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考虑流固动力耦合的饱和土体内隧道结构地震反应分析

周国栋  
【摘要】:近年来国内外大力发展地下交通新途径的趋势日益增高,修建大型跨海跨江隧道已经是未来国内外交通建设的主要规划目标。然而,国内很多地区处在地震烈度较高且震害机率较大的地震带上,且近几年频发的高强度地震灾害表明,地下结构的抗震设计和施工是土木工作者亟待解决的问题,因此,考虑流固动力耦合情况下隧道结构的地震响应研究变得尤为重要。本文基于Biot多孔介质动力理论,借助在解决多场耦合作用问题上有巨大优势的Comsol Multiphysics有限元软件,对不同情况下的饱和土体内隧道结构的地震响应情况进行研究模拟分析。具体研究工作包括:1.利用Comsol Multiphysics在求解多场耦合问题上的优势,通过对Comsol提供的PDE模块进行二次开发,实现了Biot饱和多孔介质u-w流固耦合形式下波动方程的求解。2.建立基于Comsol软件的饱和多孔介质粘弹性人工边界条件的施加方法以及相应波动输入方式,实现了采用Comsol有限元软件对饱和土场地的地震反应分析。通过与典型内源、外源问题解析解对比,验证了该方法的可行性和正确性。3.建立饱和土体一隧道结构的Comsol有限元分析模型,分别模拟分析了在P波以及SV波作用下,不同隧道埋深和不同土体性质条件下结构在位移、应力以及孔隙水压力几个方面的地震动力响应情况,主要得出以下结论:(1)在两种不同地震波(P波和SV波)作用下,结构整体的位移时程变化趋势与输入地震波的位移时程变化趋势相近,且当隧道的相对埋深和土体的弹性模量增大时,隧道结构的整体位移响应有减弱的趋势。(2)随着隧道埋深的增加,结构在两种不同地震动力作用时,各关键节点的应力及结构外侧的孔隙水压会出现先增加后减小的往复波动情况。因此,仅通过改变埋深来提高结构整体的抗震性能是不全面的,应综合考虑地质条件、施工技术等多种实际工程情况来确定结构的最佳埋深。(3)地震作用下,结构和土体的相对刚度(柔度比)对隧道抗震性能的影响十分显著,当柔度比增加时,结构各处的应力及外侧孔隙水压会随之减小,且应力最大减幅达到47.7%。隧道结构对于周围土体的柔性越大,即柔度比越大,结构的抗震性越优。而仅增加结构的强度,会使其柔度比降低,并不利于提高结构的抗震性能。


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