地下洞室断面形状对动应力峰值大小影响的统计分析北大核心CSCD

采用波函数展开法及边界离散的方法给出了任意断面形状地下洞室在平面SH波入射下动应力的一个半解析解,并对该方法的精度进行了详细的验证。利用蒙特卡罗方法随机模拟产生了30组半径变异系数为0.05的洞室断面样本,通过对该30组断面地下洞室在平面SH波入射下洞室动应力峰值的统计分析,研究了洞室断面形状对动应力峰值大小的影响。结果表明,洞室断面形状对动应力的峰值大小有显著影响,样本峰值的最大值均显著大于相应圆形洞室的解析解的峰值,样本峰值的最大值比圆形洞室解析解峰值增大60%,样本峰值的最大值的平均增大程度也可达24%;样本动应力峰值的变异系数可达洞室半径变异系数的3.5倍。     

饱和土半空间中地下圆形衬砌洞室对平面SV波的散射

在Biot饱和多孔介质动力学理论的基础上,利用Fourier-Bessel级数展开法,通过对含有衬砌洞室的局部场地进行波场分析,得到饱和土半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波的散射问题的解析解。经验证,本文得到的解可以退化为半空间单相介质的情况。通过与已有的单相弹性介质半空间中圆柱形衬砌洞室对平面SV波散射问题的解析解的对比,验证了此解的正确性。在解析解的基础上,数值计算给出洞口动应力集中放大系数,分析了入射频率和孔洞埋深对柱面上的应力集中因子的影响。     

SV波引起的水下输水隧洞平面地震响应研究

采用波函数展开法,给出了SV波入射引起的水下圆断面输水隧洞平面地震响应问题的解析解,并着重讨论了SV波入射时入射波传播角和地表水深对隧洞结构动力响应的影响。结果表明,当入射SV波的传播角小于临界角时,水下输水隧洞衬砌的动力响应随入射SV波传播角的增大而增大,而当SV波入射角大于临界角时,衬砌动力响应则随入射SV波传播角的增大而减小;在SV波入射时,水下输水隧洞衬砌的动力响应峰值随地表水深的增大而略有减小,但地表水深的改变对衬砌动力响应的分布影响不大。     

SV波引起的水下输水隧洞平面地震响应研究北大核心CSCD

采用波函数展开法,给出了SV波入射引起的水下圆断面输水隧洞平面地震响应问题的解析解,并着重讨论了SV波入射时入射波传播角和地表水深对隧洞结构动力响应的影响。结果表明,当入射SV波的传播角小于临界角时,水下输水隧洞衬砌的动力响应随入射SV波传播角的增大而增大,而当SV波入射角大于临界角时,衬砌动力响应则随入射SV波传播角的增大而减小;在SV波入射时,水下输水隧洞衬砌的动力响应峰值随地表水深的增大而略有减小,但地表水深的改变对衬砌动力响应的分布影响不大。     

地下衬砌洞室群在平面P波多角度入射下的动应力

采用波函数展开法,给出了半空间中衬砌洞室群在平面P波多角度入射下动应力集中问题的一个级数解析解,在满足一定的精度要求下,对无穷级数进行了截断数值计算。衬砌分为刚性衬砌、无衬砌、柔性衬砌3种。计算结果表明:不同的入射角度对动应力集中系数具有重要的影响;洞室间距对动应力集中系数也有重要影响,当洞室之间距离较近时,洞室之间的相互作用对地下洞室群的动应力集中具有显著的放大作用,动应力集中系数可能达到单个洞室的2倍以上;衬砌刚度对动应力集中问题也具有显著的影响,其中,刚性衬砌的动应力集中系数最大,无衬砌次之,柔性衬砌最小。     

