CN109252552B - 一种地下结构的渐变刚度减震设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下结构的渐变刚度减震设计方法，该设计方法包括以下步骤：获取地下结构和围岩的抗压强度值，根据地下结构和围岩的抗压强度值确定地下结构和围岩之间的强度差异；根据地下结构和围岩之间的强度差异，在地下结构和围岩之间设置渐变刚度减震层。通过设置渐变刚度减震层，当地震波从地下结构传播到渐变刚度减震层时，由于渐变刚度减震层的刚度并不是均一的，地震波在渐变刚度减震层中传播的过程中会释放掉大量的能量，从而减小了地震波对围岩的冲击，起到良好的对围岩的减震效果。

Description

一种地下结构的渐变刚度减震设计方法

技术领域

本发明涉及地下结构减震技术领域，具体而言，涉及一种地下结构的渐变刚度减震设计方法。

背景技术

近年来，随着全球地震频发，地上结构减震研究一度成为科研学者共同话题。相对于地上结构减震而言，地下结构的减震研究起步较晚。通常认为，受地层的约束作用，地下结构的自身抗震性能优越于地上结构。

近年些来，随着各国学者统计调研地下结构震害特征发现，在地震作用下，地下结构震害突出，特别是在地质条件复杂的情况下(如断层破碎带)，地下结构震害更为突出。就地下结构减震，科研学者已开展相关工作，如在地下结构与围岩之间设置一种吸能材料，来减小地震作用对地下结构的破坏。

但是，现有的地下结构减震设计并未就地下结构自身材料和围岩材料具体做减震研究，通常只是采用单一的吸能材料作为减震层，其实际的减震效果并不理想。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种地下结构的渐变刚度减震设计方法，以解决现有的地下结构减震层减震效果不理想的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种地下结构的渐变刚度减震设计方法，包括以下步骤：

获取地下结构和围岩的抗压强度值，根据地下结构和围岩的抗压强度值确定地下结构和围岩之间的强度差异；

根据地下结构和围岩之间的强度差异，在地下结构和围岩之间设置渐变刚度减震层。

进一步地，根据地下结构和围岩之间的强度差异，在地下结构和围岩之间设置渐变刚度减震层，包括：当地下结构的强度大于围岩的强度时，渐变刚度减震层的刚度从靠近地下结构一侧至靠近围岩一侧逐渐减小，且渐变刚度减震层的刚度大于围岩的刚度；当地下结构的强度小于围岩的强度时，渐变刚度减震层的刚度从靠近地下结构一侧至靠近围岩一侧逐渐增大，且渐变刚度减震层的刚度小于围岩的刚度。

进一步地，当地下结构的强度大于围岩的强度时，渐变刚度减震层的刚度从靠近地下结构一侧至靠近围岩一侧逐渐减小，具体是指：渐变刚度减震层的刚度从靠近地下结构一侧至靠近围岩一侧按照以下公式线性减小：

y＝-0.4x+30

其中，x为渐变刚度减震层从地下结构一侧至围岩一侧的厚度，其单位为cm；y为渐变刚度减震层在厚度为x处的弹性模量，其单位为MPa。

进一步地，当地下结构的强度小于围岩的强度时，渐变刚度减震层的刚度从靠近地下结构一侧至靠近围岩一侧逐渐增大，具体是指：渐变刚度减震层的刚度从靠近地下结构一侧至靠近围岩一侧按照以下公式线性增大：

y＝0.8x

其中，x为渐变刚度减震层从地下结构一侧至围岩一侧的厚度，其单位为cm；y为渐变刚度减震层在厚度为x处的弹性模量，其单位为MPa。

进一步地，获取地下结构和围岩的抗压强度值，根据地下结构和围岩的抗压强度值确定地下结构和围岩之间的强度差异，具体是指：参照工程岩体试验方法标准GB/T50266-2013，钻探取样测定地下结构和围岩的抗压强度值，通过测定获得的地下结构和围岩的抗压强度值来判定地下结构与围岩之间的强度差异。

应用本发明的技术方案，基于材料力学的应力应变关系和地震波在不同介质中的传播特性，按照地下结构和围岩之间的强度差异，在地下结构和围岩之间设置刚度逐渐变化的渐变刚度减震层。地震波在不同刚度的介质中传播时会释放巨大能量，当地震波从地下结构传播到渐变刚度减震层时，由于渐变刚度减震层的刚度并不是均一的，地震波在渐变刚度减震层中传播的过程中会释放掉大量的能量，从而减小了地震波对围岩的冲击，起到良好的对围岩的减震效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为通过本发明的设计方法得到的减震加固结构的结构示意图(其中地下结构强度大于围岩强度)。

