软弱土层输水隧道地震响应及减震措施研究

摘要

随着社会的发展和经济的突飞猛进，安全问题越来越成为人们关注的焦点。众所周知，水是人类生存、生活、发展的必需品，而我国的水资源分布极不均衡，南涝北旱的现状，已经严重影响了我国的经济发展和人民生活水平的提高。过度的地下水开采，使得很多中心城市地下水位下降、地面下沉，为此我国很多城市都已实施或正在实施区域性调水工程。有限水资源的利用和调配是制约我国经济高速持续发展战略的主要因素之一，为了彻底解决这一问题，举世瞩目的南水北调工程已经在实施中。而我国又是地震高发区，地质条件复杂，很多输水隧道不可避免要穿越河流、海湾，周围通常为砂砾层、粘土层、淤积层等构成的软土地层。如我国南水北调的中线经过西北黄土软弱地质，其穿黄隧洞穿过可液化黄河淤沙，基础为粉细砂，顶部则为黄河河床，受主河槽摆动及河床冲淤影响，使洞身的受力条件恶化，地震作用下可能发生不均匀沉降。所以，研究在地震作用下软弱土层大管径输水隧道考虑流一固耦合的动力响应特性及其震害影响因素是很有必要的。更何况，地下输水隧道与一般的地下结构又有所不同，它不仅存在土体和衬砌的相互作用，还存在衬砌与水体的相互作用，所以其振动特性比不考虑水体的地下结构或地面结构要复杂得多。也正因此，本文采用流一固耦合的分析方法，通过求解基于势流体的流一固耦合运动方程来进行输水隧道的地震动力响应研究。主要研究的内容如下： 首先，介绍了流体和固体的基本运动方程及流体的几种简化模型，这为本文的后续工作的展开打下坚实的基础。 其次，根据固体、流体的基本运动方程及土体、衬砌、流体所选取的计算模型，建立基于势流体的流一固耦合运动方程；并由所建立的基于势流体的流一固耦合运动方程对一穿越河底的输水隧道进行全面系统地地震响应规律研究。此研究不仅考虑水体的附加质量的影响，还考虑具有自由液面的小振幅晃动和表面波的影响。竖井作为输水隧道重要且必不可少的附属结构，这里对带有竖井的输水隧道整体地震响应规律进行了专门的研究。 接着，针对影响输水隧道震害的几个主要因素：结构埋深、围土性质、结构特性及地震动输入机制等，对衬砌、环缝接头、竖井等部位的地震响应进行全面系统地研究。特别是对地震动输入机制问题的研究，这里根据一致激励下的流一固耦合运动方程推导了多点激励下的流一固耦合运动方程；并结合一穿越河底的输水隧道进行地震响应规律分析。 随后，研究内水的简化模型在软弱土层输水隧道抗震设计中的应用；同时与基于势流体的流一固耦合模型进行比较分析。根据地质条件和震害特点，由柔度比概念，全面系统地探讨了不同围岩的输水隧道的不同部位的工程减震方案及综合振动控制措施。 最后，对软弱土层输水隧道动力模型试验的相似技术进行研究。在验证了模型试验材料与原型材料均相同和均不同的模型试验相似准则的基础上；根据动力模型试验的截面刚度相似，提出了动力模型试验的惯性半径相似技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1工程背景与研究意义

