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。     

含衬砌孔洞的凸起的垂直入射SH波的动力分析

采用复变函数法，求解半无限空间中含圆形衬砌孔洞的半圆形凸起对稳态SH波的散射问题，给出在一定边界条件下的SH波散射的动力分析的解析方法．利用介质与衬砌结构在交界处应力、位移的连续性，构造一个可以自动满足凸起边界上应力边界条件的圆域对SH波散射的波函数．再利用波函数将圆域与半圆形凹陷半空间的“公共边界”进行“契合”，并对该问题进行求解．给出了当稳态SH波垂直入射时2种无量纲参数下的算例分析，讨论了波数与衬砌厚度变化对动应力集中的影响．介质和衬砌内动应力集中系数随孔径、衬砌厚度、波数变化而变化，且与衬砌性质有关．     

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.     

地下圆形衬砌洞室对SH波的散射(Ⅱ):数值结果

针对地下圆形衬砌洞室对入射平面SH波的散射问题.采用波函数展开法求解出其三维级数解,利用其级数解,定量分析了入射波长、入射角度、洞室直径、衬砌刚度等因素对洞室附近地震动的影响.结果表明:入射波的频率η对位移幅值有重要的影响,当入射频率较高时,水平和轴向地表位移幅值可以分别达到无洞室情况的7.8和1.6倍以上;入射角度和衬砌刚度对地表位移幅值也有较大影响,随着波入射角度δ2的增加,位移幅值逐渐减小,衬砌情况下半空间表面x与z方向位移幅值与无衬砌情况相比分别高出了62.38%和58.42%.     

半无限土体圆形隧道结构中地震波的传播

基于弹性波的散射理论,研究了半无限土体内圆形隧道中土体对SH波的多重散射和动应力集中,采用波函数展开法和镜像法,将待解问题归结为一组无穷代数方程组的求解,得到了问题的解析解.作为算例,给出了衬砌附近动应力集中因子的数值解,分析了围岩的剪切模量、入射波波数、半无限土体边界到衬砌的距离等参数对动应力集中因子的影响.数值计算分析表明:围岩的剪切模量、入射波波数等是影响动应力集中因子的重要因素.本文的研究方法和数值结果有望为衬砌的地震评价提供理论依据.     

半无限土体圆形隧道结构中地震波的传播

基于弹性波的散射理论,研究了半无限土体内圆形隧道中土体对SH波的多重散射和动应力集中,采用波函数展开法和镜像法,将待解问题归结为一组无穷代数方程组的求解,得到了问题的解析解.作为算例,给出了衬砌附近动应力集中因子的数值解,分析了围岩的剪切模量、入射波波数、半无限土体边界到衬砌的距离等参数对动应力集中因子的影响.数值计算分析表明:围岩的剪切模量、入射波波数等是影响动应力集中因子的重要因素.本文的研究方法和数值结果有望为衬砌的地震评价提供理论依据.     

SH波作用下浅埋隧洞的动应力集中特性

针对平面SH波作用下浅埋隧洞的动力响应问题,采用复变函数和多极坐标方法,研究了入射波频率、入射角度以及隧洞埋深对隧洞动应力的影响规律.研究结果表明:低频波入射时隧洞埋深对动应力集中系数分布影响不大,但高频波入射时影响较为明显;随着入射波与水平面角度逐渐增大,隧洞动应力集中系数(dynamics stress concentration factor,DSCF)分布越来越复杂,最大值从低频段逐渐转移到高频段;当入射角θ0>0时,最大DSCF略大于3,远大于深埋隧道的2.3;当θ0=0、波数小于0.5且隧洞埋深h>4a(a为半径)时,最大DSCF的谱分布较均匀,此时从最大DSCF的角度可将隧洞近似当成深埋隧洞来分析入射波对隧洞的动力作用.     