图2为通过本发明的设计方法得到的减震加固结构的结构示意图(其中地下结构强度小于围岩强度)。

图3为地震波激励作用下三种隧道模型断面的应变峰值图。

图4为地震波激励作用下三种隧道模型断面的加速度峰值图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、渐变刚度减震层；100、地下结构；200、围岩。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种本发明实施例的地下结构的渐变刚度减震设计方法，包括以下步骤：

S101：获取地下结构100和围岩200的抗压强度值，根据地下结构100和围岩200的抗压强度值确定地下结构100和围岩200之间的强度差异；

S102：根据地下结构100和围岩200之间的强度差异，在地下结构100和围岩200之间设置渐变刚度减震层10。

现有的地下结构减震设计采用单一均密度的材料作为减震层，其减震效果有限。本发明首次基于材料力学的应力应变关系和地震波在不同介质中的传播特性，按照地下结构100和围岩200之间的强度差异，在地下结构100和围岩200之间设置刚度逐渐变化的渐变刚度减震层10。

研究发现，介质刚度越大，地震波传播的速度越快，介质刚度越小，地震波传播的速度越慢。地震波在不同刚度的介质中传播时会释放巨大能量，当地震波从地下结构100传播到渐变刚度减震层10时，由于渐变刚度减震层10的刚度并不是均一的，地震波在渐变刚度减震层10中传播的过程中会释放掉大量的能量，从而减小了地震波对围岩200的冲击，起到良好的对围岩200的减震效果。

具体地，在本实施例中，根据地下结构100和围岩200之间的强度差异，在地下结构100和围岩200之间设置渐变刚度减震层10，包括以下两种情况：

参见图1，第一种情况为，当地下结构100的强度大于围岩200的强度时，渐变刚度减震层10的刚度从靠近地下结构100的一侧至靠近围岩200的一侧逐渐减小，且渐变刚度减震层10的刚度大于围岩200的刚度；

参见图2，第二种情况为，当地下结构100的强度小于围岩200的强度时，渐变刚度减震层10的刚度从靠近地下结构100的一侧至靠近围岩200的一侧逐渐增大，且渐变刚度减震层10的刚度小于围岩200的刚度。

采用上述设置，根据地下结构100和围岩200之间刚度差异的不同情况，设计不同刚度变化趋势的渐变刚度减震层10，可以使地震波从渐变刚度减震层10靠近地下结构100的一侧向靠近围岩200的一侧较为平缓地释放，从而有效减小地震波对围岩200的冲击，提高减震效果。

进一步地，在本实施例中，当地下结构100的强度大于围岩200的强度时，渐变刚度减震层10的刚度从靠近地下结构100的一侧至靠近围岩200的一侧逐渐减小，具体是指：

渐变刚度减震层10的刚度从靠近地下结构100的一侧至靠近围岩200的一侧按照以下公式线性减小：

y＝-0.4x+30

式中，x为渐变刚度减震层10从地下结构100的一侧至围岩200的一侧的厚度，其单位为cm；y为渐变刚度减震层10在厚度为x处的弹性模量，其单位为MPa。

通过大量研究发现，当地下结构100的强度大于围岩200的强度时，按照上述关系式设计渐变刚度减震层10的刚度变化，可以最大化地较小地震波对围岩200的冲击，更加有利于提高减震效果。

在本实施例中，当地下结构100的强度小于围岩200的强度时，渐变刚度减震层10的刚度从靠近地下结构100的一侧至靠近围岩200的一侧逐渐增大，具体是指：

渐变刚度减震层10的刚度从靠近地下结构100的一侧至靠近围岩200的一侧按照以下公式线性增大：

y＝0.8x

其中，x为渐变刚度减震层10从地下结构100的一侧至围岩200的一侧的厚度，其单位为cm；y为渐变刚度减震层10在厚度为x处的弹性模量，其单位为MPa。

同样通过大量研究发现，当地下结构100的强度小于围岩200的强度时，按照上述关系式设计渐变刚度减震层10的刚度变化，可以最大化地较小地震波对围岩200的冲击，更加有利于提高减震效果。

