[發明專利]一種區間隧道抗震數值模擬方法

有效

• 申請號: 201710261021.2
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107122536B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 商金華;徐西永;王國波;王鑫;王曉昱;毛榮吉
• 申請（專利權）人: 濟南軌道交通集團有限公司
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發明公開了一種富水地區區間隧道的數值模擬方法，主要包括以下步驟：步驟一，計算地震波，建立區間隧道三維有限元模型，土層采用實體單元模擬；步驟二：確定區間隧道的抗震設防烈度，輸入基巖地震波，分別計算地鐵區間隧道在設防地震和罕遇地震作用下的位移和內力響應；步驟三：基于常規的隧道區間動力分析，同時考慮地下水滲流作用對區間隧道的影響，建立地鐵區間隧道水?土?結構的三維耦合模型，并沿x方向(垂直于隧道區間方向)于模型基巖處輸入地震波得到三維滲流模型的位移和內力反應結果。

技術領域

本發明公開了一種區間隧道抗震數值模擬方法。

背景技術

隨著地下空間開發和地下結構建設規模的不斷擴大，地下結構的抗震設計及其安全性評價的重要性、迫切性越來越明顯。不過，地下結構的地震響應有明顯的地域特征，受場地地質條件和地震小區劃條件的影響顯著，而目前針對富水地層的地下結構抗震特性研究還比較欠缺。因此，為適應軌道交通發展的需要，有必要結合富水地層特殊的水文地質條件，對地鐵區間隧道抗震設計的理論分析和數值模擬方法開展研究，從而指導區間隧道的抗震設計，提高其抗震防御水平。

現有技術中對軌道交通地下結構的抗震設計數值模擬計算方法主要有反映位移法、反映加速度法和時程分析法，前兩者簡化計算方法，不僅精度不高，還不能計算富水土體與結構耦合作用情況；而時程分析方法適用范圍較廣，被認為是可靠度和精度較高的計算方法，能夠計算地震反應過程中各時刻結構的內力和變形狀態，結果較為準確，可以用于各種復雜形狀的連續或非連續體問題，能較好的反應各種復雜的材料特性。

在建立區間隧道三維有限元模型時，土體非線性動黏彈塑性本構模型主要有Hardin-Drnevich模型、Ramberg-Osgood模型和Davidenkov模型。Hardin-Drnevich模型具有形式簡單、參數物理意義明確、應用方便等優點，可較好地模擬砂土、粘土等強度較低時的G_d/G_dmax～γ_d曲線的變化規律。Ramberg-Osgood模型的缺點是參數a、r的物理意義不明確，屈服剪應力τ_y的確定較為困難，且因為模型自變量中含有剪應力，在實際應用中不方便。Davidenkov模型的優點在于可通過調整參數來更好地擬合試驗數據，但其缺點在于：參數A、B和β的物理意義不明確，不能從試驗中獲取，且參數取值沒有標準，在試驗數據較多時就會造成擬合數據雜亂、無規律；另外，屈服剪應變γ_y的確定較為困難。

發明內容

本發明是基于三維比奧固結滲流理論，以動力本構模型為基本模型，建立考慮水-土-結構共同作用下的三維動力耦合模型，結合滲流場和應力場的二次耦合作用，分析模擬富水地區內區間隧道在地震中的安全穩定性和動力響應機理，從而指導富水地區特殊水文地質條件下區間隧道的抗震設計，提高其抗震防御水平。

本發明采用的技術方案如下：

本發明提供了一種富水地區區間隧道的抗震數值模擬方法，主要包括以下步驟：

步驟一，建立土-地鐵區間隧道的三維有限元模型，確定土體本構模型以及區間隧道的管片參數；

步驟二：在區間隧道三維有限元模型中確定監測點的布置方案，設定區間隧道的抗震設防烈度，輸入基巖地震波，分別計算地鐵區間隧道在設防地震和罕遇地震作用下的位移和內力響應；

步驟三：基于隧道區間動力分析，同時考慮地下水滲流作用對區間隧道的影響，建立地鐵區間隧道水-土-結構的三維耦合模型，并沿x方向(垂直于隧道區間方向)于模型基巖處輸入地震波得到三維滲流模型的位移和內力反應結果。

進一步的，所述地震波的計算方法如下：

采用時程分析法進行地震波計算，基本方程為：

基于三維比奧固結滲流理論，忽略地下水的可壓縮性，僅僅考慮土體中孔隙的可壓縮性，結合達西定律可得到公式：