（岩土工程专业论文）爆炸荷载作用下饱和土及准饱和土中隧道的瞬态动力响应研究.pdf

一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：7 豸名忒孑及签字日期： 矽少年月日 学位论文版权使用授权书 h 7 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印伟和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 文作一：防威歌 签字日期：别口年6 月日 工作姚绎i 闰弛面，叫， 通讯地址： 导师签名： 签字日期：刎。年6 月2 日 ， 蛹：l 弓l t 弓幻以 邮编 致谢 本文是在导师蔡袁强教授的悉心指导和关怀下完成的，从论文的选题到最后 定稿，字里行间无不凝聚着导师的诸多心血。三年来，导师开朗豁达的处世态度、 严谨踏实的治学作风、求是创新的工作精神、开阔敏锐的思维观察力以及渊博的 学识、丰富的实践经验都使我受益匪浅。导师的严格要求、谆谆教导以及在学 - 7 生活中给予的关怀和帮助，导师严于律己、宽厚待人的高尚品质学生终生难忘。 在此表示最真挚的感谢和最崇高的敬意! 在硕士求学期间，得到了岩土工程研究所徐长节教授的指导与帮助，特别是 在工程实践经验上，得到了徐老师的悉心指导，在此表示衷心的感谢! 感谢课题组的众多师兄弟姐妹们对我科研上的关心和生活上的协助，感谢占 宏老师、马晓华博士、胡秀青老师、丁光亚老师、王鹏博士、曾晨博士、谷川博 士、林刚硕士等等师兄弟在求学期间给予我的帮助和有益的交流及探讨。特别感 谢孙宏磊老师和曹志刚博士在科研工作及论文撰写方面给予的孜孜不倦的帮助 和支持，是你们诲人不倦的开导和启发帮助我在科研道路上克服重重困难。 感谢我的父母，是你们无怨无悔的关心和支持、理解和包容才使得我能顺利 完成学业。无论什么时候，你们都以我的学业和生活为重，我会用最大的努力来 回报你们的这份恩情，不辜负你们对我的期待。 感谢0 7 级岩土硕士班以及博士班的所有同学，感谢你们在学业上对我的支 持和在生活上的关心，因为有你们在，三年的学习生活变得丰富多彩。 感谢曾对本人和本文给予过支持和帮助的所以老师、同学、朋友和亲人! 最后，衷心地感谢评阅我的硕士学位论文和出席论文答辩会的各位专家学 者，感谢你们在百忙之中给予的指导1 2 0 10 年5 月于求是园 摘要 随着我国经济的高速增长和城市化进程的加速，为了缓解地面交通的压力，各大城市 都开始积极的新建地铁。地铁隧道在给人们带来巨大交通便利的同时，也存在一定的负面 效应，其密闭的环境常会成为恐怖爆炸袭击和意外爆炸事故的频发场所。地下交通系统空 间小、通风条件差，一旦受到爆炸荷载的冲击，往往造成惨重的人员伤亡和重大经济损失。 由于地铁一般修建在沿海经济发达地区的城市中，沿海城市地铁隧道多埋置在饱和土和准 饱和体中，因此研究土体中爆炸波的传播规律以及爆炸荷载作用下饱和土和准饱和土体中 埋置的地下隧道的灾变机理具有非常重要的意义，以便采取必要的防护措施降低爆炸荷载 对地下结构的破坏作用。 本文采用解析法研究了爆炸荷载作用下土体中埋置隧道的瞬态动力响应，研究内容主 要包括以下几个方面： 本文首先研究了饱和土体中埋置的隧道在爆炸荷载下的瞬态动力响应，建立了计算隧 道动力响应的模型，假设圆形隧道中心处发生爆炸，采用b i o t 波动方程模拟饱和土体，爆 炸荷载采用峰值递减的三段突加三角形荷载形式，并引入基于f 1 n g g e 壳体理论的衬砌运动 方程，采用l a p l a c e 积分变换，在变换域中得到了饱和土体中隧道的动力响应解答。利用 l a p l a c e 数值逆变换得到时域中的结果，通过算例给出了爆炸荷载作用下隧道的位移、环向 应力和孔压的响应，并分析了饱和土体参数、衬砌的相对刚度和相对厚度对响应的影响。 接着，本文研究了粘弹性土体中埋置的隧道在爆炸荷载下的瞬态动力响应。采用b i o t 波动方程模拟饱和土体，将土骨架视为k e l v i n v o i g t 体，并考虑了衬砌的运动方程，利用 l a p l a c e 积分变换与数值逆变换，得到了隧道响应在时域中的结果，通过算例给出了反映饱 和土体渗透性的参数b + 对响应的影响，并与单相介质进行了对比，分析了粘滞阻尼系数对 土体响应的影响，最后给出了两种粘弹性饱和土中响应的时程曲线，对比分析了不同模型 参数和排水条件的影响。 最后，研究了准饱和土体中埋置的半封闭隧道在爆炸荷载下的瞬态动力响应问题。文 中对比了混合物理论和b i o t 理论的异同，推导了基于v b 理论的准饱和土控制方程。