地铁运行引起建筑物振动的三维有限元分析

随着城市轨道交通的迅猛发展,大量建筑设施不可避免地受到周边铁路或地铁列车振动的影响。基于并行计算集群平台,建立了车辆-轨道-高架桥-基础-地基-建筑物耦合的大型三维有限元分析模型,得到了不同工况下列车运行引起地表及临近建筑结构的振动特征。主要结论如下:不同高度的建筑物在同一楼层的振级相差极小;随着车速的提高,建筑物各楼层的振级均呈逐渐增大趋势;此外,各楼层的振级随建筑物距高架桥距离的增大而逐渐减小。一般高度的建筑物各楼层的振级基本沿高度单调增加,顶层振级最大,而高层建筑物却有明显的拐点,在中间某层出现最大振级。建筑物各层楼板的竖直向振动峰值速度远大于水平向振动峰值。     

地铁隧道暗挖施工引起刚性接口管线变形的理论分析

地铁施工造成邻近管线危害及其保护是一个重要问题。研究地铁隧道暗挖施工引起管线变形有助于在保证地铁暗挖施工的同时,确保管线的变形满足管线的正常使用,为地铁隧道的安全高效施工提供技术支撑。基于Winkler弹性地基梁理论模型,分别推导出与隧道轴线平行和垂直情况下的刚性接口地下管线由于隧道暗挖施工引起的变形计算公式,结果表明:隧道直径、管隧距离、沉降槽宽度系数、管径、管壁厚、管材弹性模量、下卧岩土体弹性模量、特征系数、泊松比、地层损失率等参数是管线变形的主要影响因素。以西安地铁三号线通—胡区间施工工程为例,制定了管线变形监测方案,工程实践表明理论预测公式计算结果与实际相符。     

城市燃气管线风险评估

城市燃气管线是城市的重大危险源,事故后果多为燃气泄漏后发生的火灾、爆炸造成人员伤亡及建筑物坍塌,其风险评估方法的研究对于燃气管线的风险管理非常重要.对管线发生断裂的事故概率及其热辐射伤害进行了分析.引入了管线的致死长度,并定义其为在此管线长度内的失效能对特定地点的人产生致死效应.在此基础上,进行了个人风险的定量计算,即管线失效率与致死长度的乘积,并基于个人风险的可接受水平确定了管线的危险距离,为抢险救援工作提供参考.     

深基坑支护开挖对临近地铁隧道结构的影响分析研究

通过数值计算,采用考虑基坑开挖过程中土体剪切模量随应变增大而衰减特性的HSS模型,研究了基坑开挖卸荷作用下,邻近地铁隧道的埋深、隧道和基坑地连墙距离及刚度比等关键因素对地铁结构附加弯矩和附加位移的影响。结果表明:对于坑底隧道,在地下墙埋置深度范围内,与地连墙水平距离越大,隧道的侧移越小,在地下墙埋深以下,隧道侧移随与地连墙水平距离的增大而增大;通过比较坑侧与坑底隧道的附加弯矩与位移,得出地连墙底附近区域因基坑开挖卸荷引起的隧道附加弯矩较大,出现应力集中和明显的隧道-土-挡墙相互作用效应,坑侧隧道水平附加位移普遍大于竖向附加位移;此外,隧道与地连墙刚度比增大,对挡墙侧移和隧道附加位移都有明显的抑制作用。该研究揭示了基坑开挖作用下隧道-土-挡墙之间的相互作用规律,对深基坑开挖优化设计以及临近地铁结构的保护和安全运行具有一定的指导意义。     

柴达木盆地雅丹地区场地特征及铁路路基施工影响

基于对青海省地方铁路鱼卡(红柳)至一里坪铁路通过的雅丹地貌分布区的现场调查,将该区域雅丹按形态及沉积特征进行了分类。利用高密度面波勘探,得到了铁路通过该雅丹密集分布区典型工程场地的浅层(0~30m)地下结构分布,综合考虑剪切波速和覆盖层厚度分布测试结果,该区域场地的建筑场地类别为II类场地。进而通过对该场地的主要铁路路基施工方式的现场强震动测试,得到了路基碾压施工的振(震)动加速度衰减规律以及路基碾压施工对雅丹影响的安全避让距离为距离震源33m。     

山体滑坡对公路山岭隧道影响的数值分析

依托川藏公路102隧道工程,在收集整理102隧道勘察设计资料、总结国内外已有隧道—滑坡体系相互作用机理的基础上,根据2#滑坡与隧道的相对位置关系,采用了FLAC3D三维数值模拟分析方法,对于运营期间滑坡体发生滑动对隧道结构的影响进行了模拟分析。通过对比分析在隧道拱顶距滑动面不同最小距离(1D-4D)条件下,由于降雨导致滑坡发生滑动时,隧道的二次衬砌受力特征及其安全性,为今后类似条件下隧道工程建设提供借鉴经验和工程依据。     

