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1、盾构与地下空间技术 本科毕业设计（翻译）题目盾构与地下空间技术学生姓名答武强学号1108050154教学院系地球科学与技术学院专业年级城市地下空间工程2011级指导教师朱云华职称讲师单位地球科学与技术学院辅导教师职 称单位完成日期2015年06月Southwest Petroleum University Graduation ThesisGrade: 2011Name: Da Wuqiang Speciality: Urban Underground Space EngineeringInstructor: Zhu YunhuaSchool of Earth Scienc

2、es & Technology2015-61盾构与地下空间技术杂志主页：地下隧道对地表加速度的影响穆罕默德哈桑，rabeti Moghadam，马苏德，东秀金、尹旭秋a）结构工程基础研究中心，土木工程学院，伊朗科技大学，德黑兰，伊朗b)土木工程学院，伊朗科技大学，德黑兰，伊朗c)土木与环境工程学院，韩国高级科学与技术研究所，305-701大田，韩国文献信息：二一三年十一月十三日收到文章于二一四年六月三十日收到修订的形式二一四年七月录用二一四年八月可在线查阅关键词：离心模型试验 地下结构 数值模拟 加速度 地表1摘要设计了一系列的动态离心模型试验进行埋箱隧道的抗震性能研究。在这项研究中，

3、对同一试验使用有限差分软件进行进行数值模拟。模拟结果与离心模型试验中观察到的结果能够很好吻合。随后，进行数值验证模型对地下隧道箱体的地面加速度的影响参数研究。参数研究的结果显示，隧道存在长周期的放大和短周期运动的衰减，地下隧道可能对地面加速度或正或负的影响。因此，它的结论是，一个地下结构在地面上的加速度的影响可能是显着的，所以对城市地区的地震区划时应该考虑。11简介12离心机实验32.1韩国科学技术院的离心机设备规范42.2离心机的测试列表62.3砂的性能62.4地下隧道的规格62.5.仪器测试72.6输入运动73.该试验的数值模拟83.2边界条件83.3土壤参数103.4地下结构与土-结构相

4、互作用103.5分析113.6仿真结果124参数的研究124.1正弦输入运动164.2真实地震运动185结论1911简介在城市人口的快速增长导致了地上空间的一个重大不足，而且还导致了地下空间结构的增多。各种类型的地下空间结构包括了地下公用隧道，地铁隧道，地铁站，地下避难所，涵洞等，它们存在于很多大城市。在使用过程中，在地震荷载作用下这些结构的性能，许多专家已经做过了相应的研究实验和数值模拟（cilingir和madabhushi，2011a，b；hatzigeorgiou和Beskos，2010；鲁等人，2010）。地下结构的静态和动态的环境和邻近建筑物的相互作用。在过去地上建筑物对地下结构的

5、影响研究中，主要集中在地表沉降（格里亚扎等人，2009）。近年来，地下结构对地表地震响应的回应引起了研究者的关注，因为它得出结论，这些地下结构的存在也对附近地面的地震响应的影响（yiouta Mitra等人，2007）。由于地下空间与结构的影，地面加速度作为城市地区的地震区划的主要参数。然而关键的是，在目前的实践中，地下结构对地表加速度的影响，一直被忽视。因此，本研究旨在探讨在地面的地下隧道箱体对加速度的影响。他们提出了描述对地下洞室的影响地面运动产生的P，S或R波不同的分析解决方案（德拉温斯基，1983；Lee，1988；PAO，MAW，1973；smerzini等人，2009；Wong等人

6、，1985）然而，这些方法只是考虑一些简单的假设，如弹性介质中的分析。换句话说，其他因素，如土壤的非线性，则不考虑那些方法（西卡等人，2012）。Yiouta Mitra等人对土壤介质特性、激发频率、隧道直径、厚度）和衬表面的地面加速度进行了数值研究的综合性。他们的研究发现当进行地下结构设计时，应考虑地上的建筑。他们发现了地下空间结构的表面对附近的地面加速度的影响。关于另一个数值（2012年）的研究，孙、王的研究之间的差异表面的地面加速度在自由场条件下（没有地下结构和地下结构）。他们的研究还表明，地下结构的影响，有一个大的峰值加速度和反应谱的地面表面。它指出,只有少数几个实验研究是现