计算模 型中，考虑了衬砌的运动方程，引入衬砌的无量纲渗透参数来描述半封闭隧道，采用l a p l a c e 积分变换，在变换域中得到了准饱和土体中隧道的动力响应的解答。利用l a p l a c e 数值逆变 换得到时域中的结果，进而通过算例给出了不同饱和度情况下准饱和土中隧道的位移、环 向应力和孔压随无量纲时间和径向距离的变化曲线，并讨论了在不同衬砌的相对渗透性参 数情况下准饱和土中响应时程曲线和影响范围曲线的变化规律。 关键词：爆炸荷载；圆形隧道；b i o t 波动方程； f l i i g g e 壳体理论；瞬态动力响应；粘弹性 土体；准饱和土 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m ya n dt h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n ， m a j o rc i t i e sa r eb e g i n n i n gt ob u i l dn e ws u b w a y si n o r d e rt oa l l e v i a t et h es t r e s so fg r o u n d t r a n s p o r t a t i o n s u b w a yt u n n e lb r i n g sh u g et r a n s p o r tf a c i l i t i e s t op e o p l e ，b u tt h e r ea r es o m e n e g a t i v ee f f e c t si nt h es a m et i m e t h ei n t e r n a le n c l o s e de n v i r o n m e n to fs u b w a yw i l lp r o v i d et h e f a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rt e r r o r i s tb o m ba t t a c ka n da c c i d e n t a l e x p l o s i o n t h es p a c e o f u n d e r g r o u n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sa l w a y ss m a l la n dp o o rv e n t i l a t i o n o n c eab l a s to c c u r si n t h et u n n e l ，i tw i l lc a u s es e r i o u sc a s u a l t i e sa n d g r e a te c o n o m i cl o s s e s a st h eg e n e r a ls u b w a y sa r e b u i l di nt h ec o a s t a ld e v e l o p e dc i t i e s ，t h em a i ns u b w a y si nc o a s t a lc i t i e sa r ea l w a y se m b e d d e di n s a t u r a t e ds o i la n dp a r t i a l l ys a t u r a t e ds o i l s ot h es t u d yo fb l a s tw a v ep r o p a g a t i o ni nt h es o i la n d d y n a m i cr e s p o n s eo fu n d e r g r o u n dt u n n e li ns a t u r a t e ds o i la n dp a r t i a l l ys a t u r a t e ds o i lu n d e rb l a s t l o a d sa r ev e r yi m p o r t a n t ，w h i c hi su s e dt ot a k ep r o t e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h ed e s t r u c t i v e e f f e c t so fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r , a n a l y t i c a lm e t h o di su s e dt os t u d yd y n a m i ct r a n s i