【摘要】：地下軌道交通、地下綜合管廊等地下結(jié)構(gòu)在生活和生產(chǎn)中占有重要地位。地下結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞,對居民生活造成巨大影響,嚴(yán)重威脅居民的生命安全。近年來,多次強震造成地下結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞,甚至引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害,如洪災(zāi)、內(nèi)澇、火災(zāi)等。因此,準(zhǔn)確、高效的地下結(jié)構(gòu)抗震安全性評價既是工程設(shè)計人員也是科學(xué)研究人員所關(guān)心的重要問題。地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)一般可作為地震波散射問題處理,現(xiàn)有文獻(xiàn)中地震波散射的計算模型大多假定地基為單相、各向同性、均質(zhì)介質(zhì)。實際場地條件要復(fù)雜得多,如介質(zhì)的層狀分布、材料的各向異性和地下水等因素。從波動散射問題的研究現(xiàn)狀來看,現(xiàn)有的計算模型往往具有一定局限性,或者不適合考慮層狀地基,或者對各向異性材料求解困難,或者對含有地下水的飽和介質(zhì)求解困難等。因此,本文建立了一套地下結(jié)構(gòu)的分析模型,可簡便地考慮多種復(fù)雜因素,準(zhǔn)確地求解復(fù)雜層狀地基地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。基于子結(jié)構(gòu)法建立了復(fù)雜地基散射問題求解的控制方程,將復(fù)雜地基散射問題轉(zhuǎn)化具有規(guī)則邊界條件層狀地基的動力剛度求解和波動響應(yīng)求解。相較于復(fù)雜幾何邊界條件引起的散射波動求解,規(guī)則邊界條件地基的輻射問題和波動輸入問題的求解要簡便得多,而這種轉(zhuǎn)化對于線彈性介質(zhì)是完全準(zhǔn)確的,沒引入任何簡化,因此當(dāng)規(guī)則邊界條件地基的輻射問題和波動輸入問題得到高精度解答時,復(fù)雜地基散射問題的解答也是高精度的。通過多種算例驗證了本文計算模型的正確性,如均質(zhì)半空間中地下孔洞對SV波和P波的散射。據(jù)作者所知,現(xiàn)有文獻(xiàn)中層狀地基中地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的高精度解很少,尤其橫觀各向同性層狀地基、下部為飽和層狀地基上部為單相土層的地基中的地下結(jié)構(gòu)的高精度解幾乎沒有,因此基于本文的數(shù)值模型,進(jìn)行了數(shù)值實驗,提供了大量的高精度數(shù)值算例。(1)推導(dǎo)了各向同性、橫觀各向同性層狀地基的格林函數(shù),并給出了數(shù)值解,進(jìn)一步得到內(nèi)部節(jié)點的動力剛度。通過Fourier變換,得到了各向同性和橫觀各向同性介質(zhì)中頻域-波數(shù)域的波動方程,引入對偶變量使波動方程降為一階常微分方程,利用擴(kuò)展精細(xì)積分對土層進(jìn)行合并,施加荷載并結(jié)合邊界條件,得到內(nèi)部節(jié)點的格林函數(shù),進(jìn)而得到動力剛度�；跀U(kuò)展精細(xì)積分法求解了各向同性、橫觀各向同性層狀地基的波動響應(yīng)。基于以上兩部分,結(jié)合子結(jié)構(gòu)法,分析了介質(zhì)的層狀分布、橢圓形夾雜和局部褶皺等因素對馬蹄孔洞散射作用的影響;討論了材料的各向異性、地表風(fēng)化層等因素對復(fù)雜襯砌結(jié)構(gòu)波動響應(yīng)的影響。(2)推導(dǎo)了各向同性、橫觀各向同性飽和層狀地基的格林函數(shù),并數(shù)值求解,進(jìn)一步得到了動力剛度�；贐iot波動理論,得到了以土骨架位移和孔隙流體壓力為未知量的基本方程,對水平向進(jìn)行Fourier變換,將控制方程變換到頻域-波數(shù)域,引入廣義對偶變量對控制方程進(jìn)行化簡,得到一階狀態(tài)方程,依據(jù)不同的地表排水條件下建立了層間的對偶關(guān)系,施加荷載并結(jié)合邊界條件,得到內(nèi)部節(jié)點的格林函數(shù),最終得到頻域-空間域的動力剛度矩陣。