软土地区地表结构对盾构隧道地震响应影响的风险分析

本文基于ABAQUS有限元软件建立了软土地区地表结构-土-隧道相互作用的非线性有限元模型,地表结构采用置于刚性筏板基础的单自由度体系模拟。考虑地表结构的有无,不同的土体模型及地震荷载,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,研究了地表结构对盾构隧道周围土体以及衬砌地震响应的影响。研究表明,地表结构的存在会增大隧道周围土体地震响应,从而引起隧道结构变形以及动态内力的显著增加,同时发现采用弹塑性分析下的隧道地震响应大于采用黏弹性分析。因此,地表结构作用是影响盾构隧道响应的重要因素,综合分析地表结构-土-隧道作用下的结构动态响应有助于更合理的预测地震荷载下盾构隧道结构安全风险。     

上覆富水砂层地铁隧道掌子面变形特征数值试验研究∗

为研究地铁隧道在上覆富水砂层下的变形特征，以典型上覆富水砂层隧道—青岛地铁 2 号线啤—苗区间为工程研究背景，采用 FLAC 3D 数值模拟软件对不同富水砂层厚度与隔水层厚度工况下隧道掌子面位移、塑性区变化特征进行了研究分析。研究结果表明：隔水层厚度是影响掌子面是否发生涌水涌砂的主控因素，在开挖过程中应时刻注意富水砂层距离隧道顶板的安全距离，临界隔水层的厚度为 3 m。同时，当隔水层厚度越大、富水砂层厚度越小时，掌子面变形就会越小。以临界工况为研究对象，通过分析开挖过程中隧道拱顶—拱腰—掌子面应力和位移变形规律，引入了位移释放系数和应力释放率两参数来揭示围岩与掌子面在隧道开挖过程中的影响关系。通过进一步拟合掌子面失稳破坏预测方程，得到了掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前的重要结论，因此在实际隧道开挖过程中应将掌子面的变形作为首选敏感监测指标。研究结果可为该不良地质条件下隧道掌子面稳定性和预加固时机选择提供一定的理论指导。     

九华山隧道开挖爆破对古城墙影响的计算分析

计算分析了南京九华山隧道工程开挖爆破对明古城墙的影响。在对国内外流行的安全标准进行比较的基础上,指出了采用频率与震速结合的爆破震动安全标准的必要性,且采用德国爆破震动安全标准作为计算九华山隧道开挖爆破对古城墙的影响的判据;分别利用目前流行的震动速度和震动频率公式进行计算,判断开挖爆破对古城墙的影响程度及影响范围。结果表明,爆破震动对古城墙安全构成威胁,并计算得出开挖爆破最小安全距离。     

隧道结构与围岩土体三维地震反应分析

基于有限元分析软件ABAQUS平台,编制材料本构模型子程序UMAT,采用粘弹性人工边界条件模拟能量开放系统的边界,利用二次开发后的ABAQUS软件,模拟了隧道与围岩系统的三维地震反应,对比分析了不同入射角度下隧道结构与围岩土体的地震反应规律。分析结果表明,在地震荷载作用下,土体产生了不可恢复的塑性变形,主要表现为地表沉降;在斜入射条件下,随着入射角的增大,地表沉降显著增大,且沉降最终趋于稳定的时间有延长的趋势;均质地层中的大跨度长距离隧道结构,其横向地震反应受入射角的影响较大,表现为随着入射角的增大,结构的竖向沉降以及Mises应力显著增大;其纵向地震反应受入射角的影响不大。     

基于层状土推覆方法的盾构隧道抗震性能分析

当前对于地铁盾构隧道进行抗震分析时多基于弹性假设的简化设计方法,难以体现土体和结构的非线性特征;而动力时程分析具有耗时长,工作量大,考虑因素多等缺点使其在工程设计中的广泛应用受到限制。地下结构静力推覆方法具有概念清晰,考虑土体与结构相互作用,相比动力方法耗时大大减少等优点。而自适应层状土推覆分析可以改善地下结构静力推覆法的地震荷载加载模式,使之在含软弱夹层的场地中同样具有较高的精度。通过建立二维的土体-结构相互作用模型,采用自适应层状土推覆分析法对实际的单线地铁盾构隧道横断面进行拟静力弹塑性分析。绘制了其抗震性能曲线并发现了相对薄弱处的位置,并与动力时程的分析结果进行了比较,证明该方法有良好的精度。同时采用该方法对地铁盾构隧道抗震响应做了参数分析,给出了管片混凝土标号和土体模量的改变对隧道薄弱点受力的影响。     

地铁竖井深基坑与龙门吊轨道基础共同作用分析∗

为合理设计地铁区间隧道竖井基坑支护方案和龙门吊基础，以厦门市轨道3号线某区间隧道竖井工程为研究背景，采用PLAXIS 3D岩土有限元数值分析软件建立竖井基坑、龙门吊轨道基础结构及邻近渣坑堆土相互作用的三维数值模型，模拟计算12种龙门吊荷载不同作用位置及偏压作用工况，结果表明：龙门吊行车作用下的地表最大沉降为4 mm，基坑围护墙结构最大变形值为16 mm，约为基坑开挖深度的0.64‰；基坑开挖变形引起的龙门吊轨道基础结构内力变化最大值为270 kN?m，变化幅度约为16.4%；周边堆土对竖井基坑变形及轨道梁内力变化量不超过13%，主要需满足未堆土工况下的侧壁自身稳定性；最后通过对基坑的监测数据分析，表明数值模型可靠，基坑总体上安全稳定，龙门吊基础设计合理，且有足够的安全度。     