双圆形衬砌隧洞对柱面SH波作用下附近场地动力响应的影响分析∗

在柱面SH波作用下,由于弹性半空间中存在水平和垂直平行双圆形衬砌隧道,附近场地的动力响应将会受到影响。因此,本文基于弹性波理论,采用波函数展开法分析了双隧洞周围的柱面SH波散射问题,给出了双圆形衬砌隧道附近场地的位移解析解,并验证了该解的收敛性。通过对衬砌隧洞的衬砌刚度、隧洞埋深、两隧洞的中心间距以及入射波频率等参数的分析,研究了双圆形衬砌隧洞附近场地土体的位移幅值沿水平方向和深度方向的变化规律。结果表明:衬砌刚度、隧洞埋深、中心间距以及入射频率对双圆形衬砌隧洞附近场地的动力响应有着显著的影响。     

弹性半空间中衬砌洞室对平面P波和SV波的散射(Ⅱ)——数值结果

采用一种高精度的间接边界积分方程法,给出了弹性半空间中衬砌洞室对入射平面P波和SV波散射的数值结果;同时通过参数分析,探索了入射波特性和衬砌特性对平面波散射的影响规律。计算结果表明:衬砌洞室附近波的散射与无衬砌情况相比差异显著;动力反应特征主要依赖于波入射角、入射波无量纲频率、衬砌内外材料刚度比等参数;P波和SV波入射下洞室附近地面运动的放大效应均十分明显;低频波入射下,刚性衬砌表面的动应力集中现象最为显著。     

近断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射∗

采用间接边界单元法,求解断层场地中衬砌隧道对平面SH波的散射。首先,通过IBEM求解半空间波动问题的思路,在单层位势理论下,将虚拟荷载施加于散射体表面构造散射波场。然后根据交界面处位移连续条件和应力连续条件建立方程,进而求解得出虚拟荷载密度。半空间自由波场与散射波场通过叠加得出总波场,将得出的结果与现有的精确解进行对比,从而使本方法的计算精度得到验证。最后,通过求得的详细数值结果,讨论了半空间中断层场地和衬砌隧道对平面SH波的散射规律。数值分析结果表明:近断层场地衬砌隧道附近SH波的散射同无断层情况相比差异显著,动力反应特征主要依赖于不同断层倾角、隧道与断层距离、SH波入射角度、入射频率等参数。总体上看,SH波入射下,当衬砌隧道位于断层上盘时,断层的存在对衬砌隧道的动应力集中因子会有一定的缩小效应;当衬砌隧道位于断层下盘时,断层的存在对衬砌隧道的动应力集中因子会有放大效应,应力增幅可以达到30%。实际隧道结构动力分析宜根据实际工况考虑断层存在的影响。     

半空间中圆柱形夹塞物对入射平面SV波的散射解析解

采用Fourier-Bessel波函数展开法,给出了半空间中地下夹塞物对平面SV波的散射解析解。借助大圆弧面近似模拟水平地表,由连续性边界条件和自由地表条件建立方程求解。通过参数分析,讨论了夹塞物本身及入射波特性对地表位移的影响规律。研究表明:夹塞物附近地表位移放大效应显著,地表位移对入射SV波频率和角度的变化比较敏感。当埋深较深时,夹塞物的散射效应可以忽略。     

SH波作用下地表覆盖层与浅埋圆柱形夹杂的相互作用

利用复变函数法和多极坐标移动技术研究了SH波作用下地表覆盖层与浅埋圆柱形弹性夹杂的相互作用,并给出了圆柱形夹杂周边动应力集中系数的数值结果。首先,为了克服直接构造波函数场的困难,采用一个半径很大的圆形边界来拟合半空间的直边界,因而,具有地表覆盖层的半空间直边界问题就转化成了曲面边界问题,可采用大圆弧假定法求解;其次,借助Helmholtz定理预先写出问题波函数的一般形式解,再利用边界条件并借助复数Fourier-Hankel级数展开将问题化为求解波函数中未知系数的无穷线性代数方程组;最后,截断该无穷代数方程组,以求得该问题的数值结果。分析表明,半空间地表覆盖层的存在,即使其厚度很薄,对入射SH波的散射也具有很大的影响。     

弹性半空间中衬砌洞室对平面P波和SV波的散射(Ⅰ)——方法

采用一种高精度的间接边界积分方程法,求解了弹性半空间中任意形状衬砌洞室对入射平面P波和SV波的散射问题。在衬砌内外表面附近引入虚拟波源面,由该面上的柱面膨胀波源和剪切波源构造衬砌内外的散射波场,继而由边界条件建立方程并求解得到虚拟波源密度,总波场可由散射场和自由场的叠加而得。通过精度验证和稳定性检验,表明该方法具有极高的数值精度和数值稳定性。     

