（岩土工程专业论文）大型沉管隧道竖井结构动力特性研究.pdf

摘要 竖井在沉管隧道中起着重要的作用，其动静力特性非常复杂，对其进行专 门的动力反应分析是非常必要的。本文根据南京长江沉管隧道竖井的设计方 案，研究确定了竖井与土的相互作用模型，利用直接积分法模拟计算了地震波 和列车荷载作用下竖井结构的响应特性，并与拟静力法的计算结果做了比较： 同时对沉管隧道的地基和竖井周围土层的液化可能性进行了研究。从而得出以 下结论： 1 、由于地震波相位特性的差异导致竖井结构以及地基的地震响应也存在 一定的差异。因此，采用不同相位特性的地震波对竖并模型进行动力 反应分析对比是非常必要的； 2 、在不同的地震波作用下，竖井井壁的响应特性基本相同。即：当地震 波沿隧道纵轴线作用时，与纵轴线垂直的井壁的内力最大；而当地震 波沿垂直于隧道纵轴线作用时，与纵轴线平行的井壁的内力最大； 3 、地震作用下竖井外井壁产生的内力最大，而且隧道穿过竖井部位由于 结构酗弱和尺寸突变，产生很大的内力； 4 、因竖井地基土埋藏很深，所产生的地震动应力不会导致地基的液化。 而竖井周围地层的动应力也不影响竖井的安全； 5 、可根据地震危险性分析给出的场地水平地震系数按拟静力法进行设 计，但应以动力反应分析法进行校核； 6 、在高速列车荷载作用下，竖井结构及地基的动应力响应较小； l 、 关健词t 沉管隧道；竖井；。内力：地震波：动力反应分析；高速列车：拟静力 法。 、 第i 页 些查奎望查堂堡主堂垡丝壅一型型竺l a b s t r a c t t h es h a f tp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ei m m e r s e dt u b et u n n e lw h o s ed y n a m i c a n ds t a t i cp r o p e r t i e sa r ev e r yc o m p l e x s oi ti sn e c e s s a r yt om a k es p e c i a ld y n a m i c r e s p o n s ea n a l y s i s o ft h es h a f t i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np l a no ft h e n a o j i n g i m m e r s e dt u b et m m e ls h a f t t h em o d e lo fs h a f t s o i 】j n t e r a c t i o n i s e s t a b l i s h e d a n dt h ev i b r a t i o nr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co fs h a f tw a l l i sc a l c u l a t e du s i n g t h ed i r e c ti n t e g r a t i o nm e t h o du n d e rt h ea c t i o n so f e a r t h q u a k ew a v e sa n dh i g h s p e e d t r a i n c o m p a r i s o n w i t ht h er e s u l to ft h e q u a s i - s t a t i c m e t h o dh a sb e e nm a d e l i q u e f a c t i o n so f t h es u b g r a d ea n ds u r r o u n d i n g s o i lo f t h ei m m e r s e dt u b et u n n e la n d t h es h a f ta r ea l s os t u d i e d s o m ec o n c l u s i o n sa r ea c q u i r e da sf o l l o w i n g ： l 、n 把e a r t h q u a k er e s p o n s e so f t h es h a f ta n ds u b g r a d ea r ed i f f e r e n tb e c a u s eo f t h ed i 船r e n c eo ft h ep h a s e so ft h ee a r t h q u a k e s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt o a n a l y s et h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h em o d e l so f s h a f tu n d e rt h ee a r t h q u a k e w a v e sw i t hd i f f e r e n t