1.2国内外研究现状与发展趋势

1.2.1(输水)隧道及地下结构抗震研究的发展概况

1.2.2流体与固体耦合研究的发展概况

1.2.3减轻(输水)隧道及地下结构震害灾害的工程减震措施的研究概况

1.2.4(输水)隧道及地下结构的动力模型试验研究概况

1.3(输水)隧道及地下结构的研究方法

1.3.1原型观测

1.3.2实验研究

1.3.3理论分析

1.4本文的主要研究工作

2.流体-固体动力耦合系统的基本理论

2.1流体域的基本理论

2.1.1流体的几种性质

2.1.2流体的基本方程

2.2固体域的基本理论

2.2.1可变形固体所作的假定

2.2.2动力学基本议程

2.3流-固耦合中流体的几种简化模型

2.3.1韦氏特加特流体简化模型

2.3.2Housner流体模型简介（刚性壁容器模型）

2.3.3流体的弹簧-质量模型（柔性壁容器模型）

3软弱土层输水隧道考虑流-固耦合的地震响应动力特性分析

3.1引言

3.2基于势流体的流-固耦合运动方程

3.2.1低速流体的流-固耦合运动方程

3.2.2基于势的静态流体波动的流-固耦合运动方程

3.2.3基于势的静态流体波动的流-固耦合运动方程的频率分析

3.3基于势流体的流-固耦合有限元运动方程的算例分析

3.3.1人工边界的模拟

3.3.2输水隧道横截面地震响应分析

3.3.3输水隧道纵向剖面的动力特性分析

3.3.4输水隧道三维整体的动力特性分析

3.4带有竖井的输水隧道地震响应分析

3.4.1计算模型及地震动输入

3.4.2计算结果分析与研究

3.5本章小结

4影响软弱土层输水隧道地震反应的因素研究

4.1输水隧道横截面地震反应分析中的影响因素研究

4.1.1横截面内边界的选取对衬砌地震响应的影响

4.1.2横截面内阻尼的选取对衬砌地震响应的影响

4.1.3横截面内土体和衬砌模型的选取对衬砌地震响应的影响

4.1.4横截面内土体不均质分布对衬砌地震响应的影响

4.1.5横截面内水体可压缩性及内水压力对衬砌地震响应的影响

4.1.6横截面内不同地震动输入对衬砌地震响应的影响

4.1.7横截面内不同围岩对衬砌地震响应的影响

4.1.8横截面内衬砌厚度的不同对衬砌地震响应的影响

4.2输水隧道三维整体地震反应分析中的影响因素研究

4.2.1阻尼假定对流体-结构耦合系统的影响

4.2.2地震激励方向对衬砌地震响应的影响

4.2.3隧道内水体的可压缩性和内水压差对衬砌的地震响应的影响

4.2.4围岩种类与阻尼系数对衬砌地震响应的影响

4.2.5衬砌厚度对衬砌地震响应的影响

4.2.6势流体两端的边界条件对衬砌地震响应的影响

4.3考虑多点地震动输入时输水隧道地震响应的分析和研究

4.3.1考虑行波效应时流-固耦合运动方程的建立推导

4.3.2行波效应分析方法

4.3.3考虑行波效应时的流-固耦合地震反应分析算例

4.4本章小结

5输水隧道的内水简化模型及减轻衬砌震害灾害的工程减震措施研究

5.1势流体的几种简化模型在输水隧道抗震设计中的应用

5.1.1概述

5.1.2水体简化模型的运动方程

5.1.3基于势流体的流-固耦合运动方程

5.1.4算例验证

5.2减轻输水隧道衬砌震害灾害的工程减震措施研究

5.2.1概述

5.2.2减轻输水隧道衬砌地震响应的工程减震措施的提出

5.2.3减震体系的流-固耦合方程

5.2.4隧道衬砌与地层之间设置减震层(吸能材料)进行减震

5.2.5加固土体或围岩的减震效果

5.2.6多道设防的减震措施的探讨

5.3本章小结

6软弱土层输水隧道的物理模型试验相似技术研究

6.1引言

6.2模型的相似理论

6.2.1相似三定率

6.2.2结构动力模型试验的相似问题的综合和归纳

6.2.3流体模型试验的基本相似准则

6.2.4流-固耦合模型相似准则

6.3与原型材料相同的动力模型试验的相似技术

6.3.1试验概况

6.3.2正态模型试验

6.3.3变态模型试验

6.4用有机玻璃-明胶-内水模拟输水隧道的动力模型试验的相似技术

6.4.1试验模型

6.4.2严格比尺模型试验

6.4.3截面刚度相似模型试验

6.5用原状土-有机玻璃-内水来模拟输水隧道的动力模型试验的相似技术

6.5.1试验模型

6.5.2严格比尺模型试验

6.5.3惯性半径相似模型试验

6.5.4惯性矩模型试验反例

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文及科研情况

致谢