7、有建筑物上层重要地下结构中进行这方面的研究。 作为一个主要实验Abuhajar et al. (2011)进行的箱形隧道在地上的离心实验。他们的结论是，由于结构效应的存在，埋在土层下面是极大的减少地面峰值加速度的原因。他们的研究结果表明，现有建筑物覆盖下的地下结构有助于降低地震危险性（如箱形涵洞和隧道）。通过数值计算和实验研究的结果表明，由于地下的地下结构的存在，地面会对地震参数作出回应。因此，在这一领域的实践，进行综合性的数值实验研究，1是需要可靠的实验结论来支持的。 图1离心模型现场模拟实验在目前的研究中，一系列的动态离心模型试验是在韩国高等科技学院研究埋箱隧道的抗震性能，这些测试的结果是

8、用来验证进行数值模拟。然后，验证模型研究了地下隧道对加速度的影响在地面以输入运动特性的影响。图2离心机设备、离心实验使用的ESB盒、ESB盒的维数（c）表1列表离心分离机的测试及其技术指标（Choo et al，2011）测试ID土层条件覆土厚度（m）T157.38T2-1107.38T2-2107.38T37.38基岩上1.34m风化层土壤T4自由场：17.38m碎硅酸盐沙子相对密度(%)单位重度（g/cm³）内摩擦角（°）841.5745表2基本属性的硅酸盐的沙子2离心机实验设计该系列离心机试验是进行受地震荷载行为下的箱形隧道的研究。离心分离机的测试在40g加速,因此所

9、有原型尺寸在离心模型减少了40。不同的输入运动的PGA值，分别为适用于不同的模型。 试验所用的土是干的碎玻璃砂离心机。该位置的条件下，在离心机模型试验和剪切波速（Vs）的土壤剖面中的共振柱试验，如图1中所示。动态加载应用到该模型是基于在飞行振动表盒在离心机，Choo等人报道进一步的细节的测试安装程序，（2011年）。2.1韩国科学技术院的离心机设备规范在韩国科学技术院的离心机是用5米为半径做岩土工程离心机设备（图2a）。该有效载荷能力是240g-ton的最大加速度与130g静力试验。该离心分离机的设备能够使用一个动态加载的飞行振动台。该震动平台可以在无荷载情况下提供了40g的水平加速度，对70

10、0kg的荷载提供20g的加速度。该频率是，从40赫兹到300赫兹的频率范围内的模型的规模。Kim等人（2013a，b）给KAIST离心机设备制作了一个完整的规范。 图3原型测试T2-1 图4获取G/Gmax和避振曲线沙的硅酸盐图5横截面的形状隧道测试中所用及其尺寸(m)为了解决现场土层和模型容器有限边界的半无限边界冲突，ESB（等效剪切梁）采用框，如图2b所示。ESB的离心机箱内部尺寸是490毫米长，490毫米宽，630毫米高。外部尺寸是650毫米长，650毫米宽，650毫米高。ESB的箱形截面示意图，如图2c所示。Lee等人研究了在动态试验中的ESB模型容器的性能。图6(a)仪表的T4(自由

11、场)测试和(b)检测仪表的测试T2-1图7使用的离心机输入动作测试加速时程的和相应傅立叶频谱2.2离心机的测试列表离心机进行测试的列表和规范都在表1中给出，测试的原型大小T2-1如图图3中所示，该模型包括回填、回填和箱体隧道。 研究地下隧道对地表加速度的影响,选择两个模型的离心机测试(是否有无隧道)作为为数值验证。在目前的研究中,测试T4(自由场)被选为该模型没有隧道和测试T2-1被选为模型与地下隧道。进行这些测试的数值仿真结果进行了比较和验证对离心机测试结果。 2.3砂的性能在干燥条件对细砂使用的离心机测试。 砂的基本属性展示在表2。 测试砂的内摩擦角得到使用排水三轴压缩试验进行三种不同的极