p h a s e s 2 、t h er e s p o n s ep e c u l i a r i t i e so fs h a f tw a l la r es i m i l a rw i t hd i f f e r e n tp h a s e s e a r t h q u a k ew a v e s m a x i m u mi n t e m a if o r c ew i l l b ei n d u c e di nt h ew a l l v e r t i c a ll o n g i t u d i n a la x e sw h e nt h ee a r t h q u a k ew a v e sa c ta l o n gl o n g i t u d i n a l a x e so ft h et u n n e l ；m a x i m u mi n t e m a lf o r c ew i l lb ei n d u c e di nt h ew a l l p a r a l l e l e d1 0 n g i t u d i n a l a x e sw h e nt h e e a r t h q u a k e w a v e sa c t a l o n g l o n g i t u d i n a la x e so f t h e t u n n e l 3 、m a x i m u mi n t e r n a lf o r c ew i l ib ei n d u c e di nt h eo u t s i d es h a f tw a l iu n d e rt h e e a r t h q u a k ew a v e s 。f u r t h e r m o r e 1 a r g ei n t e m a lf o r c ew i l lb ei n d u c e di nt h e p a r tw h e r et h et u n n e lr i d d l e sb e c a u s eo fs t r u c t u r ew e a k e na n dd i m e n s i o n a b r u p tc h a n g e 4 、t h ee a r t h q u a k ed y n a m i cs t r e s sc a nn o tc a u s el i q u e f a l e t i o nb e c a u s et h es u b - g r a d eo ft h es h a f ti sv e r yd e e p a n dt h ed y n a m i cs t r e s so f s o i la r o u n ds h a f t h a sn oi n f l u e n c eo nt h es h a f ts t a b i l i t y 5 、n l e q u a s i s t a t i c m e t h o dc a i lb e a p p l i e d i nt h e d e s i g nu s i n gh o r i z o n t a l e a r t h q u a k et o e m c i e n tg i v e ni nt h ee a r t h q u a k eh a z a r da n a l y s i s b u tt h er e s u l t h a v et ob ef i tt od y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sm e t h o d 6 、n 地d y n a m i cs t r e s sr e s p o n s e so f t h es h a f ta n ds u b g r a d eu n d e rt h ea c t i o no f h i g h - s p e e d t r a i na r es m a l la n dn e g l e c t a b l e k 昭w o r d s ：i m m e b e dt u b et u n n e l ，s h a f t ，i n t e r n a lf o r c e ，e a r t h q u a k ew a v e ，d y n a m i cr e s p o n s e a n a t y s i s ，h i g h - s p e e dt r a i n ，q u a s i - s t a t i cm e t h o d 第i i 页 j ! 查銮望奎兰堡主堂垡堡苎一一星二兰! ! 鱼 第一章绪论 1 1 工程背景 世纪之交，随着大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代的到来，我国 正面临着地下空间开发的新阶段。在2 0 0 0 年即将动工修建的我国第一条高速 铁路京沪高速铁路经过南京到达上海，采用沉管隧道作为在南京越江的方 案，已得到较多的赞同。 