在步骤S101中，获取地下结构100和围岩200的抗压强度值，根据地下结构100和围岩200的抗压强度值确定地下结构100和围岩200之间的强度差异，具体是指：参照工程岩体试验方法标准GB/T 50266-2013，钻探取样测定地下结构100和围岩200的抗压强度值，通过测定获得的地下结构100和围岩200的抗压强度值来判定地下结构100与围岩200之间的强度差异。

在本实施例中，渐变刚度减震层10所用的材料可以是橡胶、泡沫树脂和橡胶树脂中的一种或几种。渐变刚度减震层10是由1-3层相同或不同材质的减震层沿厚度方向叠加而形成的复合减震层。经测试，渐变刚度减震层10的总体厚度优选为15cm-50cm。

为了验证本发明的设计方法设计的渐变刚度减震层10的减震效果，本发明构建了椭圆型隧道模型。依托模型箱和振动台试验设备，把隧道模型埋设在模型箱内。在隧道模型外表面包裹不同刚度的减震层材料，依据围岩200的强度与隧道(地下结构100)的强度差异，减震层材料位置不同。隧道强度大于围岩200强度时，隧道模型外表渐变刚度减震层10依次为泡沫板和海绵橡胶；隧道强度低于围岩200强度时，隧道模型外表面渐变刚度减震层10材料依次为海绵橡胶和泡沫板。

首先将埋设有隧道模型及渐变刚度减震层10隧道模型的模型箱固定于振动台上，采用高强螺栓将模型箱底部与振动台台面紧密连接。设置三个不同隧道模型断面，第一个是无减震层隧道模型，第二个是单一材料减震层隧道模型，第三个是本发明的渐变刚度减震层隧道模型。通过振动台控制系统输入地震波加载指令，采集设备分别采集不同断面隧道模型的峰值加速及应变值。通过对比峰值加速和应变值来分析渐变刚度减震层10的减震性能。

图3为地震波激励作用下三种隧道模型断面的应变峰值图，图4为地震波激励作用下三种隧道模型断面的加速度峰值图。由图3和图4可见，通过对比三种不同隧道模型断面的应变峰值和加速度峰值，渐变刚度减震层10可以显著减小隧道模型的应变峰值和加速度峰值，单一减震层虽然也可以减小加速度峰值和应变峰值，但减小幅度较小，减震效果不佳。通过以上振动台模型试验可知，本发明的地下结构减震设计方法和渐变刚度减震层10具有良好的减震效果，是一种切实可行减震措施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种地下结构的渐变刚度减震设计方法，其特征在于，包括：

获取地下结构和围岩的抗压强度值，根据所述地下结构和围岩的抗压强度值确定地下结构和围岩之间的强度差异；

根据所述地下结构和围岩之间的强度差异，在所述地下结构和所述围岩之间设置渐变刚度减震层；

当所述地下结构的强度大于所述围岩的强度时，所述渐变刚度减震层的刚度从靠近所述地下结构一侧至靠近所述围岩一侧按照以下公式线性减小，且所述渐变刚度减震层的刚度大于所述围岩的刚度；y＝-0.4x+30，其中，x为渐变刚度减震层从所述地下结构一侧至所述围岩一侧的厚度，其单位为cm；y为渐变刚度减震层在厚度为x处的弹性模量，其单位为MPa；

当所述地下结构的强度小于所述围岩的强度时，所述渐变刚度减震层的刚度从靠近所述地下结构一侧至靠近所述围岩一侧按照以下公式线性增大，且所述渐变刚度减震层的刚度小于所述围岩的刚度；y＝0.8x，其中，x为渐变刚度减震层从所述地下结构一侧至所述围岩一侧的厚度，其单位为cm；y为渐变刚度减震层在厚度为x处的弹性模量，其单位为MPa。

2.根据权利要求1所述的地下结构的渐变刚度减震设计方法，其特征在于，获取地下结构和围岩的抗压强度值，根据所述地下结构和围岩的抗压强度值确定地下结构和围岩之间的强度差异，具体是指：

参照工程岩体试验方法标准GB/T 50266-2013，钻探取样测定所述地下结构和所述围岩的抗压强度值，通过测定获得的所述地下结构和所述围岩的抗压强度值来判定所述地下结构与所述围岩之间的强度差异。