12、限的50,100和200 kPa。非线性属性(G / Gmax模量换算系数,阻尼曲线)获得了这种类型的沙子从库伦测试试验进行的四组围压分别是25,50,100和200 kPa。 图4显示了G / Gmax和阻尼与剪切应变在不同围压应力水平。 2.4地下隧道的规格离心机测试中的地下结构建模从现有的箱形被选为地铁隧道在首尔,韩国。 箱形结构有19.6米长,一个矩形截面10.66米宽,7.38米高,如图5所示。 原型隧道材料与混凝土弹性模量24 GPa。上述箱隧道离心机模型尺寸缩减40，选择一个铝盒。考虑到标度律的离心模型试验研究，得到了这样的保证适当的建模是盒模型的挠度。2.5.仪器测试在自由场模

13、型的中心部分，水平加速是由放置在土层中的5个微型加速度仪器记录所得，如图6a。同时，15个微型加速度仪器安装测量箱体结构在T2-1试验土层的加速度。加速度计的布局在这个模型中的布置如图6 b所示。 加速度计A0 到A20,连接到ESB的底板盒子,分别对T4 和T2-1模型进行数值分析的基岩加速度模拟。2.6输入运动两种类型的输入运动,Kobe和Northridge地震、PGA的值不同,应用于离心模型。 图7显示了的输入动动作的时程和傅里叶频谱。 可以看到,Kobe运动主要的频率是1.4Hz,而Northridge运动包含一个从1到5的频率范围。 图8数值模拟的自由场(T4)和 T 2-1 2-

14、1 2-1测试、原型3.该试验的数值模拟使用FLAC 2D(拉格朗日快速连续分析）软件进行数值模拟分析。 这个软件,二维显式有限差分代码,因为它能够实现建模的非线性行为的土壤和土壤结构的相互作用。 在当前的研究中提出了数值模拟过程(测试T4和T2-1)两个进行了离心机测试。3.1建网在数值模拟中，离心机试验是在原型尺度建模。网格的大小是选择足够小以满足所要求的精度水平。此外，它还得满足合适波传播的标准尺寸。Kuhlemeyer和Lysmer(1973)表明,对准确的表示波传播模型,元素大小,Dl,与最高频率分量的输入波必须大概小于十分之一到八分之一的波长： （1）在是波长的波传播模型，有关土壤

15、的剪切波速(Vs)和最高频率的输入运动(fmax)由以下关系： （2）代入式（1）代入式（2）得到： （3）考虑到最低的土壤剪切等于150m/s考虑到最低的土壤剪切等于150m/s的速度，和最高频率的输入运动等于10 Hz，得到1.5m。应该指出的是，在数值分析中的最大元素的大小，运动的频率高于10Hz的过滤。在这里进行的有限差分分析，用0.5m的网格尺寸与最大0.5m的矩形平面应变单元。3.2边界条件离心机的模拟测试是目前研究的主要问题， 离心机框的底部边界的数值模拟和仿真的ESB箱行为是影响仿真结果的重要因素。 这些边界条件,在数值模型中,被认为是如下: 在动态分析,将有代表性的运动通过刚

16、性或具有兼容性的FLAC软件输入到模型中。 刚性基础,一个指定的加速度时程模型的底部。 兼容的基础,一个固定的(或吸收)指定边界的基础数值模型和输入运动应用应力历史(Mejia和道森,2006)。 离心机的离心试验,底部框作为一个刚性边界。 这种刚性边界模拟地震基岩，反映了平稳的运动到介质之上。 因此,不存在辐射阻尼离心机测试。 在离心机的数值模拟的测试中,底部边界也被假定为刚性边界,由一个弹性岩石建模与原型的属性基岩层,延长隧道的两倍高度的半空间（如岩石层厚度为15 m）。输入运动的数值模型底部边界在水平加速度时程表的应用。为了更准确地模拟数值模型的ESB箱侧边界，考虑以下三种不同的侧边界条