在京沪高速铁路的初步设计方案中，隧道总长度约占全线总长度的1 3 。 根据研究报告9 5 g f l 2 的分析，京沪高速铁路( 南段) 位于北纬3 1 吒3 4 ，3 0 ，东 经1 1 7 0 1 2 2 0 ，属长江中下游地震区。自从有地震资料以来，小震大部分分布于 主干线断裂与北西向次级断裂交汇部位或其西侧的分支断裂上：且地震较密 集。从图1 1 可见，京沪高速铁路( 南段) 在南京以西至徐州段穿越郯城一庐 江地震带是一个强震潜在震源区1 l 2 , 3 j 。 图1 - 1 京沪高速铁路南段的地震带分布圈 京沪高速铁路，属于国家重要的基础设施，是国民经济的特殊生命线，建 成后畅通与否对国民经济发展具有重要的影响。尽管隧道总长度仅占全线总长 度的1 3 。但是，由于投资巨大，结构又是非标准设计，强震所造成的隧道震 害不易修复，故其重要性程度并不低。所以对京沪高速铁路隧道应采取适当的 抗震措施，至少应进行抗震验算。 京沪高速铁路南京上元门越江隧道是南段中最长的一座隧道，全长5 9 3 0 m 。 越江隧址位于现南京长江大桥下游约1 7 k m 处。老虎山以北长江冲积平原的场 地土( 地面或一般冲刷线以下2 5 m ) 平均剪切波速一般为1 7 0 r n s 左右，属i i 类 场地；北岸江边一带及南岸燕江路以北，场地土以软土或流塑状砂粘土为主， 平均剪切波速略大于1 4 0 m s ，接近h i 类场地。老虎山以南为中硬场地土，场地 第3 页 ! ! 查奎塑查堂堡主堂堡丝塞 查型堡笪壁堕墨茎堕塑垫查竺丝! ! 型 类别属i i 类；老虎山一带为坚硬场地土，场地类别属i 类憎。 1 2 沉管隧道及竖井简介 沉管隧道是由若干个预制的管段，分别浮运到现场，一个接一个地沉放安 装，并在水下将其互相连接而成。沉管隧道通常是安置在基槽内，基槽是结构 物在旱地制造期间在水下预先用挖泥机挖好的。基槽底面和隧道底部之间的空 间应事先准备好砾石垫层或在隧道下面泵送砂垫层。当土层较差时，可使用桩 基。沉放完之后，还要对隧道上面进行回填，完工的隧道经常在顶板上覆盖一 层保护层1 4 1 。 用管段沉放法修建水下隧道的历史可以追溯到本世纪初。1 8 9 4 年在美国波 士顿建造了世界上第一座沉管隧道以来1 4 1 ，1 9 1 0 美洲在底特律河下用管段沉放 法修建了第一条水下双线隧道。1 9 4 1 年在荷兰开始的m a s s 隧道的施工则标志 着欧洲开始使用沉管隧道【4 】。 沉管隧道作为跨越江河或港湾的一种特殊手段，已倍受隧道界的青睐。当 一条线路需要跨越江河或港湾时，同时又要求保持其顺利通航，特别是对航运 要求较高、航运密度较大的江河中下游地段而言，水底隧道就成了大跨度桥梁 的有力竟真争者 4 1 。尽管修桥方案可能在经济上、美观上要优于沉管方案，但 是沉管方案则在技术上、列车通过时的舒适度上有一定的劣势：而从航运的角 度来看，后者有着明显的优势。综合考虑，沉管方案在总体上占有一定的优势。 此外，近百年来人们对沉管隧道作了大量的研究和尝试促成了全世界沉 管隧道建造的快速增长和参与这种工程施工的团体的发展与壮大，同时由于在 建造过程中对极富挑战的施工技术的研究与应用。如从构成材料到结构形式的 大胆的探索，到今天已取得了很多宝贵的经验。 从构成材料来看，沉管隧道可分为混凝土管段隧道和钢壳管段隧道。沉管 混凝土管段隧道最早出现在鹿特丹。据不完全统计，至今全世界已建成了4 0 多座混凝土管段隧道。沉埋混凝土管段隧道的主要特点是隧道的管段由钢筋混 凝土制成，钢筋混凝土用于结构构造和作为镇载物。而第一座钢壳管段隧道是 在二十世纪初在北美建成的，钢壳管段隧道是钢壳与混凝士的组合结构。钢壳 可作为防水层并在结构上有明显的作用，混凝土主要承受压力和作为镇载物i “。 从结构形式来看，有单层、双层，每一层有单孔、双孔、三孔；断面形式 有箱形、马蹄形等。 国内外很多水下隧道( 包含沉管隧道、盾构隧道及其它类型的隧道) 设有竖 井，竖井的修建方法多种多样，根据施工方法及用法的不同，竖井结构形式也 有相应的变化。竖井可设置在岸边，也可设置在水中，其施工方法主要有：沉 井法、地下连续墙法、挖井法、钢壳沉埋法等。 沉井法可适用于水中或陆地上粘性土、无粘性土等地层中施工，具有占地 面积小、不需要板桩围护、与大开挖相比挖土量少、能节省投资、无需特殊的 专业施工设备等优点。随着施工技术和施工机械的不断革新，沉井在国内外得 第4 页 i ! 立奎望盔兰堡主堂垡堡兰一旦二三! 二巳 到了广泛的应用和发展。目前，日本采用气囊法使沉井的最大下沉深度已超过 了2 0 0 m ，平面尺寸也日益加大，平面面积达上千平方米已属常见。 地下连续墙法可适用于粘性土、无粘性土、卵石、砾石等地层中施工。自 5 0 年代初开发该项目技术以来，在世界范围众多领域内取得了很大发展。地下 连续墙分为柱列式地下连续墙和整体式地下连续墙，可根据不同的地质条件和 使用要求选用采用。目前，国内地下连续墙的最大入土深度已达数十米。 1 3 地下结构抗震的意义及研究方法 1 3 1 地下结构抗震的意义 地震是一种严重危及国民经济建设和人民生命财产安全的自然灾害。