动荷载作用下地下岩体洞室应力特征的影响因素分析

用FLAC3D初步分析了动荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室应力特征的影响。分析结果表明:动荷载下,随着埋深的增加,各种洞型应力量值有明显的减小趋势;地应力状态对地形洞室的应力响应有较明显的影响,在自重地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底地最小主应力处于拉应力状态,而构造地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底最小主应力处于压应力状态,且随着侧压系数的增加,洞室的应力由较明显的减小趋势;动荷载作用下,不同断面形状的洞型应力响应有一定区别,圆形洞室应力响应最小,矩形洞室应力响应最大,随埋深、地应力的增加,洞形对洞室应力响应影响减小,当埋深超过300 m后,洞型对应力的影响变化程度不大。     

浅埋偏压条件下特大断面隧道地震动态响应的试验研究

以福州市二环路金鸡山隧道为工程原型,设计制作了浅埋偏压条件下特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了20种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度、衬砌接触压力、衬砌表面应力的地震动态响应。隧道中轴面各测点PHA放大系数随高程呈近似对数型增大,改变了原场地高程效应的表现形式;隧道模型的第一卓越频率与EL波的卓越频率较为接近,其共振效应使得EL波激励引起的高程效应明显大于其他地震波。靠山侧衬砌结构所承担的地震动附加压力显著大于临空侧,且在大振幅激励下,其拱腰所承担的地震动附加压力反而大于拱脚。隧道衬砌结构的扁平率和几何曲率,对其动应力峰值的分布均有显著影响,尤其是在大振幅激励下,靠山侧拱脚处的动应力峰值显著大于其他部位。衬砌结构的裂缝发展形态特征,与接触压力峰值及动应力峰值沿衬砌环向分布的规律是相一致的。上述成果为浅埋偏压条件下特大断面隧道抗震设防提供了参考。     

层状场地中任意形状沉积河谷对平面SH波的散射

利用间接边界元方法在频域内求解了层状场地中任意形状沉积河谷对平面SH波的散射;利用土层的精确动力刚度矩阵求解了应力和位移的动力Green函数;结合间接边界元法,研究了沉积河谷宽度、厚度、入射角、入射频率等对地表位移幅值的影响,并与按一维场地模型计算的结果进行了比较。研究表明,沉积河谷有明显的二维散射效应,与一维模型的计算结果差别显著。在工程场地地震安全性评价中,应合理考虑沉积河谷对场地设计地震动参数确定的影响。     

层状楔形空间平面SH波入射下的波场分析

采用间接边界元方法求解SH波入射下的层状楔形空间内的波场。本文方法首先将层状楔形空间扩展为层状半空间,计算层状半空间在SH波入射下的自由波反应;然后在楔形空间斜边界上施加虚拟均布荷载,模拟楔形空间斜边界对波场的影响,虚拟均布斜线荷载密度可由相应边界条件求得;最后叠加自由波场和均布斜线荷载产生的波场,求得总波场。验证了本文方法的正确性并进行了数值计算分析。研究表明,层状楔形空间与均匀楔形空间内的波场存在显著差异,土层的存在使得位移幅值随入射角度的变化更为复杂。该研究为后续楔形空间在P、SV和Rayleigh波入射下的波场求解打下了基础。     

SH波入射多个半圆形谷地浅埋圆孔的动力分析

应用辅助函数的思想，通过复变函数和多级坐标的方法给出了SH波入射条件下多个半圆形沉积谷地附近多个浅埋圆形孔洞动力分析问题的解答。求解过程中将整个求解区域划分成两部分来处理：区域Ⅰ为多个半圆形沉积谷地，区域Ⅱ为多个浅埋圆形孔洞附近带多个半圆形凹陷的半无限弹性空间。在区域Ⅰ和Ⅱ中分别构造位移解，并在二个区域的“公共边界”上实施位移、应力的连续条件，建立起求解该问题的无穷代数方程组。最后．给出了分析例题和数值结果．并对其进行了讨论。     