复杂不均匀地层中地下结构波动响应频域分析

研究了不均匀岩土介质中隧洞衬砌的波动响应.比例边界有限元法被用来求解这一类问题.这种方法的优点是只需在边界上用有限元进行离散;无限介质的辐射条件自动得到满足;对一般不均匀介质的分析可不增加额外的工作量.方法的有效性得到二维无限空间中圆形孔洞在水平向SV波入射作用下波动响应的验证.计算了马蹄形隧洞衬砌周边的应力分布.不均匀的围岩介质包含几种情况:一是含两种不同特性介质的不连续界面;另一是围岩中含软弱夹层.数值结果表明:在两种不同特性介质的不连续界面附近,以及在软弱夹层附近都会出现应力集中现象.两种介质特性差别愈大,应力集中程度愈高.此外入射波的频率愈高,应力集中现象也愈明显.这些结论对于地下结构的抗震设计将具有重要参考价值.     

平面SH波在浅埋椭圆柱形孔洞上的散射与动应力集中

研究了平面SH波在弹性半空间中浅埋椭圆柱形孔洞上的散射．采用复变函数和多极坐标方法构造了一个能够自动满足水平表面上应力自由边界条件的散射波函数．应用这一波函数,将半空间中的问题转化为求解一个全空间中椭圆形孔洞的散射问题,最终将问题归结对一组无穷代数方程组的求解．作为对抗震问题的研究,给出了浅埋椭圆孔附近的动应力集中系数的数值结果,并对算例进行了讨论．研究表明浅埋孔洞与水平表面存在强烈的相互作用并产生动应力集中,在浅埋结构设计时应加以充分重视。     

地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性

基于混凝土材料的动力损伤特性,建立了其弹塑性损伤本构模型,将该模型应用于强震区某大断面隧道工程,分析了不同地震波入射方向、地震波强度和围岩条件下隧道结构的地震响应与动力损伤规律,探讨了大断面隧道结构的地震损伤特性和破坏机理。研究结果表明：地震波垂直、水平两种入射条件下两者衬砌的压主应力、加速度响应形态相似,但水平入射条件下衬砌结构的应力、加速度响应相较于垂直入射条件更加剧烈;水平入射时衬砌的动力损伤远大于垂直入射时的动力损伤,且动力损伤主要集中于拱腰与墙脚处;围岩条件对隧道衬砌结构的拉主应力响应以及动力损伤有显著影响,V级围岩条件下衬砌结构的最大拉应力是IV级围岩下的5.7倍;隧道结构的地震响应与动力损伤特性也受地震波强度的影响,随着地震波强度增大,应力、加速度响应峰值以及最大动力损伤量均呈现非线性增大趋势,动力损伤随之加剧且由拱腰和墙脚处逐渐向外扩展;在强震区软岩隧道抗震设计以及运营期间震后加固修复应着重注意动力损伤集中的部位。     

隧道中高速列车震动所产生的路基动应力集中

针对高速列车产生的震动,基于弹性波的散射理论,采用波函数展开法,研究了隧道中板型路基上的圆孔对SV波的散射和动应力集中,得到了问题的解析解,给出了路基中动应力集中因子的数值解,分析了路基的剪切模量的大小、波数等对动应力集中的影响.通过数值计算分析表明,板型路基的剪切模量的大小、波数等是影响动应力集中的重要因素,为隧道中板式路基的高速列车震动评价和地震评价提供了理论依据.     

柔性植物对海堤堤前波高的影响试验研究

经过调查研究后,采用人工柔性植物模拟海堤外滩地柔性植物,利用规则波进行物理模型试验,系统分析了波浪在有柔性植物滩地上的传播变形规律;以及不同波周期、植物宽度、植物高度、植物密度对海堤堤前波高的影响。试验表明:随着植物宽度和植物密度的增加,消减系数随着增加;反之减小。由于植物造波作用的影响,柔性植物对大周期来波的消减效果较好;植物高度与水深一致的时候的消减效果较好。