盾構(gòu)隧道橫向上的地震特性和抗震設(shè)計(jì)方法的研究(一)

1、盾構(gòu)隧道橫向上的地震特性和抗震設(shè)計(jì)方法的研究一 摘要：為了研究盾構(gòu)隧道橫向上的地震特性和抗震設(shè)計(jì)方法， 進(jìn)行了一系列振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)， 并對(duì)試驗(yàn)應(yīng)用了二維有限元?jiǎng)恿Ψ治?。提出兩種基于土體-隧道復(fù)合有限元模型和梁 -彈簧有限元模型的靜力分析方法， 這種方法通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)得到驗(yàn)證。 這項(xiàng)研究涉及隧道和土 體動(dòng)力反響性質(zhì)，隧道和土體的相互作用及對(duì)不同的抗震設(shè)計(jì)方法的評(píng)價(jià)。研究結(jié)果說(shuō)明： 隧道位移及橫向動(dòng)力特性由周邊土體決定； 作者提出的靜力分析方法可以直接用做隧道橫向 上的抗震設(shè)計(jì)中。關(guān)鍵詞：地震特性；抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；盾構(gòu)隧道，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；地震變形方法1. 介紹 在日本、中國(guó)和許多其它國(guó)家的城市地區(qū)

2、，生命線建筑中廣泛采用盾構(gòu)隧道。然而，一些地 區(qū)處于地震高發(fā)區(qū)，過(guò)去曾經(jīng)發(fā)生屢次地震活動(dòng)。從 1985 年墨西哥地震和 1995 年八戶南 部地震， 盾構(gòu)隧道的地震破壞就有報(bào)道。 如今， 抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)成為盾構(gòu)隧道建設(shè)中一項(xiàng)重要 的主題。在盾構(gòu)隧道抗震設(shè)計(jì)中- 這種設(shè)計(jì)分析的重點(diǎn)放在隧道的縱向和周邊土體上JSCE1996-，人們都常認(rèn)為，這種設(shè)計(jì)觀點(diǎn)適用于中小型外直徑的盾構(gòu)隧道。近年來(lái)， 具有復(fù)雜的橫截面和大尺寸橫截面的盾構(gòu)隧道數(shù)量增長(zhǎng)很快， 要求在橫截面部位進(jìn)行抗震設(shè) 計(jì)的情況越來(lái)越多。 然而， 盾構(gòu)隧道和周邊土體之間的動(dòng)力相互作用相當(dāng)復(fù)雜， 適用的盾構(gòu) 隧道橫向上抗震設(shè)計(jì)方法還未形成。 在過(guò)

3、去十年間， 許多工程師和研究人員一直致力于適用 的盾構(gòu)隧道橫向抗震設(shè)計(jì)方法的開(kāi)展研究。通常， 當(dāng)研究盾構(gòu)隧道橫向上動(dòng)力特性時(shí)，可以采用土體 -隧道復(fù)合模型的二維或三維動(dòng)力分析。但是，在動(dòng)力分析時(shí)，輸入和輸出的數(shù)據(jù) 龐大， 并且分析結(jié)果也很復(fù)雜， 很難理解，還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用的適用的抗震設(shè)計(jì)方法。地 震變形方法是一種靜力分析方法。 在此方法中， 自由土體反響位移被看作是施加在隧道結(jié)構(gòu) 上的地震荷載。PWRI 1997和JSCE 1996建議，把此方法當(dāng)作一種盾構(gòu)隧道縱向抗震 設(shè)計(jì)的適用方法。 據(jù)建議， 基于地震變形方法的這種概念， 其理論解可大致評(píng)估價(jià)在土體運(yùn) 動(dòng)下，盾構(gòu)隧道縱向上的最大截面應(yīng)力

4、SHIBA1991、PWRI1992。然而，這種盾構(gòu)隧道橫向上動(dòng)力特性還未弄清； 而且， 這種建議的理論解也不能直接用在處于非規(guī)那么土體中的盾構(gòu) 隧道上。 為了充分研究這種地震行為 其中包括盾構(gòu)隧道和周邊土體相互作用， 改良的合理 適用的盾構(gòu)隧道橫向上的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。另外，在本項(xiàng)研究中， 對(duì)這些試驗(yàn)應(yīng)用了靜力、動(dòng)力分析，對(duì)不同的抗震方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。2. 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)2.1 隧道土體測(cè)試原型和模型測(cè)試原型是外直徑為 10 米的雙線地下盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道為預(yù)應(yīng)力砼扁平箱型截面，1 米寬， 0.4米厚。假設(shè)盾構(gòu)隧道位于一個(gè)沖擊層上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)中貫入度小于3。假設(shè)沖擊層和盾構(gòu)隧

5、道埋深分別為 30 米和 14 米，土體根底處在一個(gè)非常堅(jiān)硬的洪積層上 標(biāo)準(zhǔn)貫入 試驗(yàn)中貫入度大于 50，在抗震設(shè)計(jì)中，可以把它看作為剛性體。在振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中， 依據(jù)相似原理選擇土體和隧道材料。 引用物理量的比例系數(shù)時(shí)， 是依 照如下假設(shè)：土體慣性力和彈性力是相互獨(dú)立的物理量。沖擊層和盾構(gòu)隧道分別用硅膠和聚乙烯模擬。 為了方便制造隧道模型， 忽略了截面橫向和圓 周向的連接點(diǎn)。 而且，隧道模型分成 7個(gè)相互獨(dú)立的圓環(huán)， 之間間隔用軟的合成橡膠環(huán)填充。 這樣， 縱向的地面邊界對(duì)模型中央截面的影響可盡量減少。 土體模型寬 900 毫米， 側(cè)面上看 作是自由邊界。 根據(jù)前面根本的動(dòng)力分析， 在土體模