e n tr e s p o n s eo fb u r i e d t u n n e li nt h es o i lu n d e rb l a s tl o a d s t h es t u d ym a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y , t h et r a n s i e n td y n a m i cr e s p o n s eo fb u r i e dt u n n e li ns a t u r a t e ds o i lu n d e rb l a s tl o a di s s t u d i e d a s s u m i n gt h a tt h eb l a s to c c u r si nt h ec e n t e ro f t h et u n n e l ，am o d e li se s t a b l i s h e du s i n g d e c r e a s et h r e e s t a g et r i a n g l el o a d s t h em o t i o n so ft h el i n e ra r ec o n s i d e r e ds p e c i a l l yb a s e do n f l i i g g et h e o r y b i o t st h e o r yi su s e dt od e s c r i b es a t u r a t e ds o i l t h ea n a l y t i c a l s o l u t i o n so f d i s p l a c e m e n ta n dh o o ps t r e s si n d u c e db yt h eb l a s tl o a d sa r ed e r i v e du s i n gl a p l a c et r a n s f o r m s n u m e r i c a lr e s u l t sa r eo b t a i n e db yi n v e r s i o no fl a p l a c et r a n s f o r m s ，s u c ha st h ec u r v eo f d i s p l a c e m e n t ，h o o ps t r e s sa n dp o r ew a t e rp r e s s u r ew i t ht i m e t h ei n f l u e n c eo fs a t u r a t e ds o i l p a r a m e t e r s ，t h er e l a t i v es t i f f n e s sa n dt h i c k n e s so f t h el i n e a ra r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e d s e c o n d l y , t h et r a n s i e n td y n a m i cr e s p o n s eo fb u r i e dt u n n e li nv i s c o e l a s t i cs o i lu n d e rb l a s t l o a di ss t u d i e d b i o t st h e o r yi su s e dt od e s c r i b es a t u r a t e ds o i la n dk e l v i n - v o i g tm o d e li sf o rs o i l s k e l e t o n t h em o t i o n so ft h el i n e ra r ec o n s i d e r e ds p e c i a l l yb a s e do nf 1 i g g et h e o r y b y i n t r o d u c i n gp o t e n t i a lf u n c t i o n s ，n u m e r i c a lr e s u l t sa r eo b t a i n e db yu s i n gt h el a p l a c et r a n s f o r m s a n di n v e r s i o no fl a p l a c et r a n s f o r m s t h ec u r v e so fd i s p l a c e m e n ta n dh o o ps