移动荷载作用下饱和地基中双洞隧道的动力响应

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随着我国轨道交通的快速发展,地铁逐渐成为城市居民日常出行普遍乘坐的一种交通工具,与此同时,由地铁运行引起的环境振动问题也受到了越来越多的关注。地铁运行将产生一定的噪音,不利于地铁沿线居民的身体健康,同时,地铁运行引起的环境振动还会影响一些精密仪器的使用。在建设地铁时,往往成对地修建地铁隧道,而相邻隧道对地铁运行产生的动力响应的影响不可忽视,因此有必要对地铁运行在双洞隧道下产生的土体动力响应开展研究。本文建立了一个三维有限元模型,用来研究运行在两个平行隧道中的移动荷载引起的土体和衬砌动力响应问题。并且,考虑到东南沿海地区地下水位高,基于Biot多孔介质理论,将隧道周围土体模拟为饱和土,并将地铁荷载简化为加载在隧道底部衬砌上的移动点荷载。本文使用饱和土体三维有限元动力分析程序TSSVP结合MTF人工边界对模型进行求解,对由地铁运行引起的埋置于半空间饱和土体的双洞隧道动力响应进行研究。首先,本文介绍了饱和土体三维动力有限元分析程序TSSVP,其采用独特的刚度矩阵存储方式可以大幅提高运算效率,并能实现对饱和土体单元的模拟。同时,采用饱和土体多次透射人工边界MTF,使得弹性波在边界被有效地透射,避免反射波干扰计算结果。并且,通过计算由施加在圆形腔体表面的径向荷载引起的瞬态响应与已有解析解对比,验证了分析程序的有效性。其次,建立埋置于均质饱和土体中的双洞隧道模型,并分别探究比较了单洞隧道与双洞隧道、饱和土体与单相土体、单荷载与双荷载以及双荷载运行方向异同等工况下对动力响应影响的差异。同时还探究了荷载移动速度,双洞隧道的埋深与间距,土体弹性模量等参数对预测结果的影响。研究结果表明,由地铁运行在双洞隧道时引起的动力响应大于仅考虑单洞隧道的情况。两隧道间距,隧道埋深,荷载运行速度以及土体弹性模量都是影响土体和隧道动力响应大小的重要因素。存在临界速度,当荷载移动速度接近该速度时,土体与隧道的动力响应将被放大。最后,在原先模型基础上,将土体划分为均等高度的两层,建立埋置于双层饱和土体中的双洞隧道模型,探究了不同土层分布,分层土体的相对模量以及土体分界线相对隧道的不同位置对预测响应结果的影响。数值分析结果表明,土层分布位置对由移动荷载运行引起的土体和衬砌动力响应有一定的影响。隧道-土体系统的临界速度受双洞隧道下方土层的性质影响较大。分层土体中双洞隧道与土层分界线的相对位置也会对土体与隧道之间的相互作用情况产生影响。
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