半圆形凸起地形对SH波的散射与地震动 --有多个浅埋圆孔情形

采用"契合"的思想,给出了地下多个孔洞与地面上的半圆形凸起地形对SH波散射问题的解答.将整个求解区域分割成两部分来处理,其一为包括半圆形凸起地形在内的一个圆形区域I,其余为区域Ⅱ.在区域Ⅰ中,构造了一个上半部边界应力为零,而其余部分位移、应力任意的驻波解;在区域Ⅱ中,构造了半圆形凹陷和浅埋圆孔的散射波,且要求它满足水平界面上应力为零的约束条件.然后再通过移动坐标,满足"公共边界"的"契合"条件和地下孔洞的边界条件,建立起求解该问题的无穷代数方程组.最后,给出了分析例题和数值结果,并对地表位移幅值进行了讨论.     

SV波斜入射陡坎地形对地面运动的影响

采用有限元数值模拟方法探讨了在SV波斜入射时,入射角度θ、入射方向和陡坎坡角α等参数变化对陡坎场地地表震动加速度峰值放大系数影响。结果表明:1)对x分量,从陡坎底部到陡坎顶部,放大系数逐渐增大,入射角度、坡角和入射方向没有影响;对z分量,放大系数分布规律相对复杂。2)入射角度θ一定时,无论地震波顺着陡坎方向(左)入射还是逆着陡坎方向(右)入射,陡坎上侧的放大系数大于陡坎下侧的放大系数。同时,放大系数随着坡角α的增大而增大。3)坡角α不变,地震波顺着陡坎方向(左)入射时,x分量的放大系数随着入射角的增大而减小,z分量的放大系数随着入射角的增大而增大。4)地震波逆着陡坎方向(右)入射时,x分量放大系数随入射角的变化与输入波有关,但最大值基本在陡坎上侧边缘。z分量放大系数随入射角的增大而增大,最大值的位置无一致规律。5)地震波顺着陡坎方向(左)入射时,x分量的放大系数比地震波逆着陡坎方向(右)入射时的小,z分量与之相反。     

SF6气体绝缘设备的放电特性研究

采用间接边界元法,给出了层状半空间中沉积谷地对斜入射平面SV波的三维散射解答,并通过与已有结果的比较,验证了本文解答的正确性。进行数值计算,研究了斜入射角度对散射效应的影响,并以基岩上单一土层为例,讨论了基岩刚度和覆盖土层厚度对沉积谷地附近地表位移的影响。研究表明,三维散射与二维散射之间存在本质差别,不能简单地将斜入射平面SV波分解到沉积谷地横截面的面内方向,然后按平面问题进行计算;基岩与土层刚度比对沉积附近地表位移幅值有着较大的影响,但对位移幅值的空间分布影响不大;土层厚度变化不仅影响地表位移幅值的大小,还会改变地表位移幅值的空间分布。     

地裂缝环境下不同隧道型式的地铁振动响应数值分析

以西安穿地裂缝带的地铁隧道工程为背景,利用ABAQUS软件建立了不同衬砌型式下的隧道–地裂缝–地层相互作用模型,对各有限元模型施加地铁移动荷载模拟体系的振动响应,分析了地裂缝邻近土体振动的基本特征,以及隧道断面尺寸和形状对振动响应的影响。计算表明:近振源处的土体以高频振动为主,远振源处的地表以低频振动为主;对于穿地裂缝带的分段式马蹄形隧道,隧道正上方地表地裂缝附近土体加速度响应强于远离地裂缝的土体,增大隧道断面尺寸,可以有效地减弱地表的振动;在本次模拟条件下,隧道断面形状对距隧道中心线12m范围内地表的振动有一定影响,对此范围之外的影响不显著;圆形断面下的位移响应与马蹄形和矩形的差异较大,马蹄形和矩形断面的位移响应差异不显著;地铁移动荷载下,地裂缝处上下盘土体间有一定的竖向位错量,其大小与距衬砌的距离有关。