t r e s sw i t ht i m ef o r d i f f e r e n tb + o nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h el i n e ra n ds o i la r ep r e s e n t e d t h ei n f l u e n c e so fv i s c o u s d a m p i n gc o e f f i c i e n ta r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e di nv i s c o e l a s t i cs a t u r a t e ds o i l a tl a s t ，t h ec u r v e s o fd i s p l a c e m e n ta n dh o o ps t r e s sw i t ht i m eo ft w od i f f e r e n tv i s c o e l a s t i cm e d i u ma leg i v e n ，a n d t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d i i i a tl a s t ，t h et r a n s i e n td y n a m i cr e s p o n s eo fb u r i e dt u n n e li np a r t i a l l ys a t u r a t e ds o i lu n d e r b l a s tl o a di ss t u d i e d t h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nb i o t st h e o r ya n dm i x t u r et h e o r y a lec o m p a r e d t h ec o n t r o le q u a t i o no f p a r t i a l l ys a t u r a t e ds o i lb a s e d o nv bt h e o r yi sd e r i v e d i n t h ec a l c u l a t i o nm o d e l ，t h em o t i o n so ft h el i n e ra r ec o n s i d e r e ds p e c i a l l yb a s e do nf l f i g g et h e o r y t h ed i m e n s i o n l e s sp e r m e a b i l i t yp a r a m e t e ro fl i n e a ri si n t r o d u c e dt od e s c r i b et h es e m i - e n c l o s e d t u n n e l t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n so fd i s p l a c e m e n ta n dh o o ps t r e s si n d u c e db yt h eb l a s tl o a d sa r e d e r i v e du s i n gl a p l a c et r a n s f o r m s n u m e r i c a lr e s u l t sa r eo b t a i n e db yi n v e r s i o no fl a p l a c e t r a n s f o r m sa n dt h ec u r v e so fd i s p l a c e m e n ta n dh o o ps t r e s sw i t ht i m eo nt h ei n t e r f a c eb e t w e e n t h el i n e ra n ds o i la l ep r e s e n t e d ，a n da sa l s ot h ec u r v e so fd i s p l a c e m e n ta n dh o o ps t r e s sw i t ht h e d i s t a n c er i s i n g t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n td e g r e eo fs a t u r a t i o nt