地下圆形衬砌洞室对SV及Rayleigh波的动应力集中(II):数值结果

为了解决在入射平面SV波和Rayleigh波作用下地下圆形衬砌洞室的动应力集中问题,利用文献[5]的级数解,分析了衬砌刚度、入射波长、入射角度诸因素对动应力集中系数(DSCF)的影响。数值结果表明:(1)衬砌刚度对DSCF有重要影响,柔性衬砌情况DSCF最小,刚性衬砌情况的最大;环向与轴向DSCF最大可分别达到32.31与16.12;(2)入射频率和入射角度对DSCF也有很大影响。     

地下圆形衬砌洞室在平面P波和SV波入射下动应力集中问题的级数解

利用Fourier-Bessel级数展开法，研究了平面P波和SV波入射情况下，圆形衬砌洞室的动应力集中问题，并给出了其级数解．数值结果表明。衬砌刚度对动应力集中系数具有重要影响，刚性衬砌、无衬砌和柔性衬砌三种情况的动应力集中系数在空间上的分布相同，但刚性衬砌情况的动应力集中系数最大，无衬砌情况次之，柔性衬砌情况最小；随着入射频率的增大，动应力集中系数的空间变化由简单逐渐变得复杂，动应力集中系数在多数情况下逐渐减小；波入射角度对动应力集中系数也有很大影响．     

地下圆形衬砌洞室对SV及Rayleigh波的动应力集中(I):3-D级数解

为了研究地下圆形衬砌洞室在入射平面SV波和Rayleigh波作用下的动应力集中问题,利用波函数展开法,求解出三维条件下的级数解.当衬砌与半空间介质相同时,级数解将退化为无衬砌时的结果.级数解为进一步定量分析衬砌洞室对入射平面SV波和Rayleigh波的动力集中提供了理论基础.     

地下圆形衬砌洞室对SV及Rayleigh波的动应力集中(Ⅰ):3-D级数解

为了研究地下圆形衬砌洞室在入射平面SV波和Rayleigh波作用下的动应力集中问题,利用波函数展开法,求解出三维条件下的级数解。当衬砌与半空间介质相同时,级数解将退化为无衬砌时的结果。级数解为进一步定量分析衬砌洞室对入射平面SV波和Rayleigh波的动力集中提供了理论基础。     

平面SH波入射下深埋圆形组合衬砌洞室的动力反应分析

利用波函数展开法,研究平面SH波入射下,深埋圆形组合衬砌洞室的动力反应问题.利用得到的级数解和数学应用软件MathCAD编写计算机程序,讨论了入射波频率、组合衬砌结构的厚度比、弹性模量、泊松比、密度等因素对围岩和衬砌结构动应力集中系数的影响.结果表明组合衬砌确实能有效地发挥围岩的自承能力,降低衬砌结构的动应力集中,且在低频入射时效果显著.     

平面P波在饱和半空间中凹陷地形周围的散射规律

对平面P波在饱和半空间中凹陷地形周围的散射规律进行了研究,分析了入射波频率、边界渗透条件、孔隙率、泊松比等对散射的影响.研究表明,饱和情况(透水或不透水)与干土情况凹陷地形附近地表位移的差别很大,饱和情况与干土情况的地表位移出现相位漂移,饱和情况地表位移波长相对较大.当孔隙率较低时,边界渗透条件对地表位移幅值的影响很小,而当孔隙率较大时,边界渗透条件的影响则不可忽视:在不透水情况下,水平和竖向地表位移幅值的峰值均相对较大.随着入射频率的升高,孔隙率的影响逐渐增大,而且不透水情况下孔隙率的影响相对较大.随着泊松比的增大,水平位移幅值逐渐减小,竖向位移幅值则逐渐增大.泊松比较小时,边界渗透条件对位移幅值的影响较大;泊松比较大时,边界渗透条件对位移幅值的影响则较小.随着入射频率的升高,泊松比的影响逐渐增大.当孔隙率较小时,孔隙水压幅值较小但空间变化比较剧烈;随着孔隙率的增大,孔隙水压逐渐增大但空间变化逐渐平缓.当孔隙率达到临界状态时,孔隙水压显著增大;这与SV波入射情况完全不同.当入射频率较高时,孔隙水压幅值较大,且孔隙水压的空间变化比较复杂.     