17、件：模型与自由场的边界条件，在FLAC软件存在的动态分析模拟吸收边界；模型与横向边界距离地下很远的隧道；模型与边界条件，模拟了ESB箱行为。三种不同的模型的结果与试验结果比较，发现侧边界条件模拟ESB箱行为模型能很好地捕捉离心机试验结果。模拟如下这种模式的侧边界条件。图9已安装Hardin的drnevich模型G/gmax-C数据和(b)拉伸滞后环路模拟了考虑离心模型试验中使用的主要特征是ESB盒的侧边界数值模型。在ESB箱侧边界，所有节点具有相同的高度，有沿X轴的振动方向相同的位移，在垂直方向上没有位移（Y轴）。因此，模拟数值模型的边界条件，用1 mm大小的单元用于在模型侧边界。衬管节点都与

18、土壤之间的节点和滑动和分离节点和内层节点都被忽略了。 新的模块衬里元素设置为相同土壤。 在横向边界,所有节点具有相同高度被迫在同一方向有相同的水平位移在FLAC使用从动命令。 垂直运动模型的横向边界节点的也是固定的。相似的边界条件被Lu zen 等人(2010)应用层流剪切盒的数值模拟振动台的有限元分析。3.3土壤参数相同的降解曲线，如常见的计算方法，用于模型滞回阻尼进行非线性动力分析（Itasca咨询小组，2005）。作为代表的剪切模量折减系数的变化，循环剪切应变（C），哈丁Drnevich模型，在数值模拟的进行： （4）这些参数定义为剪切应变的弹性模量折减系数为0.5（Itasca咨询组，

19、2005）。所有曲线，供砂与共振柱试验获得的，如图4所示，符合哈丁Drnevich模型引入到软件。图9A显示符合哈丁Drnevich模型对G / Gmax的土壤数据。滞后阻尼参数进行相应的深度分为土壤层。应力应变滞回曲线元素在自由场模型中高度图9b所示。剪切模量屈服的突然改变和应力逆转造成数值失真，导致“'migrating”应力应变响应。为了尽量减少这种失真，将附加阻尼模型的惯例，通常是23%。因为在这里进行的分析，应用3%个额外的瑞利阻尼。自由振动分析结果表明，2.7和3.6 Hz分别为最低频率T2-1和T4模型。因此，阻尼比3%在这些频率已用于分析。莫尔库仑模型的弹塑性模型采用的

20、土料。如图1所示，土的弹性模量变化与深度。同样的趋势被分配到数值模拟的土壤材料。土壤材料的泊松比为0.3的分析，该模型塑性参数被分配到基于土壤性质表2给出的土料。 3.4地下结构与土-结构相互作用地下隧道结构由弹性结构梁单元建模。地下结构与周围土体之间的相互作用，使用界面元素与莫尔库仑模型行为。土壤的结构与土相互作用隧道箱体包括正常和剪切弹簧的刚度参数（KN和KS）和土壤及地下隧道箱体之间的摩擦系数（D）。FLAC手册（Itasca咨询组，2005）建议作为一个经验法则，KN和KS被设置为十倍邻近区域的等效刚度（方程（5）。 （5）在式（5），K和Gmax是散装和小应变剪切模量和dzmin在接

21、口表面的法线方向的一个区的最小宽度。最大 符号表示的最大值在所有区域相邻的界面（Itasca咨询组，2005）利用混凝土材料性能的最邻近区在式（5），得到4 *10 11帕/米值KN和KS .KN和Ks值很大，不应该被使用，因为它们造成不必要的小的时间的步骤，因此，不必要很长的计算时间（Itasca咨询组，2005）。因此，获得的值分别降为10 Pa/m当前研究这种减少是不影响检验结果。此外，计算时间大幅度提高。对于接触面单元的摩擦系数的参数（D），在文献中报道的值，并通过Gó梅茨等人提出的。常见的D值之间的沙子和混凝土材料为摩擦角30 。然而，参数研究的作者发现在界面参数变化很小的