ot h er e s p o n s ei sa n a l y z e da n d t h ev a r i a t i o no fd i f f e r e n tp e r m e a b i l i t yp a r a m e t e ro ft h el i n e ri sd i s c u s s e di np a r t i a l l ys a t u r a t e d s o i l k e y w o r d s ：b l a s tl o a d s ；c i r c u l a rt u n n e l ；b i o t st h e o r y ；f l f i g g et h e o r y ；t r a n s i e n td y n a m i c r e s p o n s e ；v i s c o e l a s t i cs o i l ；p a r t i a l l ys a t u r a t e ds o i l ； i v 目录 摘要i a b s t r a c t 1 1 1 目录v 第1 章绪论1 1 i 课题背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 爆炸波在自由空气场及密闭容器中的传播2 1 2 2 爆炸产生的应力波在土介质中的传播4 1 2 3 土体中地下结构在爆炸波作用下的动力响应5 1 3 本文的主要工作9 第2 章爆炸荷载作用下饱和土中隧道的瞬态动力响应1 4 2 1 弓i 言1 2 i 2 2 计算模型1 5 2 3 基本控制方程与求解1 6 2 4 衬砌的运动方程1 9 2 5 模型边界条件及求解2 0 2 5 1 边界条件2 0 2 5 2 问题的求解2 1 2 6 数值算例及讨论2 2 2 6 1 对比验证2 2 2 6 2 边界条件的影响2 3 2 6 3 饱和土参数的影响分析。2 5 2 6 4 衬砌相对刚度与相对厚度的影响2 7 2 7 结论i 3 0 第3 章爆炸荷载作用下粘弹性土体中隧道的瞬态动力响应3 1 3 i 弓l 言3 1 3 2 计算模型3 2 3 3 基本控制方程与求解3 3 3 4 衬砌的运动方程3 5 3 5 荷载和边界条件3 6 3 5 i 荷载简化形式3 6 3 5 2 边界条件3 6 3 5 3 根据边界条件求解3 6 3 6 数值算例及讨论3 7 3 6 1 饱和土参数莎的影响算例分析3 8 3 6 2 粘滞阻尼系数的影响分析一4 0 3 6 3 不同粘弹性介质算例分析。4 2 3 7 结论z m 第4 章爆炸荷载作用下准饱和土中半封闭隧道的瞬态动力响应4 6 4 1 引言4 6 4 2 混合物理论与b i o t 理论比较4 7 4 3 准饱和土本构模型的建立4 8 v 4 4 计算模型5 0 4 5 准饱和土动力控制方程求解5 0 4 6 衬砌的运动方程及半封闭特性5 3 4 6 1 衬砌的运动方程5 3 4 6 2 衬砌的半封闭特性5 3 4 7 边界条件及求解5 4 4 7 1 边界条件5 4 4 7 2 半封闭隧道的求解5 5 4 8 数值算例分析5 5 4 8 1 准饱和土中饱和度的影响5 6 4 8 2 相对渗透性参数的影响6 0 4 9 结论6 3 第5 章结论和建议6 5 5 1 本文工作总结6 5 5 1 1 爆炸荷载作用下饱和土中隧道的瞬态动力响应6 5 5 1 2 爆炸荷载作用下粘弹性介质中隧道的瞬态动力响应6 6 5 1 3 爆炸荷载作用下准饱和土中隧道的瞬态动力响应。6 6 5 2 迸一步工作的建议6 7 参考文献6 9 v i 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着我国经济的高速增长、城市化进程的加速，地面交通的拥堵情况越来越严重，为 了缓解地面交通的压力，各大城市都开始积极的新建地下铁道隧道、地下公路隧道。 地下铁道、地下公路隧道在给人们带来巨大交通便利的同时，也存在一定的负面效应， 其内部密闭的环境经常会成为恐怖袭击和意外爆炸事故的频发场所。一方面，在可能发生 的未来高科技战争中，精确打击将成为战争的主要打击手段，地下铁道、地下公路隧道作 为城市交通枢纽及人防工程的组成部分将不可避免的成为军事打击的重点，并且在当今恐 怖主义尚未有效肃清的形势下，地铁或公路隧道内密集的人群和封闭的空间客观上为恐怖 分子实施爆炸袭击创造了良好条件，一旦爆炸发生，其破坏和杀伤力极大。例如最近刚刚 发生的莫斯科地铁连环爆炸案，2 0 1 0 年3 月莫斯科市“卢比扬卡”地铁站、“文化公园” 站、“和平大街”地铁站接连发生恐怖袭击的爆炸事件，造成至少3 6 人死亡、6 4 人受伤； 还有在2 0 0 4 年2 月6 日，由恐怖分子一手策划的莫斯科地铁爆炸案，因其发生在一列满 载旅客地铁列车内而造成5 0 人死亡1 0 0 多人受伤的惨剧。