每年 地震破坏给全球所造成的经济损失以及用于抗震救灾的费用很高。为此，地震 工作者经过长期的努力，通过结构抗震设计有效地减轻了地震对建筑物及生命 线工程所造成的破坏，以保证工程结构在使用期内的安全性和可靠性，最终实 现“大震不倒，中震可修，小震不坏” 5 1 的目的，从而最大限度地避免人员伤 亡和经济损失。 长期以来，人们普遍认为地下结构的数量较少，地下结构的抗震性能优于 地面建筑。因此，地震对地下结构所造成的危害较地面建筑要小；其次，地震 时地下结构的动力特性受周围地基土的支配，周围地基土又受地下结构的影 响，使得对土与地下结构相互作用联合系统的分析极其复杂：再者，地震波以 不同的速度在土层中传播，且在多土层界面间呈多次反射和折射，因此，地震 波的传播方向对地下结构是任意的，并以不同的组合方式作用于地下结构，这 就使地下结构的抗震研究更趋困难8 。 另外有些地下结构还必须建在松散、软弱及不规整的场地上，这使地下结 构极易遭受地震的破坏；况且，地下结构又处在地下，破坏后不易发现与修复， 从而容易导致重大的灾害。如：1 9 2 3 年在日本关东发生的一次地震使邻近约2 5 座隧道遭受破坏：1 9 5 2 年，美国的克恩县地震，使南太平洋铁路上的四座隧道 遭到了严重破坏；1 9 7 1 年，美国的圣费尔南多地震，电力设施破坏，电话通讯 中断，地下给排水和煤气管道有数千条处遭到破坏，地震还使b a l b o a 隧道、s a n f e m a r d o 隧道、m o c l a y 隧道和v a nn o r - m a n n o r t h 隧道的衬砌出现了不同程度的 裂缝、变形。所有这些事实都使人们认识到：强震作用下地下工程的易损性阳】。 因此随着地下结构的增多和地下结构震害的频繁出现，人们对地下结构抗 震问题有了新的认识。特别是自1 9 6 4 年日本新舄地震和1 9 7 1 年美国的圣费尔 南多地震以来，地下结构的抗震问题已受到各国地震工作者的广泛重视。1 9 8 0 年，国际隧道协会成立特别工作组【l ，组织调查和研究地下结构抗震设计的现 状，建立统一的结构抗震设计方法，制定了适当的文件和设计建议，从而推动 了各国抗震工作的进一步发展。 我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带之间，是世界上最大的一个大陆浅 源强震活动区。根据地震烈度分布资料，在全国三百多个城市中，有一半位于 第5 页 ! ! 查奎望查堂堡主兰堡堡塞 盔型望笪壁堕墨茎堕塑塑垄塑堕! ! ! 地震基本烈度为七度乃至七度以上的地震区，2 3 个百万以上人口的特大城市中 有7 0 属七度和七度以上地区，象北京、天津、西安等大城市都位于八度的高 烈度地震区1 。从1 9 6 6 到1 9 7 6 年就我国发生的地震来看，有九次超过七级强 震，死亡总人数达3 0 万人之多，地震已给我国造成了巨大的人员伤亡和经济 损失 1 2 1 。因此，重视地震的危害性并将这一思想贯穿于地下结构的抗震设计和 抗震加固中是至关重要的。 1 3 2 地下结构抗震研究方法 地震作用是工程结构抗震设计的基本依据，地震作用的动力分析是工程结 构抗震设计能否取得安全与经济完美协调的前提，准确合理地建立地震作用的 分析模型是抗震设计所必须的。地震作用的动力分析主要包括三个方面：地震 动输入、结构和构件的分析模型、实用的动力分析方法。在过去的几十年里， 抗震分析的模型和方法已得到不断地发展、改进和完善。1 9 0 0 年，大森房吉教 授提出了计算地震荷载的静力理论 1 “。1 9 4 1 年，m b i o t 提出了目前各国普遍 采用的反应谱理论“，1 9 4 7 年，h o u s n e r 又应用随机过程理论研究、分析了 地震作用，并以此为依据提出了将地震地面作用简化为平稳脉冲系列的分析方 法 9 】，随后各国地震工作者在随机振动领域进行了广泛的研究和探索。 目前，有关地下结构抗震问题的研究方法大致分为三种：地震观测、实验 研究和理论分析。 地震观测就是通过实测地下结构在地震时的动力特性来了解地下结构的地 震特点。1 9 7 0 年，日本 1 5 - 2 0 1 通过对地下管线动态应变测定结果的研究发现管线 与周围地基一起振动，而自身并不发生振动；随后又对沉埋隧道、盾构隧道和 地下通道等进行了地震观测，掌握了地下结构的动力特性，由此得出影响地下 结构地震反应的是地基变形而不是地下结构惯性力的结论。 实验研究分为人工震源实验和振动台实验。由于起振力较小，人工震源实 验法很难反映出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对建筑物地震反应的影 响，一般不采用。振动台实验法因能够较好地把握建筑物的地震反应特性以及 建筑物与地基之间的相互作用特性等问题而得以广泛应用。 在日本，大支【1 7 l 等人首先采用振动台实验法研究了砂质地基液化对管线的 影响问题。八十年代，日本铁道技术研究所又利用这种方法对隧道抗震加固问 题进行了试验。我国铁道科学院铁建所也开展了利用振动台输入地震波的隧道 模型试验，并提出了相应的防震措施口1 i 。