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软弱土层输水隧道地震响应及减震措施研究

刘金云  
【摘要】: 随着社会的发展和经济的突飞猛进,安全问题越来越成为人们关注的焦点。众所周知,水是人类生存、生活、发展的必需品,而我国的水资源分布极不均衡,南涝北旱的现状,已经严重影响了我国的经济发展和人民生活水平的提高。过度的地下水开采,使得很多中心城市地下水位下降、地面下沉,为此我国很多城市都已实施或正在实施区域性调水工程。有限水资源的利用和调配是制约我国经济高速持续发展战略的主要因素之一,为了彻底解决这一问题,举世瞩目的南水北调工程已经在实施中。而我国又是地震高发区,地质条件复杂,很多输水隧道不可避免要穿越河流、海湾,周围通常为砂砾层、粘土层、淤积层等构成的软土地层。如我国南水北调的中线经过西北黄土软弱地质,其穿黄隧洞穿过可液化黄河淤沙,基础为粉细砂,顶部则为黄河河床,受主河槽摆动及河床冲淤影响,使洞身的受力条件恶化,地震作用下可能发生不均匀沉降。所以,研究在地震作用下软弱土层大管径输水隧道考虑流-固耦合的动力响应特性及其震害影响因素是很有必要的。更何况,地下输水隧道与一般的地下结构又有所不同,它不仅存在土体和衬砌的相互作用,还存在衬砌与水体的相互作用,所以其振动特性比不考虑水体的地下结构或地面结构要复杂得多。也正因此,本文采用流-固耦合的分析方法,通过求解基于势流体的流-固耦合运动方程来进行输水隧道的地震动力响应研究。主要研究的内容如下: 首先,介绍了流体和固体的基本运动方程及流体的几种简化模型,这为本文的后续工作的展开打下坚实的基础。 其次,根据固体、流体的基本运动方程及土体、衬砌、流体所选取的计算模型,建立基于势流体的流-固耦合运动方程;并由所建立的基于势流体的流-固耦合运动方程对一穿越河底的输水隧道进行全面系统地地震响应规律研究。此研究不仅考虑水体的附加质量的影响,还考虑具有自由液面的小振幅晃动和表面波的影响。竖井作为输水隧道重要且必不可少的附属结构,这里对带有竖井的输水隧道整体地震响应规律进行了专门的研究。 接着,针对影响输水隧道震害的几个主要因素:结构埋深、围土性质、结构特性及地震动输入机制等,对衬砌、环缝接头、竖井等部位的地震响应进行全面系统地研究。特别是对地震动输入机制问题的研究,这里根据一致激励下的流-固耦合运动方程推导了多点激励下的流-固耦合运动方程;并结合一穿越河底的输水隧道进行地震响应规律分析。 随后,研究内水的简化模型在软弱土层输水隧道抗震设计中的应用;同时与基于势流体的流-固耦合模型进行比较分析。根据地质条件和震害特点,由柔度比概念,全面系统地探讨了不同围岩的输水隧道的不同部位的工程减震方案及综合振动控制措施。 最后,对软弱土层输水隧道动力模型试验的相似技术进行研究。在验证了模型试验材料与原型材料均相同和均不同的模型试验相似准则的基础上;根据动力模型试验的截面刚度相似,提出了动力模型试验的惯性半径相似技术。


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