地下衬砌洞室群在平面SV波入射下的动应力分析

采用波函数展开法给出了半空间中衬砌洞室群在平面SV波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,对无穷级数进行截断数值计算,衬砌分为刚性衬砌、无衬砌、柔性衬砌三种,计算结果表明:洞室问距对动应力集中系数具有重要影响,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;随着入射波频率的增大,动应力集中系数的空间分布逐渐趋于复杂化.     

地震动多角度斜入射下无压隧洞地震响应分析

为研究地震动多角度倾斜入射下无压水工隧洞动力响应特征和规律,采用黏弹性人工边界模拟无限地基的辐射阻尼和弹性恢复力,将地震动转化为人工边界节点上的节点力,以实现地震动的非一致性输入.通过ABAQUS建立水工隧洞模型,将不同入射角度P波、SV波输入模型中,分析隧洞衬砌结构的环向应力、径向应力随地震动入射角度、缩放系数、隧洞埋深、洞身直径以及衬砌厚度的变化.结果表明,同一地震动入射倾角下,随着入射方位角的增大,环向应力逐渐减小,径向应力逐渐增大.地震动峰值加速度（Peak Ground Acceleration,PGA）显著影响衬砌结构应力,并且应力数值随PGA的变化呈整数倍增大;随着隧洞埋深由浅埋向中埋、深埋发展,隧洞应力先逐渐增大后减小,后趋于稳定;随着洞身直径的增大,环向、径向应力分别受P波、SV波影响,洞身直径每增加2 m,环向、径向应力分别增大约16%、21%;衬砌厚度每增加0.1 m,径向应力降低10%左右,当地震波垂直隧洞轴线入射时,衬砌厚度超过1.0 m后,对应力的影响效果减弱.     

地震动入射角度对盆地地震响应的影响

为了研究不同入射角度地震动作用下盆地地表地震响应,基于ABAQUS软件显式有限元计算平台,针对某一45°坡角的盆地,以狄拉克脉冲作为输入SV波,探讨了地震波倾斜入射角度改变时盆地地表峰值位移(PGD)等的变化特征.结果表明:入射波作用角度由0°,5°,10°,15°,20°,25°,30°依次增加时,盆地地表PGD表现出先增大后减小的趋势;当入射角度为10°时,地表PGD达到最大值,为输入地震波位移幅值的7.69倍,说明若按垂直入射进行地震响应分析所得结果将偏于不安全;较垂直入射情形,地震波倾斜入射时盆地表现出更为显著的边缘效应,边缘PGD最大值约为盆地中心PGD的1.3倍;地震动响应聚焦区域会随入射角度的增大逐渐向盆地右侧偏移.     

圆弧形沉积谷地对Rayleigh波三维散射解析解

采用假定的大圆弧面来模拟半空间,利用波函数展开法和有限项Fourier级数展开技术,在频域内给出圆弧形沉积谷地对Rayleigh波三维散射的一个解析解．以此解答为基础,进一步分析入射波的频率和入射角度以及谷地深度对圆弧形沉积谷地场地反应的影响．数值结果表明,入射频率和入射角度以及沉积谷地深度对沉积谷地地表位移有重要影响．     

基于非局部Biot理论的平面波作用下饱和地基动力响应

为探究孔隙尺寸效应对饱和土地基动力响应的影响,基于非局部-Biot理论,构建了P波及SV波作用下饱和土地基表面动力响应的计算模型.采用波函数展开法,求解了地表位移及应力的解析解.分析了孔隙尺寸(以非局部参数描述)、入射波频率及入射角对地表位移及应力响应的影响.结果表明:低频下,非局部Biot理论计算结果与经典Biot理论计算结果基本一致;高频时,地表位移及应力随非局部参数变化较为明显,即高频率下,孔隙尺寸效应对地表响应影响不可忽略.入射波频率对地表响应的影响与孔隙尺寸有关,孔隙越大,频率影响越为显著.相同幅值的P波及SV波作用下,SV波引起的地表动力响应大于P波,且SV波在入射角为45°时发生全反射.研究成果可为半空间饱和土中波动问题的研究提供借鉴.     