九十年代初，美国发展了大型模型的 抗震试验技术，可进行6 个自由度振动，用计算机控制模拟地震荷载等一些大 型模拟实验【2 2 l ，并得出了很多有价值的结论。通过模型实验使人们能更好地了 解和掌握地下结构的工作特性，为抗震理论的研究和发展奠定了基础。 波动理论和有限元是分析地下结构抗震的两种主要理论分析基础。近年来 的研究结果表明，研究地层运动对地下结构的影响主要有两种方法：一种是相 互作用法，它是以求解结构运动方程为基础，把介质的作用等效为弹簧和阻尼， 第6 页 j ! 查奎望查堂堕主堂丝笙苎一j 芝，生! ! ! 生 再将它作用于结构，然后如同分析地面结构模型一样进行分析；另一种是波动 法，以求解波动方程为基础，把地下结构视为无限线弹性( 或弹性) 介质中孔 洞的加固区，将整个系统( 包括介质与结构) 作为对象分析，不单独研究荷载， 以求解其波动场与应力场。 1 3 3 地下结构抗震设计方法 地下结构的抗震设计与地面结构的抗震设计一样也有很多方法，目前，国 内外地下结构的抗震设计主要有三种： 1 、静力法：把地震作用当作等效的静力荷载计算。它通常应用于地下容 器、通道的横截面抗震设计，它把地震时的土压力和结构物以及结构物以上的 上覆土层作为外力考虑。这种方法的缺陷在于：没有考虑土层与结构各自的振 动特性及其相互间的关系，计算结果也过于保守。 2 、反应位移法：就是用弹性地基梁来模拟研究对象，把地震时地基的位 移作用在弹性地基上，以求解在梁上产生的应力和变形。这种方法是把地基的 位移当作已知条件来进行结构的抗震设计，它的理论基础是基于支配地下结构 地震反应的是地基变形而不是结构物的惯性力。近年来，大多数地下结构，尤 其是地下管线都把这种方法作为其抗震设计方法。但是，这种方法把不规则的 地震波的传播看作为同一方向的地震波，似乎过于简单化；同时略去了结构本 身惯性力的影响，认为地下结构地震响应仅取决于结构所在位置的地层变形。 因此，当地下结构的刚度与所在土层的刚度相差不大时，与实际情况基本类似， 而当相差很大时则与实际情况相去甚远。 3 、动力反应分析法：主要是用于结构物形状和地质条件比较复杂时的地 下结构抗震反应分析。它是采用有限元理论，将地震记录直接输入结构模型求 得结构的动力反应。这种方法不仅可以求得结构受地震作用时反应的最大值， 而且也可以观测到结构反应的全过程。同时也使结构的弹塑性反应分析成为可 能。动力反应分析法又可分为两种：一种是考虑土与结构的相互作用：另一种 是不考虑土与结构的相互作用。前者将土与结构当作由一定的边界条件联系起 来的整体系统来考虑，本文即采用这种方法；后者即不考虑结构的存在，把自 由场的地震位移反应当作相应的结构地震位移反应。 1 4 研究的意义和内容 国内外的很多沉管隧道中都设有竖井，竖井在沉管隧道中起着重要的作 用。可连接不同类型的隧道，如水下沉管与岸坡隧道，还可起到缓解列车通过 时的空气动力效应、通风换气等作用。 由于竖井分上下两部分，使得其动静力特性非常复杂，特别是在地震或高 速列车的动力作用下，其动力响应特性更加复杂，而且竖井与两边隧道的连接 部位又往往是抗震的薄弱部位。因此，对沉管隧道的竖井结构进行专门的动力 第7 页 i ! 查奎望查兰堡主兰竺堕苎 奎型堡竺壁望坚苎苎塑垫垄堑丝! ! 生 分析对保证合理的设计方案和结构、构造形式是非常重要的。 国外对于这样的大型建筑物，一般也要求进行专门的动力分析，特别是进 行地震反应分析。在日本，就拿多摩川隧道来说，他们在确定了输入地震动的 研究和地层条件的研究以及隧道周围地层的稳定性研究后，即开始针对隧道横 断面和竖井结构进行研究，由此可见对竖井研究的重要性。 因此，必须在南京长江沉管隧道的设计阶段对其稳定性进行彻底的分析， 以便能够保证全线的顺利修建，而不能象甬江隧道在事故发生后再设法补救， 我们应该一步到位。 基于上述的目的，本论文的研究内容为： l 、根据中国地质大学所做实验的结果，利用样条拟合的方法确定场地土 的连续动剪切模量和阻尼比与剪应变的关系曲线；确定竖井结构的动 力参数。 2 、根据设计单位提供的竖井设计方案和参数，研究确定竖井与周围土的 相互作用模型和振动( 地震及列车振动) 计算方法，并进行振动计算， 整理分析计算结果，得出竖井结构的最不利内力的大小以及发生的位 置以及不同相位的地震波对竖井响应的影响。 3 、根据现行铁路抗震设计规范，参照隧道结构对竖井按拟静力法进行抗 震计算，即将沉井井壁作为受动土压力和地震惯性力作用的结构来进 行静力计算，并与动力分析法的计算结果进行比较，探讨拟静力分析 的适用性。 4 、判断地震作用下竖井地基及周围土层的液化情况，对其进行了抗液化 分析。 5 、为了分析沉管隧道地基的稳定情况，分别选取三个典型分析断面来进 行判断。其主要考虑因素是细砂、粉砂在地基中分布的范围和覆盖层 的厚度，因为这是影响地基抗液化能力的主要因素。 第8 页 ! ! 