另一方面，公路隧道中高速行 驶的汽车相撞有可能会引起爆炸起火事件，地铁隧道中由于地铁调度不善或驾驶员操作失 误等原因所导致的列车出轨、相撞事故也会伴随有起火爆炸的情形发生。例如：在2 0 0 1 年1 0 月2 4 日瑞士阿尔卑斯山隧道内因汽车相撞而引发的爆炸及大火，导致了2 0 人死亡、 8 0 多人受伤的惨剧；2 0 0 3 年1 月2 5 日英国伦敦地铁列车发生出轨及起火事故，造成了 8 9 位乘客受伤。另外，除了地下隧道内经常发生的爆炸事故以外，煤矿行业的作业巷道 也是爆炸频发的场所，对于目前我国煤矿行业安全生产状况而言，尽管国家三令五申，不 断加大治理惩处力度，然而每年因疏于管理或违章作业而引发的煤矿巷道瓦斯爆炸事故仍 时有发生，遇难人数更是骇人听闻。 由于地下交通系统一般都是狭长型的，空间小、道路窄、通风条件差，一旦突发爆炸 事故，将可能会引起衬砌材料破裂，短时间内使结构及通风和照明等设施遭到致命破坏， 造成地下交通系统坍塌，同时有较多的车辆和随车人员拥堵在隧道内，极易造成车辆连续 燃烧或爆炸的连锁反映，大大增加施救工作的难度。因此地下交通系统一旦受到爆炸荷载 的冲击，往往会造成惨重的人员伤亡和重大经济损失，后果难以预料。 在我国，地下隧道多兴建于沿海发达城市中，而沿海城市的地质条件多以厚层土体为 主，因此一般沿海发达城市中地铁多埋置在土体中，且由于沿海地区地下水位较高，土体 以饱和土和准饱和土为主，因此，研究爆炸波在饱和土体和准饱和土体中的传播规律，以 及爆炸荷载作用下地下结构的灾变机理具有非常重要的意义，以便事先在地下结构的抗爆 设计中进行优化和改进，采取必要的防护措施尽可能的降低爆炸荷载对系统结构的破坏。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 爆炸波在自由空气场及密闭容器中的传播 为了解爆炸波在土体的传播规律以及在隧道内发生爆炸的超压作用，首先简单介绍一 下爆炸冲击波在空气中传播的规律和特点。当炸药在空气中爆炸时，所产生的高温高压气 体迅速膨胀，在周围空气中就形成压力很大的初始空气冲击波，冲击波在空气中向外传播 的情况如图1 1 所示。可以看出，当波从波源向四周迅速扩散时，其正压区不断拉宽，波 阵面处的超压和传播速度迅速下降，在某一距离处，波阵面后的压力下降到低于周围的大 气压力，形成冲击波的负压区，该处的空气不是被挤开而是被吸入。冲击波传播过程中， 波阵面压力是迅速衰减的，并且初始阶段衰减较快，后期衰减缓慢，由实验表明，其衰减 是按指数规律进行的，如图1 2 所示。根据h e n r y c hj ( 1 9 8 7 ) 的研究，在爆炸力学计算过 程中实际的冲击波曲线可用等效的直线近似。 ，a 力 j 弋母。 ：嚣= | 巍 詹 压壤压正压) 鞴堍拯“氟压) 图1 1 冲击波在空气中的传播图1 2 冲击波波形图 当炸药在密闭的容器或洞室内发生爆炸时，根据p r i t c h a r ddk ( 1 9 9 6 ) 、w e l c hcr ( 1 9 9 7 ) h ej ( 1 9 9 9 ) 等人的研究，由于容器或洞室内壁的限制，爆炸产生的高温高压产物无法及时 向外扩散，空气冲击波将在壁面间来回多次反射，因而造成壁面所受的超压随时间的变化 2 堑焦盔堂丝! ：堂丝论塞 箍! 至结论 关系十分复杂。近年来，国内外学者在这一领域所进行了模型试验和数值模拟的研究，其 中严长林( 1 9 9 8 ) 、曹玉忠( 2 0 0 1 ) 和m a r c o n if ( 1 9 9 4 ) 等学曾经针对各种形状的洞室结构的 模型进行了内部爆炸试验和数值模拟研究，获得了封闭结构内爆炸压力等值线的演变过程 的测量数据，如图1 3 、图1 4 和图1 5 所示。 霸 厶 赏 b 斌 一 g 掣 图1 3 容器壁面最大压力变化过程 图1 5 方形容器中心爆炸的压力等值线的演变过程 从上述的试验和数值模拟研究中可以看出，密闭结构内的爆炸现象比自由大气中的情 一圆圈 一囹国 圃囵 圈囵 形复杂得多，无论是正方形还是圆形的容器，爆炸波在传播过程中，经过结构四周内壁的 多次反射和相互作用，不仅使内壁承受超压作用的峰值强度明显提高，而且其作用持续时 间也大为延长。 1 2 2 爆炸产生的应力波在土介质中的传播 爆炸发生时伴随有质点的运动和能量的释放，当其在地下隧道内发生时，所产生的部 分爆炸能量将以应力波的形式穿越隧道衬砌并通过土体介质向四周传播，因此土介质中的 应力波传播理论是研究土体中埋置隧道在爆炸荷载作用下瞬态响应的重要工具。 