CN110765576B - 一种用于隧道地震安全评估的三维时空波动分析方法 - Google Patents

一种用于隧道地震安全评估的三维时空波动分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于隧道安全评估的三维时空波动分析方法，利用三维时空波动分析求解隧道衬砌任意位置、任意时刻安全系数，即：输入场地附近的安评波，求解强震作用下隧道围岩破裂角及压力，进而确定隧道衬砌任意位置、任意时刻的安全性系数。本发明利用非线性波动理论和层状剪切分析法求解隧道衬砌的安全性系数，能够有效的克服规范方法中的拟静力法不能够全面考虑地震动时间、频率及幅值的问题，具有明确的物理意义。本发明方法具有系实时性、全面性，能够得出与实际较为接近的隧道安全性系数，能够有效的应用于隧道的设计、施工中。

Description

一种用于隧道地震安全评估的三维时空波动分析方法
技术领域
本发明涉及地震波检测技术领域，尤其涉及一种用于隧道地震安全评估的三维时空波动分析方法。
背景技术
地震力对隧道结构的安全性具有显著影响，隧道结构的抗震设计不容忽视。目前，国内的《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)、《公路工程抗震设计规范》(JTG D70-2004)及《地铁设计规范》(GB50157-2003)在隧道的抗震设计方面均采用地震系数法。近些年国内外专家学者逐渐发展了数值分析方法及反应位移法、反应加速度法等其他的一些拟静力法或时程分析法。但是，现有的方法存在以下缺陷：
(1)地震波三要素无法系统考虑问题：大量研究结果表明，地震波的持时、频率对隧道的地震稳定性存在较为显著的影响。然而，地震系数法、拟静力法或时程分析法则只能考虑单一的地震波峰值特性(PGA)对隧道动力稳定性的影响，而不能考虑地震波的频率和持时对隧道稳定性的影响。
(2)物理意义不清晰。目前采用的地震作用下隧道安全性评估，没有明确的物理意义，无法深刻揭示地震波在隧道内散射、衍射规律。
(3)不具有实时性。目前采用的隧道安全性评估方法仅能够计算地震动峰值时刻或卓越频带控制下的安全性系数，无法系统考虑地震全过程中任意位置处衬砌的安全性系数，在实际应用中会存在较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决规范方法中的拟静力法不能够全面考虑地震动时间、频率及幅值的问题，而提出的一种用于隧道地震安全评估的三维时空波动分析方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
(1)基于隧道的几何形状、围岩和衬砌的力学特性以及所处的场地类型条件，概化分析模型；
(2)根据相关规范确定本地区的地震烈度及设计反应谱曲线，通过地震动时程拟合方法来进行人造地震动时程的合成，进而确定该地区地震动加速度的时程曲线；
(3)根据地震动加速度时程曲线来确定位移时程曲线，利用Hilbert-Huang变换，求解地震波的各个固有模态函数(Intrinsic Mode Function,简称IMF)，以及相应的频率时程曲线；
(4)借助下述公式(1)-(2)，求解任一时刻的地震角η；
Figure GDA0002825765560000021
tanη＝FEH/dw＝ω2U(z)/g (2)
(5)概化围岩垂直松动区压力计算模型，将围岩的内摩擦角φ、顶板土柱的侧摩擦角为δ、地震角η代入下述公式(3)中进行计算，即可求得围岩滑动区的潜在破裂角ζ′，之后，将上述结果和相关参数带入式(4)-(5)中，即可求得隧道衬砌垂直、水平压力；
Figure GDA0002825765560000022
Figure GDA0002825765560000023
Figure GDA0002825765560000031
式中，Υ：表示围岩的重度；h表示计算点距离地面的高度，q为围岩的垂直压力；G为纵向每延米隧道洞顶岩体重力；
(6)概化地震波在围岩-衬砌中的波散效应模型，根据所获得的衬砌外表面上各处的压力时程曲线，将其带入式(6)即可获得应力波在围岩-衬砌接触面上的透射、反射系数，之后将相关参数带入式(7)和式(8)求解衬砌外表面上的拉伸应力和剪切应力，并与相关规定进行对比，进而确定衬砌外表面各处的安全性系数；
Figure GDA0002825765560000032
Figure GDA0002825765560000033
Figure GDA0002825765560000041
(7)对于透射至衬砌内表面的地震波S4和S5，将会在衬砌内表面发生波形转换，形成瑞利面波，S4和S5的势函数则在上一步计算得出；鉴于地震波发生波形转换时将会耗散一部分能量，所以仅将S4和S5势函数幅值的67.3％作为瑞利面波的输入；最后，将相关参数带入式(9)和式(10)求解衬砌内表面任意一处的剪切应力和拉伸应力，结合规范中对衬砌材料允许的抗剪强度[τ]及抗拉强度[σ]，确定此处的安全性系数；
Figure GDA0002825765560000042
Figure GDA0002825765560000043
(8)通过步骤(6)和步骤(7)求解的衬砌内、外表面的安全性系数分布情况即可确定整个隧道的围岩区域，进行局部加强；
根据式(9)和式(10)求解得到的剪切应力及拉伸应力，结合规范中对衬砌材料允许的抗剪强度[τ]及抗拉强度[σ]，确定此处的安全性系数K，如下：
Kτ＝τs/[τ]；Kσ＝σn/[σ] (11)
Kτ＜K0，发生剪切破坏；Kσ＞K0，衬砌外表面安全；K0为规范规定的安全性系数；