立窒堕盔堂壁主堂垡堡苎 苎三兰坚茎垫垄垄墼塑盐竺塑兰一 第二章竖井动力参数和计算模型 2 1 土的动力参数 针对南京长江上元门沉管隧道的动力稳定性分析，中国地质大学受铁道部 大桥局委托用d t c 3 0 6 型电液伺服控制振动三轴仪对士的动力特性进行了试验 研究，获得了原始数据1 2 3 】，但这些数据并不是都符合实际情况，需要对其进行 加工整理，使之能够适应较大范围内剪应变；另外，虽然在实验中得到很多的 数据，但这些数据中有的偏差是很大的，在实际计算中也并不需要这些点的数 据，而需要求得其它点的数据，这就需要对测得的数据进行拟合分析，以求得 连续的动模量和阻尼比与剪应变的关系曲线。 2 1 1 样条拟合公式 设给定 个不等距结点 乃1 乃2 n 。一l - 9 6 ，逐级施加轴向动荷载直到试样破坏。在所取的土 样中其取样深度从1 8 2 9 3 6 8 0 m ，在这之间主要是粉砂或细砂，颗粒较均匀， 粘粒含量较高，其相对密度在o 4 8 一o 7 8 之间【2 3 】。在进行动模量和阻尼比试验 时，振动频率f = lh z ，泊松比v = o 5 ，固结应力比彪，= 1 0 ，1 5 ，2 0 ，有效围 压盯；从1 8 0 - - 3 5 0 k p a ，所加的动应力吼从1 2 3 - - 2 9 2 2 1 k p a ，所测的动应变 旬从3 5 7 i 0 一一9 8 2 1 0 ，所测的剪应变从5 3 5 1 旷6 1 4 7 1 0 ，所测 的动剪模量g 从1 4 5 4 0 9 0 1 0 4 k p a ，所测的阻尼比x 从0 0 2 2 一o 2 2 7 。因 最大动剪切模量g 。需要在很小动应变的条件下测定，动三轴仪在动应变很小 时，量测精度很差，不适用于测定g 。的值。但在实际计算中又需要g 。的值， 这就需要在试验测得的数据的基础上用样条拟合的方法推算出g 一的值。经样 第9 页 苎查窒望盔堂堡主堂焦堡苎 盔型望篁堕遵墅茎堕塑垫塑壁堡! ! 堑 条拟合后算得动剪模量g 的变化范围为1 4 9 8 0 4 6 1 0 4 舻a ，阻尼比的变化 范围 为0 0 1 0 - - 0 3 3 0 ，并且求出了它们各自的方差。如图2 - 1 、2 - 2 所示。 图2 - 1 周结比疋= 1 0 时动模【- 剪应变曲线的变化趋势 图2 2 同结比足。= 1 0 时阻尼比与剪应变曲线的垄弭匕葺壹势 图2 一l 、2 2 分别为所测土在一定的固结比下的g ，一，。( 凡一y ，) 的关系 曲线，是对所有的数据进行了样条拟合并求出在，。= l 1 0 4 、3 1 6 x 1 0 4 、1 1 0 、 3 1 6 1 0 一、l 1 0 4 、3 1 6 1 0 4 、1 1 0 一、3 1 6 x 1 0 一、1 1 0 。、3 1 6 1 0 、1 1 0 1 时的 g ，和 值，然后对拟合后的数据进行了加权平均，并且给出了g ，和凡的变化 范围，这样我们能够清楚地看出由实验所测得g 。和 的数据离散性较小。另外 还可从图2 1 、2 2 中得出，当剪应变在1 0 4 1 0 4 和l o 2 一l o 1 之间变化时，动 模量g 。和阻尼比 的变化较小，基本上呈一条水平直线：而当剪应变在1 0 4 1 0 。之间变化时，动模量q 和阻尼比 的变化较大。计算中应根据实际的儿选 择相应的动剪切模量g j 。当剪应变乃( 1 0 以后，动模量q 和阻尼比z 的变 化均很小，所以常用y 。= 1 0 4 作为测定g 。的最大应变值。 第1 0 页 ! ! 查奎堕查兰堡主兰篁堡塞! 坠三兰墨苎垫尘兰塑塑旦兰堕! ! 一 0 6 舾1 1 0 31 0 21 0 圈2 嵋在不同的周结比下动棱匮比( 平均值) 与剪窿变的关系曲线 圈2 _ 4 在不同的固结比下阻尼比( 平均值) 与剪应变的关系曲线 图2 3 、2 - 4 为所测土在不同的固结比下( k 。= 1 0 、1 5 、2 0 ) 的o j g 。 一乃和旯一乃曲线，从图2 - 3 、2 - 4 中可得出动模量比g d ，g 。和阻尼比 与 固结比k 。的变化基本上没有太大的关系。 1 0 e1 0 51 口41 0 31 0 21 0 1 圈2 _ s 实测土动模量曲线与s e e d 动楱量曲线的比较 将整理后的g d g 一一乃和a 一乃曲线与s e e d 曲线作了比较， 第1 i 页 6 为所测土的动模量比( 阻尼比) 和s e e d 曲线口5 1 ( 分砂土和粘土两钟情况) 的比 较。从比较结果来看，所绘曲线与s e e d 曲线有所差别，这说明在进行动力反应 分析时，我们应该采取场地土的g 厂儿和a 一乃曲线，而不能选用s e e d 曲线。 因为在剪应变一定时，选用较大的动剪切模量和阻尼比，会产生较大的荷载； 选用较小的动剪切模量和阻尼比，会产生较小的荷载。因此选用s e e d 曲线中的 动剪切模量和阻尼比会使计算结果偏于保守。 孽一 第1 2 页 苎查銮望查堂堡主兰竺丝苎 苎三塞坚茎垫生兰整塑茎苎竖! ! 一 j 、k 、m 的c 、妒参数为估算值，g 一为根据剪切波速估算值。 圈2 - 8 计算采用的地质剖面 表2 - i 剖面圈中各土层的主要馘 土层 应力比k y g 。