岩溶隧道在SH波激励下动力响应位移解析解

基于工程波动理论,利用波函数展开法和Fourier-Bessel级数变换,推导了岩溶隧道在平面SH波激励下动力响应位移解析解的计算公式,并提出实用的简化解.通过数值模拟解验证了该动力响应位移解析解的合理性,两种解法在入射角度为0°和90°时溶洞与隧道的位移幅值峰值均相差10%左右.研究了溶洞半径、平面SH波入射角度以及溶洞与隧道间的中心距等3个影响因素对溶洞和隧道的动力响应作用,结果表明:溶洞和隧道位移幅值与溶洞半径成正比,与两者间的中心距成反比,与平面SH波入射角度成正比.     

突加集中荷载作用下饱和土-深埋圆形隧道衬砌系统的非轴对称动力响应

考虑饱和土与深埋圆形衬砌的相互作用, 研究了突加集中荷载作用下饱和土-衬砌系统的非轴对称动力响应. 基于Biot理论和弹性理论, 采用Laplace变换和Fourier级数, 考虑衬砌边界条件以及衬砌与饱和土交界面处的连续性条件, 在Laplace变换域内求得突加集中荷载作用下饱和土-弹性衬砌耦合系统的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式. 利用Laplace逆变换Crump数值反演方法得到饱和土-衬砌系统动力响应的数值解, 并分析了土体和衬砌系统的力学、几何等参数对系统动力响应的影响. 结果表明: 5倍隧道衬砌半径以外处土体的动力响应远小于隧道附近土体的动力响应; 衬砌刚度和厚度对土体位移和应力影响显著, 但对孔隙水压力影响较小; 孔隙水的可压缩性对土体位移的幅值影响不大, 但对应力幅值的影响较为显著.     

地震波入射角对地震动特性的影响研究

在场地地震反应研究中,通常假定来自基岩的地震波是垂直向上传播的。但是这一假定与实际情况不符,越来越多的证据表明地震波是以某一角度倾斜向上传播,而且地震波入射角是影响场地地震反应的一个重要因素。为了揭示地震波入射角与地震动特性之间的关系,本文以均匀场地为例,假定地面与基岩面为无限大水平面,根据地震波的传播原理,确定从入射波到达地面同一点处的各条地震波路径,计算每条路径上地震波的到达时间及其振动幅值,然后按照到达时间对这些振动幅值进行叠加运算,计算得到的地震动时程就是场地反应的理论解;结合文献实例分别计算得到倾斜入射P波与S波作用下的位移时程,通过对比分析,验证该理论解法的正确性;应用此方法研究了地震动的幅值大小、持续时间、运动轨迹与地震波入射角的关系。研究表明,随着入射角的增大,P波作用引起的水平位移与S波作用引起的垂直位移通常会增大,地震动轨迹构成的轮廓面积也会随之增大,而地震动的持续时间总体减小。     

地震P波作用下饱和土中考虑剪切与转动变形的衬砌结构动力响应分析

对隧洞周边土体采用饱和土Biot理论,隧洞衬砌采用考虑剪切和转动变形的曲线梁振动理论,分析地震P波作用下饱和土体中圆形隧洞衬砌的动力响应问题。对于饱和土体中的散射波场采用波函数展开法求解,对曲线梁的振动控制微分方程采用一般化的微分求积法(GDQM)求解。由饱和土体与衬砌接触处的位移协调条件,采用最小二乘法确定波函数未知系数项。计算结果表明:当入射波频率较低时,衬砌结构的入射面与背对面的动力响应几乎是对称的;随着入射频率的增加,衬砌结构的入射面与背对面不再具有对称性,且衬砌结构入射面的动力响应要大于背对面的动力响应。     