6、型寬度大于 900 毫米情況下， 土體模型 中央處的振動(dòng)特性與側(cè)面半無(wú)限體邊界時(shí)相比， 變化很小， 甚至是土體模型邊界看作是自由 邊界時(shí)也是如此。2.2 試驗(yàn)概要所有的度量傳感器均安置在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹醒虢孛妗?記錄絕對(duì)加速度時(shí)程的加速度計(jì)分別放在 振動(dòng)臺(tái)上； 并且， 分別量測(cè)每個(gè)截面上的彎曲應(yīng)變和軸向應(yīng)變。 記錄水平位移時(shí)程的激光位 移計(jì)放在土體一側(cè)。分別進(jìn)行了單一土體模型和土體 -隧道復(fù)合模型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞抗潭ㄔ谡駝?dòng) 臺(tái)上，在振動(dòng)臺(tái)上輸入單向水平激振波。試驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行：首先，用正弦波激振模型，加速度設(shè)為 80gal，頻率從2HZ變到50HZ,然后，來(lái)自 Tokachi-Oki

7、地震、Ei-Centro地震及Hyogo-Ken 地震的地震記錄分別用做激振波，它們的時(shí)間基數(shù)縮短至實(shí)際時(shí)間的十分之一， 最大加速度設(shè)為300gal。所有的試驗(yàn)均在彈性范圍內(nèi)進(jìn)行，隧道和土體之間沒(méi)有出現(xiàn)滑動(dòng)位移。3. 數(shù)值分析方法3.1 動(dòng)力有限元分析為了解釋試驗(yàn)現(xiàn)象， 證明動(dòng)力分析在抗震設(shè)計(jì)中的適用性， 在振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中采用了二維 動(dòng)力有限元分析 單一土體和土體 -隧道復(fù)合模型 ?？梢园言囼?yàn)?zāi)Ｐ偷闹醒肴孛婵醋髌矫?應(yīng)變狀態(tài)， 并作為分析的目標(biāo)截面。土體和隧道分別用等參固體單元和梁柱單元來(lái)模擬。 假設(shè)隧道和土體之間未發(fā)生滑動(dòng)位移。為了模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪吔鐥l件， 根底可看作剛體， 土體側(cè)面看作

8、是自由邊界。分析中應(yīng)用了時(shí)程綜合反響方法 TSCE1989。在數(shù)值模型中。土體 的阻尼衰減常數(shù)通過(guò)試驗(yàn)中測(cè)得的土體加速度諧振曲線來(lái)計(jì)算。由于隧道重量比挖去了的土體重量小得多，隧道的阻尼在分析中忽略不計(jì)。從土體底面輸入試驗(yàn)中從振動(dòng)臺(tái)上量測(cè)得到的加速度時(shí)程。3.2 基于地震變形方法的靜力分析3.2.1 應(yīng)用土體 -隧道復(fù)合有限元模型的靜力分析基于地震變形方法的概念，采用了土體-隧道復(fù)合有限元模型的二維靜力分析法。在這個(gè)分析中，土體和隧道的模型制作與動(dòng)力分析中的是一樣的，不過(guò)只需要全測(cè)試斷面的一局部； 而且水平滾動(dòng)支撐安在土體側(cè)面邊界上。 所應(yīng)用的單一土體相對(duì)位移作為地震荷載 這個(gè)相 對(duì)位移可以應(yīng)用

9、上述單一土體二維動(dòng)力分析和土體側(cè)面被看作是半無(wú)限體邊界的一維近似 動(dòng)力分析法輕易計(jì)算出來(lái) ，通過(guò)土體邊界側(cè)面結(jié)點(diǎn)按照靜力輸入。 因?yàn)閺脑O(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看， 隧道最大的截面應(yīng)力是很明顯的， 故分析中只設(shè)置了當(dāng)隧道頂部和底部最大位移差出現(xiàn)時(shí)的 時(shí)間。3.2.2 應(yīng)用彈性梁有限元模型的靜力分析用梁?jiǎn)卧烙?jì)隧道，用土體線彈性單元和正切的土體彈性單元估計(jì)土體-隧道。分析中采用了因單一土體相對(duì)位移和剪切應(yīng)變引起的地震力， 上述相對(duì)位移和剪切應(yīng)變可用單一土體時(shí) 一維或二維動(dòng)力分析來(lái)計(jì)算。 單一土體的位移通過(guò)土體彈簧靜態(tài)輸入。 同時(shí)， 土體剪應(yīng)變直 接通過(guò)梁結(jié)點(diǎn)靜態(tài)輸入。正如上述靜力的土體 -隧道復(fù)合有限元分析那樣，在分析只設(shè)置當(dāng) 隧道頂部和底部最大位移差出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間。4. 隧道和土體在地震動(dòng)下的動(dòng)力特性基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)的動(dòng)力分析，所得到的隧道和土體在地震動(dòng)下的動(dòng)力特性如下： 土體加速度共振曲線和土體相對(duì)位移諧振曲線。 在正弦波激振下的土體加速度和相對(duì)位移的 振動(dòng)。從這些數(shù)字中可以得出： 土體加速度共振曲線和土體相對(duì)位移諧振曲線和振動(dòng)模型變 化很少或根本不變， 即使是土體中修建了一個(gè)盾構(gòu)隧道。 而且， 隧道變形和軸向應(yīng)變的諧振 曲線中可以看出， 隧道的諧振頻率與土體的加速度和相對(duì)位移諧振曲線相同?？梢源_認(rèn)， 在地震動(dòng)下并不發(fā)生盾構(gòu)隧道的自振， 盾構(gòu)隧道在