爆炸波在土体三相介质中的传播规律相当复杂，至今没有公认的合适的理论来进行计 算，国内外学者在理论推导和数值模拟方面都进行了诸多研究，取得了一定的成果。 k r y m s k i iav 和l a k h o vgm ( 1 9 8 4 ) 采用考虑体积粘性的多组分介质模型，分析由球形装药 产生的冲击波在土中的传播过程，并采用有限差分法进行数值模拟，其中波的基本参数由 现场试验获取。王明洋和钱七虎( 1 9 9 4 、1 9 9 5 、1 9 9 6 ) 基于c h i n gsc 和l u nm ( 1 9 9 0 ) f f 寸研究， 在分析爆炸应力波通过颗粒状介质的特性时，考虑了颗粒体的拓扑结构及颗粒体之间的局 部非线性相互作用，通过引进恢复系数，导出了考虑颗粒体间滑移和分离的弹塑性本构关 系，次年，两人结合爆炸波在准饱和土中传播的宏观试验，运用混合物理论建立起研究一 维平面爆炸波作用下准饱和土的动力分析模型。m ag w 、h a oh 和z h o uyx ( 1 9 9 s ) 考虑 了应变速率的影响，并采用了分段线性化的d r u c k e p r a g e r 准则，建立了描述爆炸荷载作 用下岩土介质动力响应特性的本构模型。乔继延、丁桦和郑哲敏等( 2 0 0 3 ) 以l s d y n a 有 限元分析程序为平台，对相关岩土介质的本构模型进行了探讨，计算表明，在形成爆炸空 腔的高应交率阶段，淤泥的性质表现出类似于理想不可压缩流体的性质，在小药量条件下， 在低应变率变形阶段，其粘性效应可以忽略不计。戚承志、王明洋和钱七虎等( 2 0 0 3 ) 开0 用 弹塑性介质的不可逆热力学的普遍关系，对弹粘性孔隙介质在冲击水压力作用下的力学行 为进行了研究，并采用等效应变法分析了孔隙率对孔隙介质在冲击静水压力作用下的力学 行为的影响，得到了孔隙率演化方程，在考虑应力状态、应变强化、及畸变损伤对材料强 度的影响的基础上，建立了基于热活化原则的应力偏量与应变偏量之间的关系。w a n gzq 、 h a oh 和l u y ( 2 0 0 4 ) 采用三相介质模型模拟了爆炸荷载作用下土的动力特性，将土视为由 固体颗粒、水及气组成的三相介质，采用弹塑性理论建立土骨架的应力应变关系，同时 采用考虑应变率效应的d r u c k e - p r a g e r 准则描述土的强度。 除了以上的理论和数值模拟研究，国内外学者还对爆炸荷载作用下饱和土动力特性开 4 展了大量的试验研究。d o n t s o vve 和n a k o r y a k o vve ( 2 0 0 1 ) 通过试验研究了中等强度 的冲击波在含有可溶气体的饱和介质中的传播过程以及在刚性表面反射后的应力波特性， 在试验中发现了刚性边界上反射压力的放大现象。皮爱如、沈兆武和王肖钧等( 2 0 0 3 ) 研 究了土体在不同应变率条件下的力学性能，认为土体有明显的应变率效应，且与静载作用 相比，冲击荷载下土的动强度和动模量均有很大提高。赵跃堂、郑守军和郑大亮等( 2 0 0 4 ) 进行了饱和土中爆炸冲击波传播规律的试验研究，结果表明，饱和土中的气体含量是控制 波传播规律的主要因素，在深度方向上自由场应力峰值可能随深度增加，而在刚性边界上 荷载反射系数可能大于2 。 由以上分析可以看出，目前还没有公认的合理的理论模型来描述土体中爆炸波的传播 规律，但对于土体中各种组分、各种参数对爆炸波传播的影响已取得较多的成果。 1 2 3 土体中地下结构在爆炸波作用下的动力响应 对爆炸荷载作用下土与地下隧道结构体系动力响应问题的研究，一般可分为试验方法 和理论计算的方法。计算方法中亦可分为两种方法，即数值法和解析法。 1 试验法 s l a w s o nt r ( 1 9 8 5 ) 通过试验研究了砂土、粘性砂土中，钢筋混凝土结构在爆炸荷载作 用下的动力响应和内部冲击环境。d a v i e smcr ( 1 9 9 2 ) 等进行了一系列的离心机模型试 验，重点研究了由低声阻材料制成的障碍物对埋置结构抗土中爆炸破坏的可行性的问题。 l a lh ( 2 0 0 0 ) 等试验研究了在1 5 m 厚人工砾石回填层下面夹有吸能层的双层屋顶结构在遭 受地下封闭爆炸时的响应，讨论了高爆圆柱状炸药的埋置距离和深度对结构响应的影响， 并进一步分析了结构上的裂缝样式和结构的破坏机理以及两屋顶之间的吸能层的作用。 h e l w a n ysmb ( 2 0 0 4 ) 针对实际地下结构的某一部分，开展了邻近地下某深度处爆炸对其产 生冲击加载效应的试验研究。由于爆炸荷载的破坏作用以及试验设备的局限，采用试验方 法对爆炸波的研究并不能深入下去，不能形成一系列的研究成果。 