地震波斜入射下浅埋偏压隧道动力响应数值分析

基于粘弹性边界的时域波动理论,建立了二维平面SV波斜入射的输入方法.以成兰铁路某山岭隧道浅埋偏压段为研究对象,采用ANSYS研究了地震波入射角度对浅埋偏压隧道地震反应的影响.结果表明:地震波斜入射时,隧道结构的地震响应与垂直入射有明显差异,结构反应随着入射角度的增加而增大,斜入射对隧道竖向地震响应影响更为显著.入射角度对衬砌弯矩峰值包络图影响较大,对轴力峰值包络图影响很小.斜入射时,拱顶、仰拱和拱腰的弯矩增加较多,是隧道衬砌抗震的薄弱部位.     

圆形隧洞双层衬砌在P波作用下的动力反应

用弹性动力学波函数法，推导出由钢板衬砌，混凝土填充和围岩组成的地下圆形 隧洞在Ｐ波作用下的动应力和位移表达式；以及Ｐ波幅值表达式。通过白山电站 ２＃引水管道分别对围岩松动与不松动情况以及有、无钢板衬砌之两种情况进行电算。 计算结果表明，位于震中附近的隧洞衬砌，在７级地震作用下要考虑钢板衬砌的抗 震防护．     

轴对称爆炸载荷作用下深埋圆形隧洞的准饱和土动力响应

考虑准饱和土与隧洞弹性衬砌的非完整连接, 基于Biot模型和弹性理论, 研究了深埋圆形隧洞的准饱和弹性土在轴对称爆炸载荷作用下的动力响应. 通过引入势函数和Laplace变换, 得到准饱和弹性土-弹性衬砌耦合系统在Laplace变换空间中动力响应的解析解; 借助Laplace逆变换的数值Crump法, 得到了耦合系统的时程响应; 分析了不同隧洞模型下准饱和土的动力响应. 结果表明: 准饱和土-壳体衬砌系统模型的土体响应最小, 而无隧洞衬砌准饱和土模型的土体响应最大; 饱和度对土体位移和应力影响较小, 但对孔隙水压力有较为显著的影响; 且随着接触面刚度的增大, 准饱和土体的径向位移和环向应力幅值均增大.     

高铁双线隧道预制拼装衬砌设计选型

开展高速铁路350km/h双线隧道预制装配式衬砌选型研究,采用有限元计算软件,基于“荷载-结构”模型分析了不同围岩压力条件下整体衬砌内力特征,在此基础上,考虑尽量减少改变原衬砌受力型式,在整体衬砌对应的弯矩小位置处将衬砌结构分为8个部分,分析了III、IV、V级围岩荷载下围岩压力与接头刚度条件下分块拼装结构的受力与变形特征,相对于整体衬砌结构,预制装配式衬砌结构在最大轴力分别增加0.3%、0.3%、0.4%;最大弯矩分别分别增加17.4%、11.7%、1.3%;最大横向位移分别增加175.0%、150.7%、108.6%;最大垂向位移分别增加6.1%、5.3%、2%;装配式衬砌安全系数较整体衬砌安全系数整体略有增加,均满足规范要求,接头刚度对衬砌安选系数影响不大。     

基于电流变液材料的二维可调控声子晶体弹性波斜入射的能带结构研究

采用平面波展开方法,计算了弹性波斜入射下正方排列的环氧树脂圆柱在电流变液基底材料中组成的二维声子晶体的能带结构.分别研究了不同的弹性波斜入射沿轴向波矢和电场强度对能带结构的影响,结果发现调节晶格常数a和沿轴向波矢kz,使得a≥λz,随着斜入射角度增大,第一相对完全禁带变化不大,从而解决弹性波斜入射角度的增加致使整个带结构向高频运动导致目标禁带消失的问题.