[发明专利]一种区间隧道抗震数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种富水地区区间隧道的数值模拟方法，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，土层采用实体单元模拟；步骤二：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；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x方向(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。

技术领域

本发明公开了一种区间隧道抗震数值模拟方法。

背景技术

随着地下空间开发和地下结构建设规模的不断扩大，地下结构的抗震设计及其安全性评价的重要性、迫切性越来越明显。不过，地下结构的地震响应有明显的地域特征，受场地地质条件和地震小区划条件的影响显著，而目前针对富水地层的地下结构抗震特性研究还比较欠缺。因此，为适应轨道交通发展的需要，有必要结合富水地层特殊的水文地质条件，对地铁区间隧道抗震设计的理论分析和数值模拟方法开展研究，从而指导区间隧道的抗震设计，提高其抗震防御水平。

现有技术中对轨道交通地下结构的抗震设计数值模拟计算方法主要有反映位移法、反映加速度法和时程分析法，前两者简化计算方法，不仅精度不高，还不能计算富水土体与结构耦合作用情况；而时程分析方法适用范围较广，被认为是可靠度和精度较高的计算方法，能够计算地震反应过程中各时刻结构的内力和变形状态，结果较为准确，可以用于各种复杂形状的连续或非连续体问题，能较好的反应各种复杂的材料特性。

在建立区间隧道三维有限元模型时，土体非线性动黏弹塑性本构模型主要有Hardin-Drnevich模型、Ramberg-Osgood模型和Davidenkov模型。Hardin-Drnevich模型具有形式简单、参数物理意义明确、应用方便等优点，可较好地模拟砂土、粘土等强度较低时的G_d/G_dmax～γ_d曲线的变化规律。Ramberg-Osgood模型的缺点是参数a、r的物理意义不明确，屈服剪应力τ_y的确定较为困难，且因为模型自变量中含有剪应力，在实际应用中不方便。Davidenkov模型的优点在于可通过调整参数来更好地拟合试验数据，但其缺点在于：参数A、B和β的物理意义不明确，不能从试验中获取，且参数取值没有标准，在试验数据较多时就会造成拟合数据杂乱、无规律；另外，屈服剪应变γ_y的确定较为困难。

发明内容

本发明是基于三维比奥固结渗流理论，以动力本构模型为基本模型，建立考虑水-土-结构共同作用下的三维动力耦合模型，结合渗流场和应力场的二次耦合作用，分析模拟富水地区内区间隧道在地震中的安全稳定性和动力响应机理，从而指导富水地区特殊水文地质条件下区间隧道的抗震设计，提高其抗震防御水平。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种富水地区区间隧道的抗震数值模拟方法，主要包括以下步骤：

步骤一，建立土-地铁区间隧道的三维有限元模型，确定土体本构模型以及区间隧道的管片参数；

步骤二：在区间隧道三维有限元模型中确定监测点的布置方案，设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；

步骤三：基于隧道区间动力分析，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x方向(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。

进一步的，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：

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：