依此类推，采用上述方法可求解衬砌内表面上其余各点的应力状态，进而确定衬砌内表面的安全性系数分布情况。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，利用非线性波动理论和层状剪切分析法求解隧道衬砌的安全性系数，能够有效的克服规范方法中的拟静力法不能够全面考虑地震动时间、频率及幅值的问题，具有明确的物理意义。本发明方法具有系实时性、全面性，能够得出与实际较为接近的隧道安全性系数，能够有效的应用于隧道的设计、施工中,能够有效的提高隧道工程的安全性。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的浅埋隧道的受力分析模型图；
图2示出了根据本发明实施例提供的水平微圆体受力分析模型图；
图3示出了根据本发明实施例提供的水平围岩所受到的拨动力分析模型图；
图4示出了根据本发明实施例提供的围岩垂直松动区压力计算模型图；
图5示出了根据本发明实施例提供的衬砌受力计算模型图；
图6示出了根据本发明实施例提供的围岩-衬砌表面的波散效应图；
图7示出了根据本发明实施例提供的操作流程示意图；
图8示出了根据本发明实施例提供的概化隧道模型图；
图9示出了根据本发明实施例提供的输入地震波示意图；
图10示出了根据本发明实施例提供的输入地震波的各个固有模态函数IMF时程图；
图11示出了根据本发明实施例提供的输入地震波的各个固有模态函数IMF的频率时程图；
图12示出了根据本发明实施例提供的输入地震波作用下衬砌内表面的轴力分布示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，请参阅图1-12，本发明涉及新型的一种用于隧道安全评估的三维时空波动分析方法，尤其是用于克服规范方法中的拟静力法不能够全面考虑地震动时间、频率及幅值的问题，具体操作流程如图7所示。
实施例1：一种新型的用于隧道安全评估的三维时空波动分析方法，以5.12汶川地震中震毁的汶川1#隧道为例，包括以下步骤：
步骤1：如图8，概化山岭隧道的计算分析模型；
步骤2：如图9，输入汶川卧龙地震波，开展EEMD分析，该信号是加速度信号。
步骤3：如图10，针对EEMD分析结果，进行全时程的频率分析；
步骤4：如图12，利用式(9)-(11)计算输入地震波作用下衬砌内表面的轴力分布情况
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于隧道地震安全评估的三维时空波动分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于隧道的几何形状、围岩和衬砌的力学特性以及所处的场地类型条件，概化分析模型；
(2)根据相关规范确定本地区的地震烈度及设计反应谱曲线，通过地震动时程拟合方法来进行人造地震动时程的合成，进而确定该地区地震动加速度的时程曲线；
(3)根据地震动加速度时程曲线来确定位移时程曲线，利用Hilbert-Huang变换，求解地震波的各个固有模态函数(Intrinsic Mode Function,简称IMF)，以及相应的频率时程曲线；
(4)借助下述公式(1)-(2)，求解任一时刻的地震角η；
Figure FDA0002745453910000011
tanη＝FEH/dw＝ω2U(z)/g (2)
(5)概化围岩垂直松动区压力计算模型，将围岩的内摩擦角φ、顶板土柱的侧摩擦角为δ、地震角η代入下述公式(3)中进行计算，即可求得围岩滑动区的潜在破裂角ζ′，之后，将上述结果和相关参数带入式(4)-(5)中，即可求得隧道衬砌垂直、水平压力；
Figure FDA0002745453910000012
Figure FDA0002745453910000013
Figure FDA0002745453910000021
式中，γ：表示围岩的重度；h表示计算点距离地面的高度，q为围岩的垂直压力；G为纵向每延米隧道洞顶岩体重力；
(6)概化地震波在围岩-衬砌中的波散效应模型，根据所获得的衬砌外表面上各处的压力时程曲线，将其带入式(6)即可获得应力波在围岩-衬砌接触面上的透射、反射系数，之后将相关参数带入式(7)和式(8)求解衬砌外表面上的拉伸应力和剪切应力，并与相关规定进行对比，进而确定衬砌外表面各处的安全性系数；
Figure FDA0002745453910000022
Figure FDA0002745453910000023
Figure FDA0002745453910000031
(7)对于透射至衬砌内表面的地震波S4和S5，将会在衬砌内表面发生波形转换，形成瑞利面波，S4和S5的势函数则在上一步计算得出；鉴于地震波发生波形转换时将会耗散一部分能量，所以仅将S4和S5势函数幅值的67.3％作为瑞利面波的输入；最后，将相关参数带入式(9)和式(10)求解衬砌内表面任意一处的剪切应力和拉伸应力，结合规范中对衬砌材料允许的抗剪强度[τ]及抗拉强度[σ]，确定此处的安全性系数；
Figure FDA0002745453910000032
Figure FDA0002745453910000033
(8)通过步骤(6)和步骤(7)求解的衬砌内、外表面的安全性系数分布情况即可确定整个隧道的围岩区域，进行局部加强；
根据式(9)和式(10)求解得到的剪切应力及拉伸应力，结合规范中对衬砌材料允许的抗剪强度[τ]及抗拉强度[σ]，确定此处的安全性系数K，如下：
Kτ＝τs/[τ]；Kσ＝σn/[σ] (11)
Kτ＜K0，发生剪切破坏；Kσ＞K0，衬砌外表面安全；K0为规范规定的安全性系数；
依此类推，采用上述方法可求解衬砌内表面上其余各点的应力状态，进而确定衬砌内表面的安全性系数分布情况。
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