缸 a c妒 编号 ( 1 矿舻口)( k a )( ) a1 5 1 7 b2 0 1 0 c2 5 7 20 0 5 54 41 2 d3 2 0 3 e3 9 6 3 f7 0 9 8 g1 51 0 1 0 49 3 8 7 0 0 5 202 1 3 h1 1 9 9 6 0 0 4 5o2 7 2 i1 3 9 1 2 j1 1 5 8 3 k1 6 5 3 1 l1 8 1 4 3 0 0 3 003 4 m2 0 4 0 9 第1 3 页 北方交通大学硕士学位论文 大型沉管隧道竖井结构动力特性研究 2 2 竖井结构材料参数和模型 2 2 1 竖井结构的材料参数 竖井结构的材料参数【2 6 1 如表2 - 2 所示 表2 - 2 混凝土的计算参数 容重动弹性模量 材料 泊松比 ( t ，m 3 )( 卯n ) 3 0 0 号钢筋混凝土 2 53 x 1 0 4o 2 5 2 0 0 号混凝土 2 3 3 x 1 0 4o 2 5 3 0 0 号片石混凝土 2 33 x 1 0 4o 2 5 2 2 2 竖并计算模型 2 2 2 1 模型的计算范围 在建立竖井抗震动力分析模型时，根据江北竖井的结构形式，以竖井平面 的四个边为基础，在地震作用方向，水平方向取1 0 0 m 土体参加计算。在垂直 于地震作用方向，在竖井外取5 0 m 土体进行计算，底部计算边界取到基岩，标 高为5 7 m ，分析模型的底边恰好位于基岩上。 对于上部结构。铁四院提供的资料中仅给出了结构的质量和高度，未给出 具体结构形式。因此，在计算中主要考虑其惯性作用，不考虑上部结构的刚度 特性，将竖井结构向上延伸，达到给定的上部结构质量7 0 0 0 t 为止。 同时，为了节约计算时间，利用结构关于在水平面上关于x = 0 和y = 0 坐标 平面的对称性，取1 4 进行计算。 2 2 2 2 有限元罔格划分 在进行有限元网格划分时，将竖井的钢筋混凝土底板和基础以及竖井底和 周围的土体均作为三维八节点实体单元，竖井井壁作为板壳单元。 2 2 2 3 边界约束条件 对于这些计算模型，在地震作用方向的侧向计算边界上采用边界单元，以 模拟计算中未包括的土体的影响，边界单元的刚度系数通过多次试算取为 5 0 0 0 0 k n m ，这时计算得到的竖井动力响应约相当于采用自由边界和固定边界 所得响应得平均值；在垂直于地震作用方向的侧向计算边界约束该方向水平位 移；在地震作用方向的对称面上，约束竖向位移；在垂直于地震作用方向的模 型对称面上，将该方向的水平位移和绕该轴的转角约束。 根据以上原则，在地震平行于隧道纵轴线方向作用时，包括竖井结构、地 基和基础以及竖井周围土体相互作用体系的有限元计算模型见图2 - 9 。图2 1 0 为该模型的两个垂直剖面。地震垂直于隧道纵轴线方向作用时，相互作用体系 的有限元计算模型见图2 - 1 1 。图2 - 1 2 为相应的垂直剖面。图2 1 3 为模型中的 竖井结构及其井壁位置示意图。 第1 4 页 北方交通大学硕士学位论文第二章竖井动力参数和计算模型 圈2 - 9 地震平行于隧道纵轴线作用时“向) 有限元模型示意圈 町 h 11 | i | 十 5 l ili ( a ) 尸7 5 削面 ( b ) x = 9 6 剖面 圈2 - l o 地震平行于隧道纵轴线作用时q 向) 有限元模型削面圈 第1 5 页 ! ! 塑銮望查兰堡= 竺堂垡堡壅 盔型望笪壁望墨茎堕燮垄塑堡! ! 生 圈2 1 l 地震垂直于隧道纵轴线作用时o 向) 有限元模型示意图 l z | i d i l 一_ l 1 1 j h f l1 l jf i 1 l |l l j j ( a ) x = 9 6 削面( b ) y = 7 5 削面 圈2 - 1 2 地震垂直予隧道纵轴线作用时( y 向) 有限元模型削面圈 第1 6 页 北方交通大学硕士学位论文第二章竖井动力参数和计算模型 竖 图2 - 1 3 竖井结构平面示意圈 第t 7 页 北方交通大学硕士学位论文 大型沉管隧道竖井结构动力特性研究 第三章竖井地震反应分析 针对本工程的场址，国家地震局地壳应力研究所进行了专门的场地地震安 全性评价( 2 ”，并提供了不同超越概率的人工合成基岩加速度。 本论文在对竖井结构进行分析时，采用了地震局提供的1 0 0 年超越概率为 2 的三个不同相位特性的基岩加速度时程，分别作为x 、y 两个水平方向的输 入对竖井一地基模型进行了分析计算，得到了竖井结构的内力和周围地层及竖 井地基的应力最大响应，并对计算结果进行比较。 图3 1 、3 2 、3 3 分别为分析中采用的三条地震加速度时程曲线。其中， 三条地震波的加速度峰值均为1 9 3 6 9 a l 。 圈3 - 21 0 0 年超越概率2 人工基岩地震加速度时程2 zg a 6 2 加速度 7 ( m s 2 ) 洲 圈3 - 31 0 0 年超越概率2 人工基岩地晨加速度肘程3 ig a 6 3 第1 8 页 些查奎望查堂堡主兰堡堡苎皇曼里坚苎些墨垦壁! ! ! l 3 1 地震波作用下竖井的内力响应 3 1 1 地震波沿隧道纵轴线方向似方向) 作用 3 1 1 1 竖井井壁的弯矩和扭矩 当地震波g a 6 1 、g a 6 2 、g a 6 3 平行于隧道纵轴线方向作用时，竖井井壁 各方向的弯矩和扭矩最大值见表3 - 1 。图3 - 4 3 9 为在三条地震波作用下各片井 壁的最大弯矩和扭矩沿井深度的分布。