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地铁隧道群对地震动的影响

李帆  
【摘要】:近些年来,随着许多城市对地下空间的大规模开发利用,地铁已成为城市交通的主要工具。研究地铁隧道群对地震动的影响具有重要的工程意义和理论价值。 地铁隧道对沿线地震动影响问题的本质上是地下隧道对地震波的散射问题。本文利用非线性有限元分析程序FLUSH,研究了线性均匀场地、线性层状场地、非线性均匀场地和非线性层状场地四种场地中地铁隧道群对地震动的放大作用问题,给出了时域中地表地震动反应。 对于线性均匀场地,首先求解了自由场的地震反应,进而研究了双隧道对地震动放大作用的影响规律,对比分析了有无隧道时场地对地震动放大作用的不同。然后对线性层状场地,研究了自由场和含双隧道层状场地的地震反应,分析了均匀场地和层状场地中地铁隧道对地震波散射问题的差异,论证了利用层状模型研究的必要性和合理性。研究表明:含隧道场地比自由场对地震动的放大作用更为显著,土层本身对地震动就有明显的放大效应,而含隧道场地的地震反应则是由场地自由场响应与因隧洞存在而引起的散效应的叠加,所以地震反应一方面受土层自振特性的影响,另一方面受隧洞对波的散射特性的影响。 入射地震波峰值较大情况下,土体本构关系将不再呈线性,而是呈现出很强非线性。本文在线性反应分析基础上,进一步利用等效线性方法研究了含地铁隧道群场地的非线性地震反应。研究表明:含地铁隧道群的非线性场地对地震动的放大效应明显大于自由场的非线性地震反应。土的非线性体现在其刚度与剪切模量的减小和阻尼的增大,相应的剪切波速和土层的基振频率减小。与线性场地反应相比,非线性反应中,加速度反应谱峰值对应的卓越周期较大。当输入地震动加速度幅值增大时,地表点水平加速度反应谱峰值对应的周期偏长,说明土体非线性特征增强。再考虑场地的层状特征,求解了非线性层状场地中地铁隧道对地震动的放大作用问题。土体的层状特性和非线性特性对场地地震反应均有影响。 针对不同场地情况,本文还考察了隧道间距和衬砌特性对场地反应的重要影响。研究表明:隧道间距是影响地震动放大特征的重要因素,由隧洞散射作用引起的地面竖向运动受隧道间距变化影响显著;衬砌隧道和无衬砌隧道对入射地震波的散射特征也有显著不同。


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