22、不显着影响的验证结果为地下隧道周围土介质及其位移是有限的。图10与自由场比较得出的数值结果3.5分析该模型首次引入了静态平衡的土壤和地下结构的自重下。随后，动态进行数值分析，在模型底部边界应用输入加速度时程。10- 5秒的时间步长选择的动态分析。在动态分析的模型，得到了不同位置的加速度时程。 表3界面单元的属性界面单元的属性常规刚度Kn（Pa/m）剪切刚度Ks（Pa/m）摩擦角（。）10101010303.6仿真结果自由场的数值试验（T4）和地下结构的测试（T2-1）进行和结果报告。在分析中，加速度时程的图像图10。数值计算结果与自由场试验记录在离心模型试验中的安装加速度计相同的位置获得（图6

23、）。从数值模型得到的加速度时程与相应实测加速度时程的离心模型试验中对T4和T2-1模型相比。模拟结果与神户地震的比较（PGA = 0.075g）作为输入运动和自由场试验记录（T4）如图10所示。为了更好的比较，相应的傅立叶谱各加速度时程也在数字的右部描绘。为从这些数字可以看出，数值模型能较好地模拟自由场模型。与神户地震数值模拟的结果之间的比较（PGA = 0.191g）作为输入运动，并与地下结构的离心机试验记录（测试T2-1）如图11所示。由于可以从加速度时程和相应的傅里叶谱，数值分析，准确的预测和离心机的测试的加速度幅值以它们的频率内容的发展趋势。但与上述相同的比较为北岭地震（PGA = 0

24、.088g）和离心试验T2-1记录如图12所示。从比较结果可以看出，数值模型可以正确预测的离心模型试验中记录的趋势以及它们的振幅，当Kobe运动一样。在图1012给出的数据证明了数值模型可以正确地捕获的离心模型试验中的动态行为，为进一步的参数研究的可靠工具。4参数的研究 有许多参数，如土壤介质的特性，激发频率，隧道直径，隧道埋深，并在地面加速度线性影响地下结构的存在相对的灵活性。利用经过验证的数值模型，进行参数研究，探讨地下隧道对地表加速度等的影响，重点对输入的运动特性。在这方面，在地面以上的地下隧道加速度在自由场的相应值比较。在进行参数研究，地表是指在地面表面位于垂直对称线的地下隧道如图6b

25、加速度计。输入运动特性的影响，对地下隧道的存在下的地面加速度分别考察了正弦和实际地震运图11离心测试模拟出的T2-1数据与Kobe运动比较图12离心测试模拟出的T2-1数据与Northridge运动比较图13谱加速度在5Hz的频率为输入的运动幅度值不同的地面动的结果在下面的讨论。4.1正弦输入运动在地面研究地下隧道对加速度的影响，正弦输入运动具有不同的振幅和频率，在分析中使用。在地面与周期不同的振幅谱加速度和5 Hz的输入运动的频率，如图13所示。从图中可以看出，该箱型隧道存在deamplifies地表加速度的幅值与这里考虑的所有价值自由场的重视。为增加输入运动的幅度，盒模型的最大响应发生在更

26、长的时间相对于自由场。在地面的放大率（pgatunnel / pgafree场）是阴谋反对输入运动幅度为图14中的频率不同。从这个图，可以看出，一个地下隧道施工对地表加速度的影响取决于输入的运动的频率内容。在这项研究中，隧道的存在导致衰减率50%相比，5赫兹的PGA = 0.05g和频率的输入运动的自由场。另一方面，隧道的存在放大的地面加速度为输入的运动被认为是在这项研究中用1 Hz的频率的振幅对自由场的尊重。在数值分析得到了相同的趋势，在离心模型试验中观察记录。在地面与基岩输入的加速度峰值加速度曲线图15A的自由场和T2-1离心模型试验。离心模型试验中，模型隧道和神户地震的地震动输入，放大在地面加速度。图15 PGA在地面与基岩PGA在离心机试验（b）的参数研究与自由场模型的比较。隧道的存在加速度，北岭地震中观察到相反的趋势。地面与自由场模型的比较。类似的趋势也在数值参数研究与正弦运动进行观察，以1 Hz和2.5 Hz的频率，如图15b所示。相反的趋势，在实验和数值模型的两个输入运动的观察，是输入运动的频率相关的内容。神户地震是一种以1.4 Hz的卓越频率的低频运动，而北岭地震是一个相对高频率运动的卓越频率约3Hz（图7）。因此，对地表加速度的影响可预