单侧隧道内爆炸荷载作用下双线地铁隧道的动力响应与抗爆分析

摘要

当前,地下空间的开发己成为国家基础建设的一项重要组成部分.在城市地铁、地下商业空间等各类结构中,为预防各种生产事故或恐怖袭击所造成的意外爆炸,地下结构应有足够的抗爆能力,因而研究地下结构遭受各种内部爆炸冲击下的动力响应,对地下工程的设计、施工及抗爆研究都有着重要的理论意义和工程价值.本文研究单侧隧道内爆炸荷载作用下双线地铁隧道的动力响应及抗爆措施,主要工作包括以下几个方面. (1)在土一结构动力相互作用分析中,采用有限元与无穷元相耦合的方法建立了由双线隧道及其周围有限成层土区、远场半无限土区所组成的整体计算模型,并对巴朗所做的地下隧道爆炸试验进行了数值模拟,验证了本文所建立模型的合理性. (2)依据某实际地铁工程的地质勘探资料建立土体的有限元模型,分析了地铁隧道衬砌及周围土体的位移、速度、加速度、正应力和剪应力等的变化规律与发展趋势,以及地下爆炸波沿有限成层土区传播的行波效应和衰减特征. (3)对于隧道衬砌与周边土体的相互作用问题,使用Goodman单元做为接触单元,研究分析了接触面滑移、张合对隧道及土体应力场的影响规律；同时分析了爆炸超压、隧道埋深和间距以及周围土质条件等对隧道衬砌应力场的影响规律. (4)针对隧道衬砌的破坏情况,选用泡沫铝做为隧道衬砌的抗爆防护材料,分析了其对隧道衬砌的抗爆效果及工程应用的可能性. 通过以上工作,得到如下结论:隧道的埋深及其周围的土质条件以及软弱下卧土层,对遭受内部爆炸的隧道及其邻近隧道的动力响应及破坏程度产生显著的影响；相邻隧道的合理间距与其周围的土质条件密切相关,土质越硬,则间距应越大,同时两隧道外壁间的最短距离应不少于一倍的隧道直径；在遭受内部爆炸的隧道内侧贴装泡沫铝材料,可使隧道衬砌的应力及变形明显降低,从而起到防护隧道衬砌的理想效果,对隧道抗爆工程具有广阔的应用前景.

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文摘

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第一章绪论

1.1课题背景

1.2爆炸波在岩土中的传播问题

1.3本文的主要研究工作

第二章地铁隧道及其所处成层土体的数值模型

2.1地铁隧道内爆炸超压的简化模型

2.2地铁隧道及其周围有限成层土体的弹塑性有限元模型

2.3远离地铁隧道的半无限成层土体的弹性无穷元模型

2.4包含地铁隧道在内的整个土体运动平衡方程的建立

2.5 Goodman接触单元简介

2.6泡沫铝抗爆材料的能量吸收特性

2.7有限元-无穷元耦合体系动力弹塑性时程分析的Newmark增量法

2.8隧道—土体耦合体系动力弹塑性时程分析中的等效荷载法

2.9动力弹塑性时程分析中隧道及其周围土体的过渡单元处理方法

2.10程序编制与算例验证

2.11本章小结

第三章单侧隧道内爆炸引起双线隧道及地基土弹塑性的动力响应

3.1工程概况与模型参数

3.2计算结果分析

3.3三个计算断面计算结果的比较与分析

3.4影响隧道衬砌应力场的主要因素

3.5爆炸冲击波经过隧道时对其周边土质的影响

3.6引入goodman接触单元后隧道的动力响应

3.7本章小结

第四章吸能缓冲材料泡沫铝在隧道抗爆方面的应用

4.1泡沫铝的力学特性

4.2隧道衬砌内壁增加泡沫铝材料的数值模型

4.3泡沫铝的吸能缓冲性能比较

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