顺层隧道地震响应的波动方法研究
发布时间：2020-02-23 10:46
【摘要】：顺层岩体是隧道工程中常见的地质情况,震害突出,但尚无有效的地震响应分析方法,因而难以深入研究其响应机制和规律。为此,建立一种地震波动输入方法及相应公式,该方法以有限元法与时域波动分析法相结合,采用黏弹性人工边界,基于顺层岩体的横观各向同性本构关系,考虑岩体中地震波的偏振特性和相速度变化特点,适用于地震波斜入射方向与隧道纵断面平行的情况。同时,为验证所提出方法的实用性和可行性,应用其分析某顺层岩体中高速铁路隧道结构的地震响应规律。结果显示:当岩层水平或竖直时,则qP波引起的衬砌内力包络图对称;当岩层倾斜时,则qP波引起的衬砌内力包络图不对称,不对称性的幅度与岩层倾角相关;岩层倾角不同,则弯矩值相差较大;弯矩包络图无论对称与否,环向弯矩极值均位于拱脚处,而纵向弯矩极值却位于拱顶和仰拱处。此外,作为对比分析,又将岩层简化为各向同性介质,采用该方法进行计算,结果发现:P波引起的衬砌内力包络图对称,且内力包络图与将岩层简化为横观各向同性介质时相接近。这进一步验证了提出方法的合理性和可靠性。
【图文】：
?量相互正交，P波的偏振方向与传播方向一致，而S波的偏振方向与传播方向垂直。而在横观各向同性介质中却有所不同[22，24]：S波会产生横波分裂现象，除在特定的方向上外，2个S波分别以不同的相速度和偏振方向传播[22]；SH波偏振方向与传播方向垂直，且SH波偏振方向与横观各向介质对称轴方向垂直；qP波偏振方向与传播方向不平行，存在一定夹角；qSV波偏振方向与传播方向不垂直，存在一定夹角[24]。(2)偏振方向和相速度为描述各变量之间的关系及出于计算需要，本文引入多个坐标系，各坐标系的空间关系如图1所示。图1各坐标系间的空间关系Fig.1Relationsamongdifferentcoordinatesystems图1中，Ox0y0z0为岩层本构坐标系；Oxryrzr为引用梁锴等[22-24]坐标系；Oxyz为本文观察坐标系(总体坐标系)；Ox'y'z'为传播坐标系；0为岩层倾角，即横观各向同性介质对称轴与zr轴正向的夹角，从正yr轴来看顺时针方向为正；为地震波入射角，即－z'轴与z轴的夹角。在坐标系Oxryrzr中，根据梁锴等[22]可知各类地震波偏振方向T()xyzpp，p，p的精确通解，根据吴国枕等[24]可知各类地震波相速度的精确解。传播坐标系Ox'y'z'是为计算平面波传播应力而引入的，－z'为平面波传播方向。为极化角，即传播方向与zr轴正向的夹角；为方位角，即从正zr轴来看自xr轴按逆时针方向转到传播方向在Oxrzr平面内投影所转过的角。当地震波斜入射方向平行于顺层隧道纵断面时，如图2和1所示，极化角为π/2，方位角为π/2。为进行各物理量在不同坐标系间的转换，需要明确坐标系之间的对应关系：在坐标系Oxryrzr中，总体坐标系Oxyz各轴的方向向量分别为：
，从正yr轴来看顺时针方向为正；为地震波入射角，即－z'轴与z轴的夹角。在坐标系Oxryrzr中，根据梁锴等[22]可知各类地震波偏振方向T()xyzpp，p，p的精确通解，根据吴国枕等[24]可知各类地震波相速度的精确解。传播坐标系Ox'y'z'是为计算平面波传播应力而引入的，，－z'为平面波传播方向。为极化角，即传播方向与zr轴正向的夹角；为方位角，即从正zr轴来看自xr轴按逆时针方向转到传播方向在Oxrzr平面内投影所转过的角。当地震波斜入射方向平行于顺层隧道纵断面时，如图2和1所示，极化角为π/2，方位角为π/2。为进行各物理量在不同坐标系间的转换，需要明确坐标系之间的对应关系：在坐标系Oxryrzr中，总体坐标系Oxyz各轴的方向向量分别为：x图2三维平面波斜入射示意图Fig.2Diagramofthreedimensionalplanewaveincidence
本文编号：2582162
【图文】：
?量相互正交，P波的偏振方向与传播方向一致，而S波的偏振方向与传播方向垂直。而在横观各向同性介质中却有所不同[22，24]：S波会产生横波分裂现象，除在特定的方向上外，2个S波分别以不同的相速度和偏振方向传播[22]；SH波偏振方向与传播方向垂直，且SH波偏振方向与横观各向介质对称轴方向垂直；qP波偏振方向与传播方向不平行，存在一定夹角；qSV波偏振方向与传播方向不垂直，存在一定夹角[24]。(2)偏振方向和相速度为描述各变量之间的关系及出于计算需要，本文引入多个坐标系，各坐标系的空间关系如图1所示。图1各坐标系间的空间关系Fig.1Relationsamongdifferentcoordinatesystems图1中，Ox0y0z0为岩层本构坐标系；Oxryrzr为引用梁锴等[22-24]坐标系；Oxyz为本文观察坐标系(总体坐标系)；Ox'y'z'为传播坐标系；0为岩层倾角，即横观各向同性介质对称轴与zr轴正向的夹角，从正yr轴来看顺时针方向为正；为地震波入射角，即－z'轴与z轴的夹角。在坐标系Oxryrzr中，根据梁锴等[22]可知各类地震波偏振方向T()xyzpp，p，p的精确通解，根据吴国枕等[24]可知各类地震波相速度的精确解。传播坐标系Ox'y'z'是为计算平面波传播应力而引入的，－z'为平面波传播方向。为极化角，即传播方向与zr轴正向的夹角；为方位角，即从正zr轴来看自xr轴按逆时针方向转到传播方向在Oxrzr平面内投影所转过的角。当地震波斜入射方向平行于顺层隧道纵断面时，如图2和1所示，极化角为π/2，方位角为π/2。为进行各物理量在不同坐标系间的转换，需要明确坐标系之间的对应关系：在坐标系Oxryrzr中，总体坐标系Oxyz各轴的方向向量分别为：
，从正yr轴来看顺时针方向为正；为地震波入射角，即－z'轴与z轴的夹角。在坐标系Oxryrzr中，根据梁锴等[22]可知各类地震波偏振方向T()xyzpp，p，p的精确通解，根据吴国枕等[24]可知各类地震波相速度的精确解。传播坐标系Ox'y'z'是为计算平面波传播应力而引入的，，－z'为平面波传播方向。为极化角，即传播方向与zr轴正向的夹角；为方位角，即从正zr轴来看自xr轴按逆时针方向转到传播方向在Oxrzr平面内投影所转过的角。当地震波斜入射方向平行于顺层隧道纵断面时，如图2和1所示，极化角为π/2，方位角为π/2。为进行各物理量在不同坐标系间的转换，需要明确坐标系之间的对应关系：在坐标系Oxryrzr中，总体坐标系Oxyz各轴的方向向量分别为：x图2三维平面波斜入射示意图Fig.2Diagramofthreedimensionalplanewaveincidence
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