爆炸荷载作用下饱和土及准饱和土中隧道的瞬态动力响应研究

论文摘要

随着我国经济的高速增长和城市化进程的加速,为了缓解地面交通的压力,各大城市都开始积极的新建地铁。地铁隧道在给人们带来巨大交通便利的同时,也存在一定的负面效应,其密闭的环境常会成为恐怖爆炸袭击和意外爆炸事故的频发场所。地下交通系统空间小、通风条件差,一旦受到爆炸荷载的冲击,往往造成惨重的人员伤亡和重大经济损失。由于地铁一般修建在沿海经济发达地区的城市中,沿海城市地铁隧道多埋置在饱和土和准饱和体中,因此研究土体中爆炸波的传播规律以及爆炸荷载作用下饱和土和准饱和土体中埋置的地下隧道的灾变机理具有非常重要的意义,以便采取必要的防护措施降低爆炸荷载对地下结构的破坏作用。本文采用解析法研究了爆炸荷载作用下土体中埋置隧道的瞬态动力响应,研究内容主要包括以下几个方面：本文首先研究了饱和土体中埋置的隧道在爆炸荷载下的瞬态动力响应,建立了计算隧道动力响应的模型,假设圆形隧道中心处发生爆炸,采用Biot波动方程模拟饱和土体,爆炸荷载采用峰值递减的三段突加三角形荷载形式,并引入基于Flugge壳体理论的衬砌运动方程,采用Laplace积分变换,在变换域中得到了饱和土体中隧道的动力响应解答。利用Laplace数值逆变换得到时域中的结果,通过算例给出了爆炸荷载作用下隧道的位移、环向应力和孔压的响应,并分析了饱和土体参数、衬砌的相对刚度和相对厚度对响应的影响。接着,本文研究了粘弹性土体中埋置的隧道在爆炸荷载下的瞬态动力响应。采用Biot波动方程模拟饱和土体,将土骨架视为Kelvin-Voigt体,并考虑了衬砌的运动方程,利用Laplace积分变换与数值逆变换,得到了隧道响应在时域中的结果,通过算例给出了反映饱和土体渗透性的参数b*对响应的影响,并与单相介质进行了对比,分析了粘滞阻尼系数对土体响应的影响,最后给出了两种粘弹性饱和土中响应的时程曲线,对比分析了不同模型参数和排水条件的影响。最后,研究了准饱和土体中埋置的半封闭隧道在爆炸荷载下的瞬态动力响应问题。文中对比了混合物理论和Biot理论的异同,推导了基于VB理论的准饱和土控制方程。计算模型中,考虑了衬砌的运动方程,引入衬砌的无量纲渗透参数来描述半封闭隧道,采用Laplace积分变换,在变换域中得到了准饱和土体中隧道的动力响应的解答。利用Laplace数值逆变换得到时域中的结果,进而通过算例给出了不同饱和度情况下准饱和土中隧道的位移、环向应力和孔压随无量纲时间和径向距离的变化曲线,并讨论了在不同衬砌的相对渗透性参数情况下准饱和土中响应时程曲线和影响范围曲线的变化规律。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 爆炸波在自由空气场及密闭容器中的传播
• 1.2.2 爆炸产生的应力波在土介质中的传播
• 1.2.3 土体中地下结构在爆炸波作用下的动力响应
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 爆炸荷载作用下饱和土中隧道的瞬态动力响应
• 2.1 引言
• 2.2 计算模型
• 2.3 基本控制方程与求解
• 2.4 衬砌的运动方程
• 2.5 模型边界条件及求解
• 2.5.1 边界条件
• 2.5.2 问题的求解
• 2.6 数值算例及讨论
• 2.6.1 对比验证
• 2.6.2 边界条件的影响
• 2.6.3 饱和土参数的影响分析
• 2.6.4 衬砌相对刚度与相对厚度的影响
• 2.7 结论
• 第3章 爆炸荷载作用下粘弹性土体中隧道的瞬态动力响应
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型
• 3.3 基本控制方程与求解
• 3.4 衬砌的运动方程
• 3.5 荷载和边界条件
• 3.5.1 荷载简化形式
• 3.5.2 边界条件
• 3.5.3 根据边界条件求解
• 3.6 数值算例及讨论
• *的影响算例分析'>3.6.1 饱和土参数b^*的影响算例分析
• 3.6.2 粘滞阻尼系数的影响分析
• 3.6.3 不同粘弹性介质算例分析
• 3.7 结论
• 第4章 爆炸荷载作用下准饱和土中半封闭隧道的瞬态动力响应
• 4.1 引言
• 4.2 混合物理论与Biot理论比较
• 4.3 准饱和土本构模型的建立
• 4.4 计算模型
• 4.5 准饱和土动力控制方程求解
• 4.6 衬砌的运动方程及半封闭特性
• 4.6.1 衬砌的运动方程
• 4.6.2 衬砌的半封闭特性
• 4.7 边界条件及求解
• 4.7.1 边界条件
• 4.7.2 半封闭隧道的求解
• 4.8 数值算例分析
• 4.8.1 准饱和土中饱和度的影响
• 4.8.2 相对渗透性参数的影响
• 4.9 结论
• 第5章 结论和建议
• 5.1 本文工作总结
• 5.1.1 爆炸荷载作用下饱和土中隧道的瞬态动力响应
• 5.1.2 爆炸荷载作用下粘弹性介质中隧道的瞬态动力响应
• 5.1.3 爆炸荷载作用下准饱和土中隧道的瞬态动力响应
• 5.2 进一步工作的建议
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果