层状TI饱和半空间中地下隧道地震响应分析研究

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1、层状TI饱和半空间中地下隧道地震响应分析研究Seismicresponseanalysisofundergroundtunnelinmulti-layeredTIsaturatedhalf-space工程领域：建筑与土木工程作者姓名：段化贞指导教师：巴振宁副教授企业导师：李进军高级工程师天津大学建筑工程学院二零一七年十一月摘要近年来，不少学者研究了不同场地中隧道对地震波的散射问题，但多限于各向同性介质。由于长期风化和沉积作用，天然岩土体表现出明显的横观各向同性（TI）性质，加之当前许多运营中或在建的地铁等隧道结构位于沿海地区的饱和场地，因而引入TI饱和介质模型研究衬砌隧道对地震波的散射问题在结

2、构抗震等方面具有特别重要的工程意义。本文应用二维多域间接边界元方法研究了层状TI饱和半空间中地下衬砌隧道对地震波的散射问题，主要工作如下：1、基于Biot理论，本文建立了TI饱和半空间场地模型，推导了平面内土骨架位移、孔隙流体位移以及应力和孔压的表达式，进而建立了TI饱和土层和半空间的精确动力刚度矩阵，并进一步求解了qP1和qSV波入射下的自由波场。通过与已发表文献结果的比较验证了方法的正确性，并且研究了波的入射角度和介质各向异性等因素对场地动力特性的影响。2、利用层状TI饱和场地的精确刚度矩阵结合傅里叶变换，推导了波数域中层状TI饱和半空间中作用均布斜线荷载及孔压的动力格林函数，通过与已发表

3、文献结果的比较验证了方法的正确性，并且给出了直角坐标系下位移（包括流体相对于固体的位移）、应力和孔压在均布斜线荷载作用下的频域解。3、为求解弹性波作用下TI饱和半空间中衬砌隧道的地震响应，本文采用TI饱和半空间格林函数和全空间格林函数分别模拟层状TI饱和半空间开口域和衬砌闭合域的散射波场，利用直接刚度法求解自由波场，通过求解所建立的边界条件从而得到总波场反应。通过与已有结果的比较验证了方法的正确性，并给出了均匀和单一土层TI饱和半空间中地下衬砌隧道对弹性波的散射数值算例，对地表位移和衬砌内壁应力集中因子结果进行分析，研究了介质各向异性、边界排水条件、波的入射角度以及频率等因素对隧道地震响应的影

4、响。研究表明，介质的各向异性对衬砌隧道的地震响应有着重要影响，同时响应大小还依赖于波的入射角度和频率和边界透水条件等因素。此外，基岩上单一土层TI饱和场地中地下衬砌隧道对地震波的散射效应与均匀TI饱和半空间的情况存在较大差异。关键词：横观各向同性饱和，衬砌隧道，间接边界元法，自由波场，格林函数IABSTRACTInrecentyears,manyscholarshavestudiedthescatteringofseismicwavesbytunnelsindifferentsites,buttheseresearchesaremostlylimitedtoisotropicmedia.Due

5、tothelong-termweatheringandsedimentation,thenaturalrock-soilmassshowsobvioustransverselyisotropic(TI)properties.Inaddition,manytunnelsunderoperationorunderconstruction,suchassubways,arelocatedinthesaturatedareasofthecoastalareas,thereforetheintroductionofTIsaturatedmediummodeltostudythescatteringofs

6、eismicwavesbyliningtunnelhasespeciallyimportantengineeringsignificanceinstructuralseismicresistance.Inthispaper,two-dimensionalmulti-domainindirectboundaryelementmethodisappliedtostudythescatteringofseismicwavebyundergroundliningtunnelsinamulti-layeredTIsaturatedhalf-space.Themainworkisasfollows:1.B

7、asedontheBiot’stheory,themodelofTIsaturatedhalf-spaceisestablishedandtheexpressionsofthedisplacementsofthesolidskeletonaswellasoffluid,stressandporefluidpressurearededucedinthispaper.Thentheaccuratedy