浅埋地铁隧道的震动响应研究

论文摘要

地震条件下地铁隧道与周围土体的动力相互作用机理复杂,其对地铁隧道的动力响应具有重要影响,具有重要的理论和工程意义。本文采用物理模拟和和数值模拟相结合的方法,对地铁隧道的动力响应规律进行了初步研究。主要研究工作包括如下几个方面:（一）采用清华大学土工离心机及振动台,进行了不同方案的地铁隧道动力离心模型试验。基于试验结果,对地震作用下地铁隧道响应得到了一些规律性认识:（1）地震引起的弯矩关于隧道截面的竖向对称轴呈反对称分布,最大值出现在截面两侧与竖向对称轴成45°方向的区域内,即截面的“X”向区域内。而隧道的顶、底和左右两腰的“十”字形区域弯矩则较小;（2）在本文试验条件下减小隧道埋深,地震引起的衬砌附加弯矩总体呈减小趋势;（3）分层地基中隧道衬砌弯矩的最大值均出现在软弱土层中;（4）当有邻近隧道（双隧道）存在时,地震引起的附加弯矩比单行隧道时略小。（二）基于等价粘弹性模型,对自由场地及地基-隧道系统的地震反应进行了非线性数值计算,并将计算结果与模型试验结果进行了对比分析。结果表明该数值计算方法在再现自由场地及地基-隧道系统的地震响应规律方面是有效可行的。这为研究地铁地下结构地震响应问题提供了一种有效的手段。（三）针对北京地铁五号线某暗挖隧道,建立了概化的地基-隧道系统动力分析模型。运用已验证的非线性动力反应分析方法对地铁隧道地震响应进行了研究,并探讨了埋深、土性等因素对隧道地震响应的影响规律,结果表明:（1）马蹄形地铁隧道在地震作用下,其附加弯矩的极大值均出现在拱顶两侧与中轴线成45度角处以及两侧墙与底板连接的角点;（2）在本文计算范围内,增大埋深,衬砌结构所受的地震荷载增大;（3）地震中下伏地层土质条件较好时对于隧道的抗震是有利的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 地铁发展概况
• 1.1.2 地震对地铁地下结构的威胁
• 1.2 本文研究方法及结构安排
• 第2章 地铁地下结构抗震研究综述
• 2.1 地铁地下结构抗震研究发展概况
• 2.2 现有研究手段
• 2.2.1 原型观测
• 2.2.2 模型试验
• 2.2.3 数理分析
• 2.3 地铁地下结构的地震反应
• 2.3.1 地下结构震害原因
• 2.3.2 地震波的类型及地铁结构地震变形
• 2.3.3 地下结构地震反应特点
• 2.4 地铁地下结构抗震研究进展
• 2.4.1 现有地下结构抗震分析方法
• 2.4.2 我国地铁抗震设计方法和现状
• 2.5 小结
• 第3章 动力离心模型试验及结果分析
• 3.1 前言
• 3.2 试验设备及测量仪器
• 3.2.1 土工离心机
• 3.2.2 离心机振动台
• 3.2.3 叠环式模型箱
• 3.2.4 数据量测及采集设备
• 3.3 动力离心模型试验相似关系设计
• 3.3.1 相似原理
• 3.3.2 模型设计
• 3.4 试验内容
• 3.4.1 试验土样
• 3.4.2 试验方案
• 3.4.3 试验步骤
• 3.5 自由场地试验
• 3.5.1 模型简介与传感器布置
• 3.5.2 输入地震动时程
• 3.5.3 加速度反应结果
• 3.5.4 位移反应结果
• 3.6 隧道试验基本方案
• 3.6.1 模型简介与传感器布置
• 3.6.2 加速度反应结果
• 3.6.3 位移反应结果
• 3.6.4 结构内力反应结果
• 3.7 改变埋深隧道试验
• 3.7.1 模型简介与传感器布置
• 3.7.2 结构内力反应结果
• 3.8 分层地基隧道试验
• 3.8.1 模型简介与传感器布置
• 3.8.2 加速度反应结果
• 3.8.3 位移反应结果
• 3.8.4 结构内力反应结果
• 3.9 并行隧道试验
• 3.9.1 模型简介与传感器布置
• 3.9.2 加速度反应结果
• 3.9.3 位移反应结果
• 3.9.4 结构内力反应结果
• 3.10 小结
• 第4章 地铁隧道地震响应离心模型试验的数值模拟
• 4.1 数值模拟方法
• 4.1.1 土体静力计算模型
• 4.1.2 动力反应分析方法
• 4.2 数值模拟条件及结果分析
• 4.2.1 地震波输入
• 4.2.2 材料参数
• 4.2.3 自由场地模拟
• 4.2.4 隧道动力反应模拟
• 4.3 小结
• 第5章 典型地铁隧道的震动响应分析
• 5.1 工程背景
• 5.2 计算模型与方法
• 5.3 计算方案
• 5.4 计算结果与分析
• 5.4.1 加速度反应
• 5.4.2 结构内力反应
• 5.5 小结
• 第6章 结 论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果