在地震波g a 6 1 、g a 6 2 、g a 6 3 作用下 各片井壁弯矩和扭矩的详细分布基本类似，为节约篇幅，仅做出在地震波g a 6 1 作用下各片井壁弯矩和扭矩的详细分布情况如图3 1 3 一1 5 所示。 从表3 - 1 可以看出，地震波沿隧道纵轴线方向作用时，最大弯矩和扭矩均 出现在外井壁的下部，即隧道穿过竖井的部位；地震波g a 6 2 作用时的井壁最 大弯矩和扭矩比g a 6 1 作用时小：地震波g a 6 3 作用时的井壁最大弯矩和扭矩 比g a 6 2 作用时大，与g a 6 1 作用时相近。 此外，还可看出当地震波沿x 方向作用时，与y 平面平行的井壁中的弯矩 和扭矩最大。 表3 - 1 地震波沿隧道纵轴线方向输入时量大弯矩和扭矩( k n n 1 ) 地震波 g a 6 lg a 6 2g a 6 3 弯矩方向m l i m 2 2m 1 2m l lm 2 2m 1 2m m 2 ：m 1 2 全竖井最大值1 0 9 3 53 9 7 6 7 1 3 6 68 4 0 13 1 4 91 0 2 41 0 4 9 53 9 3 5 88 3 7 平行于地 井壁a2 4o 6 0 40 90 20 21 1 60 40 4 震作用方井壁b1 5 82 4 52 7 51 3 12 0 82 3 21 6 92 6 92 9 1 向的井壁 井壁c1 4 0 3 1 2 0 81 1 6 71 2 0 99 8 81 0 2 41 5 0 11 2 81 2 6 2 垂直于地 井壁d1 9 27 7 92 7 47 3 73 0 4 21 0 61 8 4 27 6 0 42 0 2 震作用方井壁e8 23 3 7 62 9 96 32 6 5 72 4 47 8 93 2 2 23 1 1 向的井壁 井壁f1 0 9 3 53 9 7 6 71 3 6 68 4 0 13 1 4 97 2 71 0 4 9 53 9 3 5 88 3 7 ( a ) g a 6 1( b ) g a 6 2( c ) g a 6 3 圈3 - 4a 、b 、c 板最大弯矩m 。沿深度分布圈 第1 9 页 ! ! 杰奎望查堂堡主堂垡堕茎 查型塑笪堕望坚堑塑垫塑塑丝! ! 篓l 0 2 04 0 6 4 11 0i 1 2 01 4 0 0 2 0帅t l 帅1 2 0 ( a ) g a 6 1( b ) g a 6 2( c ) g a 6 3 圈3 - 5a 、b 、c 板最大弯矩m 2 ：沿深度分布图 - 2 0 i l6 0 ”1 0 01 2 0 1 4 0 o 2 04 t )砷1 0 ( a ) g a 6 1( b ) g a 6 2( c ) g a 6 3 圈3 - 6a 、b 、 第2 0 页 ! ! 查銮曼查兰堕主堂篁丝苎苎三兰坚茎些塞垦生! ：! ! 一 0 2 u4 06 0s 0 m1 2 01 4 0 1 6 0i 0 3 1 ) 0m 9 0 0 0 2 mm ( a ) g a 6 1( b ) g a 6 2( c ) g a 6 3 圈3 - 7d 、e 、f 板最大弯矩m 。沿深度分布图 di 2 4 0 03 m姗0j 1 0 0 0i 瑚洲 i m3 舢i 3 5 1，l 帖d i ，m2 0 0 02 ，3 删i3 ，4 0 0 0 ( a ) g a 6 1( b ) g a 6 2( c ) g a 6 3 圈3 - 8d 、e 、f 板量大弯矩m ：沿深度分布图 第2 l 页 ! ! 查奎望- 大兰堡主差焦丝兰 查型塑笪壁堂坚茎竺塑垫塑笪堡里! 塑_ 0 2 0 4 0i ) i 1 2 0 4 0 1 6 0 0 2 0 4 0 1 0i 岫1 2 0l 0 2 i ) 4 0j i m1 2 0j 1 6 0 ( a ) g a 6 1( b ) g a 6 2( c ) g a 6 3 圉3 - 9d 、e 、f 板最大扭矩m 。：沿深度分布图 3 14 44 4 3 14 34 4 2 63 83 6 2 13 22 9 1 52 32 1 0 91 22 3 b1 26 5 4 13 91 5 8 1 82 33 9 7 2 424 33 5 5 1 0 0 23 2 94 0 1 0 6 83 34 1 4 1 0 5 33 34 0 3 e 4 93 1 73 1 3 2 日81 4 71 5 9 5 32 4 65 6 4 1 0 51 7 8d 4 03 1 7 12 5 11 2 4 8 ( a ) 井壁a( b ) 并壁b( c ) 井壁c 圈3 1 0 地震波g a 6 1 作用时竖并井璧板a 、 第2 2 页 j ! 查奎望查堂堡主兰竺笙塞 塑三童坚苎坚垦皇坌! ! 一 1 60 71 7 1 11 1 1 o 7l0 9 o 7o 8o 8 1o 91 2 1 81 61 4 2 12 43 6 8 61 5 424 5 4 ，36 81 1 1 ( a ) 井璧a( b ) 并壁b( c ) 井壁c 图3 - 1 1 地震波g a 6 1 作用时竖井井璧板a 、b 、c 绕长边弯矩( m 。) 0 80 31 2 0 20 20 9 o 30 21