[发明专利]一种区间隧道抗震数值模拟方法

权利要求书

1.一种富水地区区间隧道的数值模拟方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤一，计算地震波，建立区间隧道三维有限元模型，确定土体本构模型以及土层、管片、阻尼对象参数；

步骤二：在区间隧道三维有限元模型中布置监测点，位移监测点布置在盾构左线和右线的供顶、拱底、左拱腰和右拱腰；应力和内力监测点沿着盾构左线和右线布置一圈，一圈布置8个测点，8个测点均匀布置；确定区间隧道的抗震设防烈度，输入基岩地震波，分别计算地铁区间隧道在设防地震和罕遇地震作用下的位移和内力响应；所述的区间隧道三维有限元模型时，模型的力学边界条件取为在模型四周及底面边界施加法向约束，水力边界采用不透水边界；模型上部为自由边界，水力边界采用透水边界；模型的动力学边界为模型周围采用自由场边界模拟土体无限场地的效果；

步骤三：基于常规的隧道区间动力分析，同时考虑地下水渗流作用对区间隧道的影响，建立地铁区间隧道水-土-结构的三维耦合模型，并沿垂直于隧道区间方向于模型基岩处输入地震波得到三维渗流模型的位移和内力反应结果；

步骤3中分别计算有承压水作用和无承压水作用时，区间隧道各监测点的位移极值进行区间隧道整体变形比较，根据区间隧道各监测点拱顶和拱底相对位移极值，计算区间隧道倾斜角是否满足规范要求；直径变形率是否满足规范要求，盾构隧道横截面最大直径变形量为拱顶和拱底的竖向相对位移；区间隧道各监测点的弯矩、剪力、轴力极值，分析是否存在安全隐患。

2.如权利要求1所述的富水地区区间隧道的数值模拟方法，其特征在于，所述地震波的计算方法如下：

采用时程分析法进行地震波计算，基本方程为：

其中{u}为结点位移列阵；[M]为体系的整体质量矩阵；[C]为体系的整体阻尼矩阵，[C]＝α[M]+β[K]，其中α和β为由试验确定的系数；当采用瑞利阻尼时，可取α＝λω₁，β＝λ/ω₁；式中λ为阻尼比，ω₁为体系的自振频率；[K]为体系的整体刚度矩阵；{l}为元素均为1的列阵；为输入的地震加速度时程曲线；{F(t)}为荷载向量列阵；为结点速度列阵；为结点加速度列阵；

基于三维比奥固结渗流理论，忽略地下水的可压缩性，仅仅考虑土体中孔隙的可压缩性，结合达西定律可得到公式：

岩土介质的三维Biot流固耦合的连续介质模型为：

其中p为静水压力(Pa)；z为位置水头高度(m)；g为重力加速度(m/s²)，一般取值9.8；ρ_w为流体的密度(kg/m3)；t为时间；ε_v为单元的体积应变；K_V为岩土介质的体积变形模量；G为岩土介质的剪切变形模量；为拉普拉斯算子；u_x,u_y,u_z分别是x,y,z三个方向上的岩土介质的位移；X,Y,Z分别是x,y,z三个方向上单元体的应力；K为渗透系数(m/s),x,y,z为三维坐标系的三个方向。

3.如权利要求1所述的富水地区区间隧道的数值模拟方法，其特征在于，所述土层采用实体单元模拟，各地层视为各向同性Mohr Coulomb理想弹塑性材料，管片采用壳单元模拟，阻尼取为滞后阻尼，土体动本构关系采用Hardin-Drnevich模型，其动剪切模量比G_d/G_dmax和阻尼比λ参数的计算公式为：

其中G_d为动剪切模量；G_dmax为最大剪切模量；γ_d为动剪应变；γ_r为参考剪应变；λ_max为最大阻尼比。