通過數(shù)值算例驗證了解法的精確性,并討論了地基材料的各向異性對地基動力剛度的影響。(3)提出了單相土層和飽和土層共同存在的復(fù)雜層狀地基埋置基礎(chǔ)的動力剛度計算模型,該計算模型可方便地考慮飽和土層和單相土層交界面不同的排水條件,且不但適用于各向同性介質(zhì),同時適用于橫觀各向同性介質(zhì)。通過與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行比較,驗證了方法的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步討論了基礎(chǔ)截面形狀對剛性條帶基礎(chǔ)的動力剛度的影響,從本文計算結(jié)果來看,基礎(chǔ)的埋置形狀對搖擺向的動力剛度影響明顯,對水平向動力剛度影響較小。(4)基于擴(kuò)展的精細(xì)積分算法,求解了單相土層和飽和土層共同存在的層狀地基中的波動響應(yīng),結(jié)合上一節(jié)內(nèi)部節(jié)點的動力剛度,構(gòu)造了求解這種包含地下水的復(fù)雜層狀地基地下結(jié)構(gòu)波動響應(yīng)的計算模型。首先通過分析單周期的波動響應(yīng),驗證了自由場波動響應(yīng)求解方法的正確性和合理性,其次采用子結(jié)構(gòu)法分析了自由場的波動響應(yīng),驗證了子結(jié)構(gòu)模型的正確性,最后分析了地下水對復(fù)雜襯砌結(jié)構(gòu)波動響應(yīng)的影響。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｏｉｌ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ａ邋ｌａｙｅｒｅｄ邋ｈａｌｆ－ｓｐａｃｅ逡逑從土－結(jié)構(gòu)相互作用的基本原理出發(fā)，基于子結(jié)構(gòu)法建立基本計算模型的控制方程。逡逑圖２．１為典型的土－結(jié)構(gòu)相互作用體系，其動力控制方程為：逡逑卜叫ｄ卜卜ｍｍ逡逑ｃｂｂＪｉ＜ｊ邋＾Ｊｉ＾ｊ邋ｈｊ逡逑式中Ｍ表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、Ｃ表示阻尼矩陣、ＪＴ表示剛度矩陣；ｉｉ＇，Ｖ，Ｙ分別表逡逑－２１邋－逡逑

邐？逡逑如圖２．２（ａ）所示，土－結(jié)構(gòu)相互作用體系，可分解為半無限開挖場地和近場復(fù)雜結(jié)構(gòu)逡逑兩部分。圖２．２（ｂ）表示，開挖場地可通過規(guī)則場地減去開挖土體得到。逡逑土－結(jié)構(gòu)間的相互作用力可表示為：逡逑Ｒｂ邋（＾）邋＝邋５ｂｂ邋（？）邐Ｋ邋（＾））邐（２．４）逡逑式中和ｂ（的表示交界面半無限域的動力剛度；邋＜（叫表示在地震動激勵下開挖場地交界逡逑面處的位移。為方便表述，后文省略0）。將式（２．４）代入式（２．３）中，可得：逡逑＇心］卜｝邋＝邋｛邋0邋｝邐（２．５）逡逑Ｌ＾ｂｓ邐Ｋｓｂ？ｂ８Ｊ逡逑由式（２．５）中凝聚結(jié)構(gòu)內(nèi)部自由度，得到土－結(jié)b吔喚緱嬪隙Ω斬群臀灰乒叵擔(dān)哄義希ǎ櫻猓猓櫻猓螅櫻螅螅�，洋ｂ＋砚＼）ｕe劍櫻蓿劐危ǎ玻叮╁義鮮劍ǎ玻叮┲械納⑸湮灰棋澹疾灰準(zhǔn)撲悖�，因此引葰寤存灾G⑸涮宓淖雜沙∽魑叫心Ｐ停義霞跡玻玻ǎ猓�。訅剟Θ２．�(dān)┛傻迷謐雜沙〈嬖諶縵鹿叵擔(dān)哄義希翦危ǎ玻В罰╁義鮮街姓桑螅劍�，免ｓ和左ｂｂ表示^u挖土體的動力剛度，上標(biāo)的波浪線用來表示沒有散射體逡逑的規(guī)則場地；《ｓｆ和《ｂｆ表示規(guī)則場地位移；《ｂｇ表示開挖場地交界面的位移向量。在式（２．７）逡逑－２２－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU470

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2707746