ADINA中的实现

3．3．1 ADINA有限元分析的基本步骤

3．3．2 ADINA动力有限元分析的基本求解方法

3．3．3 流-固耦合分析在ADINA中的实现

3．4 边界条件

3．4．1 赋水岩土中孔隙水压力的边界条件

3．4．2 位移边界条件

第4章 不考虑渗流作用下的海底隧道地震动力响应分析

4．1 基本情况

4．2 动力有限元模型的建立与求解

4．2．1 计算模型

4．2．2 加载与求解

4．3 动力计算模态分析

4．4 地震动力响应分析

4．4．1 应力计算结果及分析

4．4．2 位移计算结果及分析

4．4．3 速度和加速度计算结果及分析

4．5 本章小结

第5章 考虑渗流作用下的海底隧道地震动力响应分析

5．1 计算模型及模态分析

5．1．1 计算模型

5．1．2 模态分析

5．2 地震动力响应分

5．2．1 应力计算结果及分析

5．3．2 位移计算结果及分析

5．3．3 速度和加速度计算结果及分析

5．3．4 孔隙水压力计算结果及分析

5．3 不同烈度下的地震响应结果对比

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间所取得的科研成果