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。     

地基土特性变化对桩基抗震反应的影响

地震荷载作用下的桩基动力反应在工程设计中越来越受到重视。基于桩-土-结构整体动力有限元法,结合工程实例,建立有限元分析模型,设置粘弹性人工边界,研究水平地震荷载作用下地基土层特性变化对桩基抗震反应的影响。着重探讨了上软下硬和上硬下软两种土层分布情况下,软硬土层相对厚度及弹模比变化对桩基抗震反应的影响。结果显示:桩基和筏基交接处桩顶截面和软硬土层分界处的桩身截面均可能是内力最大截面,桩顶截面和软硬土分界处桩身截面都应是设计需考虑的控制性截面,地基土层特性变化对于桩基弯矩的影响较剪力的影响显著。     

拱形双排隔离桩对既有隧道的保护效果研究

采用隔离桩来保护邻近基坑的既有隧道是工程中常用方法,目前隔离桩平面排列形式多采用传统的矩形行列式。以杭州市某房建地下室基坑工程为例,提出由直线形排桩和弧形排桩组成的拱形双排隔离桩及相应的优化方案,采用ABAQUS有限元软件建立三维模型,研究了隔离桩中心距、桩半径、平面位置以及弧形排桩曲率半径等因素对隔离效果的影响,并与实测结果进行对比。结果表明:隧道衬砌总位移存在最大值和最小值,隧道衬砌总位移最大值点位于拱底,最小值点位于拱顶,隧道衬砌整体呈现出沉降的趋势。减小隔离桩中心距或增大隔离桩半径均可减小隧道衬砌的位移,拱形双排隔离桩的保护效果优于传统形式;将拱形双排隔离桩设在距基坑10 m处,并将弧形排桩设在隧道一侧更合理;弧形排桩曲率半径对隧道保护效果存在合理值;采用优化方案时隧道位移比原方案减小45.7%,隧道更趋于安全。     

吸力式桶形基础多桶组合结构承载力特性研究

海洋采油平台结构中一般采用多桶组合基础型式,然而迄今对多桶组合结构尚缺乏理论分析和实验研究。本文针对我国第一座吸力式桶形基础采油平台CB20B,基于单桶基础在复合加载模式下的承载力特性,建立了双桶、四桶组合基础的三维有限元数值计算模型,探讨了对称多桶基础结构与单桶基础结构的承载力特性之间的相互关系,阐述了不同桶间距的多桶组合结构地基破坏机制,为工程设计提供参考依据。     

渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固耦合分析

地下水问题是富水地层地下结构设计与施工中普遍存在的问题。为探讨地下水流动对软岩地铁隧道的稳定性及衬砌支护受力的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日有限差分方法,在不同地下水位及排水边界条件下,对开挖后洞室周边场地位移、应力场、孔隙水压力的分布情况进行了综合分析。结果显示,由渗流引起的渗透力一定程度上会增加隧道周边场地变形及衬砌应力。从围岩-支护结构共同作用的原理出发,验证了隧道开挖与支护结构设计时需要考虑渗流效应,反映了地下水确实对隧道稳定性有着重要影响。     

调压室胸墙稳定性分析与加固措施研究

调压室是水电站压力水道系统中的一项重要建筑物,其结构稳定性直接影响到下游电站的安全稳定运行,工程上一般采用薄壁圆柱筒法求其应力状态。本文针对湖北某已建水电站调压室胸墙由于下游支撑较弱,闸门胸墙变形及拉应力较大等问题。在考虑外围基岩、胸墙下部沥青杉木板弹性支撑和初始地应力场的基础上,采用数值方法对调压室及其外围基岩进行了整体稳定性分析、现有配筋校核和加固措施研究。结果表明,应将最高涌浪水位作为该调压室加固的控制工况。提出了相应的加筑肋墙或圈梁的加固方案,并从避免胸墙变形过大以保证闸门顺利启闭、降低局部应力集中以减缓混凝土破损等角度出发,对加固后的效果进行了分析讨论。通过对比分析,建议采取H型钢圈梁的加固方案,该方案不仅避免了对原结构的较大改动,还保证了下游厂房的稳定运行和自身结构安全。计算成果为工程项目的加固实施提供了技术依据,同时也为类似工程建设提供了借鉴。     

逆断层作用下埋地管线对周围土体的影响区域分析

在穿越断层埋地管线原位足尺试验的基础上,借助于有限元分析软件ABAQUS建立三维有限元模型,并将有限元分析结果和试验分析结果进行对比以确定建立模型的正确性。利用有限元模型对试验工况进行补充分析,通过对逆断层作用下管道和周围土体的反应模拟结果确定地震中管道变形对周围土体的影响区域。分析对影响区域可能造成影响的各个参数,从管径、管道埋深、断层面倾角、位错量、土体刚度5个方面研究了其变化对影响区域可能造成的影响。