2 数值法 随着计算机技术的进步和数值方法的发展，数值模拟方法在土与地下结构动力相互作 用的研究中应用越来越广泛，由于数值模拟对模型的简化假设较少，模型更符合实际情况， 目前国内外学者多采用数值模拟方法研究爆炸荷载作用下土与地下结构体系的动力响应 问题。 d a t t a 等( 1 9 8 4 ) 利用有限元和特征函数展开式的方法研究了弹性半空间地下管线、椭圆 浙迤太堂熊j ：堂焦i 金塞 噩! 重绪论 形夹杂和孔洞的散射问题，并给出了数值解。c h e u n gyk ( 1 9 9 2 ) 等联合运用有限条分法 和时域半解析边界元法，对一嵌埋在线弹性半空间上的圆柱壳遭任意入射爆炸波冲击引起 的土一结构动力相互作用进行了数值分析。k r a u t h a m m e rt ( 1 9 9 3 ) 建立了三维有限元模型， 重点分析了部分埋置钢筋混凝土结构遭受邻近常规爆炸作用时回填土的影响因素，模拟了 泡沫隔震层的隔震效果。o d a n i el j ( 1 9 9 7 ) 采用有限元软件l s d y n a 3 d ，对由回填土、隔 震材料、埋置炸药和部分埋置结构组成的土与结构体系在地下爆炸冲击作用下的动力相互 作用进行了分析，考虑了土介质与结构的弹塑性，并将数值计算结果与现场试验收集的数 据作了比较，模拟的结果与实验结果吻合较好。此模型中的荷载利用高爆炸药材料模型来 模拟，由于采用了l a g r a n g i a n 单元使得炸药单元附近的网格变形过大而影响模拟效果。 t e h r a n i z a d e hm ( 1 9 9 8 ) 采用有限单元法进行了5 0 个土与结构动力相互作用的算例分析。结果 表明，结构周围土介质的刚度是影响两者相互作用结果的主要因素，周围介质刚度的增加 能减小地下结构的变形，下卧土层自振周期的增加会引起结构层间剪力的增长及沿高度分 布的不规则性。刘凯欣和刘颖( 2 0 0 3 ) 提出三维两相细观计算模型以深入研究液饱和多孔介 质中应力波的传播。文中应用g a l e r k i n 余量法及流固耦合界面的耦合效应，开发了三维流 固混合显式动力有限元计算程序对冲击载荷作用下饱和多孔介质中三维应力波的传播现 象进行了数值模拟，并详细讨论了孔隙率，孔隙形状等因素对应力波传播主导波形的影响。 曹志远等( 2 0 0 3 ) 基于时域边界元与非线性动力有限元的耦合法，研究了爆炸波冲击下马蹄 形地下防护结构与围岩间的非线性相互作用问题，同时真实再现了波在弹性层中的传播及 反射过程。w a n gzq 等( 2 0 0 5 ) 利用a u t o d y i l 有限元软件，采用全耦合方法来分析埋置结构 遭受爆炸作用时的动力响应，用光滑粒子方法( s p h ) 来模拟炸药及其附近的大变形区，分 析了二维模型和三维模型计算结果之间的差异，得到了结构的破坏区、结构内部的动力响 应以及冲击反应谱。杜义欣、刘晶波和伍俊等( 2 0 0 6 ) 建立了爆腔岩土介质地下结构动力 相互作用有限元分析模型，文中将采用a l e 算法得出的计算结果与某模型试验进行了对 比，结果表明，使用该模型的计算误差可降到2 0 以下。李忠献、刘杨和田力( 2 0 0 6 ) 采用 有限元和无穷元耦合的方法，建立了包括隧道、周围有限成层土区以及远场半无限土区的 整体计算模型，分析了单侧隧道内意外爆炸荷载作用下双线地铁隧道的动力响应，以及爆 炸侧隧道内设置泡沫铝防护材料对隧道衬砌的抗爆效果。结果表明，在爆炸侧隧道内壁贴 装泡沫铝材料，可利用其良好的缓冲吸能作用明显降低隧道衬砌的应力及变形。刘沐宇等 ( 2 0 0 7 ) 针对武汉长江隧道，运用l s d y n a 软件分析了盾构隧道内行车道板上不同孔径炸药爆 炸时隧道衬砌不同部位的动力响应规律，并给出了隧道衬砌最易破坏的部位。f e l d g u n v r 6 等( 2 0 0 7 ) 采用有限差分法研究了深埋管线内部爆炸冲击荷载作用下管线及周围土体的动力 响应。 数值方法虽然对实际情况的简化较少，但因其输入参数较多，某些方法中计算模型的 限制，网格划分以及收敛性等诸多问题的存在，对问题的解决在准确性上仍不能代替解析 方法。 3 解析法 解析法以求解波动方程为基础，按波动方程求解地下结构与其周围土介质中的应力 场。 在弹性介质方面，七十年代初，h e e l a nra 等( 1 9 6 2 ) 采用叠加法计算了柱状洞室受有 限长荷载作用下的动力响应，a b o z e n aam ( 1 9 7 7 ) 指出了h e e l a n 推导的误差，利用l a p l a c e 和f o u r i e r 变换研究了弹性介质中圆柱状洞室受有限长爆炸荷载作用时的动力响应，并给 出了小洞径、低频荷载作用下的解析解。p a owt ( 1