基于有限/无限元法的山岭隧道地震响应分析

摘要

随着我国高铁的快速发展，越来越多的山岭隧道被建成，在汶川大地震发生后，震害调查显示多处山岭隧道的受震破坏严重，引起工程界和学术界的关注和研究，研究山岭隧道在地震作用下的受震特征，对山岭隧道的设计具有重要的指导意义。　　本文首先结合Yang等（1996）提出的2D有限/无限元方法及Zhao和Valliappan （1993）提出的等效地震力输入法，开发了用于研究土-结构相互作用问题的地震响应分析程序；其次，将程序应用于分析半无限空间和带洞穴的半无限空间的波传问题，并与前人理论研究及数值分析结果进行了对比，验证了程序的有效性。最后，扩展此法用于山岭-单、双孔隧道结构地震响应分析,研究了山岭、隧道的几何和材料参数对结构响应的影响规律。研究发现：①SV波入射引起的结构响应较P波入射的大。当SV波入射时，单孔山岭隧道在顶部与侧壁之间、侧壁与底部之间发生应力集中现象，双孔山岭隧道与单孔隧道类似，但幅值偏大，在两隧道相邻侧的主应力峰值位置较单孔发生偏移；在 P 波入射下，隧道在顶部、底部及侧壁处发生应力集中现象，双孔隧道的相邻侧的相互作用明显。②山岭隧道衬砌内表面的主应力值远大于外表面的，内外表面的位移和加速度响应一致。③由于山岭-单（双）隧道整体刚度较大，结构的运动接近于刚体运动，山岭和隧道的材料、几何参数的改变对隧道的位移响应影响甚微，隧道上部的加速度响应总是大于隧道下部的。④衬砌混凝土强度和厚度仅影响隧道应力幅值大小，不改变隧道的主应力分布，衬砌厚度变大有利于减小隧道内主应力幅值，但效果有限，具体工程可通过建模确定最优衬砌厚度。⑤当隧道穿越软弱层时，隧道的主应力值增大，不利于隧道的安全，建议山岭隧道选线应避免穿越软弱层。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 震害现场调查

1.1.2振动台实验研究

1.1.3理论分析

1.2研究意义

2 2D有限/无限元法简介

2.1 引言

2.2有限/无限元运动方程理论推导

2.3单元的数值方法介绍

2.3.1 Q8单元和无限单元的形状函数

2.3.2 无限单元的参数定义

2.3.3 无限单元的数值积分方法

2.3.4 网格尺寸选择

2.4 本章小结

3 地震波的传播分析

3.1 引言

3.2 一维波传理论

3.3 分层土壤

3.4.1 等效地震力

3.4.2 等效地震力的计算

3.4.3网格尺寸选择

3.5自由场模型算例验证

3.5.1 SV波和P波入射情况

3.5.2 多层土壤算例验证

3.6 带洞穴自由场的算例验证

3.6.1 地表运动情况

3.6.2算例验证

3.7 本章小结

4 山岭-单孔隧道结构地震响应分析

4.1 引言

4.2 地震波资料

4.3 山岭在地震作用下的响应

4.3.1 山岭在SV波和P波作用下的响应

4.3.2 坡角对山岭响应的影响

4.4单孔山岭隧道地震响应分析

4.4.1 SV波作用下山岭隧道的动力响应

4.4.2 P波作用下山岭隧道的动力响应

4.5 参数分析

4.5.1衬砌混凝土等级的影响

4.5.2衬砌厚度的影响

4.5.3山岭坡角的影响

4.5.4 围岩强度的影响

4.5.5 山岭高度的影响

4.6 本章小结

5 山岭-双孔隧道结构地震响应分析

5.1 引言

5.2 双孔山岭隧道地震响应分析

5.2.1地震波资料

5.2.2双孔山岭隧道的地震动力响应

5.2.3 单、双孔隧道的响应对比

5.3参数分析

5.3.1 双孔隧道间距的影响

5.3.2 衬砌厚度的影响

5.3.3 围岩强度的影响

5.3.4 山岭坡角的影响

5.3.5 山岭高度的影响

5.3.6分层岩层的影响

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学生硕士阶段参与的科研项目

C.学位论文数据集

致谢