软土地下综合管廊地震响应分析与简化计算模型研究

Underground utility tunnel (UUT) is one of the most vulnerable element in the soft soil foundation under earthquake excitation. Numerical simulations, theoretical analysis and engineering applications are adopted to study the behavior of the UUT in the present proposal. Specifically, first, the Finite Element (FE) model of soft soil-underground utility tunnel is established, via the effective stress method. In this regard, the damage mechanism and influence factors of underground utility tunnel are investigated. Next, based on wave mechanics theory, soil-UUT system is simplified as a SDOF mass-spring-damping dynamic model. Further, by considering the Boit dynamic consolidation theory, kinetic equations of the soil dynamic model are established, which can be solved by FE method. In this way, the earthquake motion on the utility tunnel is translated into the coupling load of pore water pressure and dynamic soil pressure. The seismic response of underground utility tunnel can be thereby calculated. Further, the proposed model, demonstrated by pertinent FE- based simulation, offers an alternative analytical approach for the design of soft-soil-buried UUT in the engineering application. Finally, the simplified analytical model, which can be employed in various engineering applications, is verified by FE method and other pertinent technique.

地下综合管廊在软土地基中最易受到地震破坏。项目采用数值模拟、理论分析与工程应用相结合的研究方法。基于有效应力法，建立软土-地下综合管廊结构地震反应有限元模型，分析地下综合管廊地震破坏机理及其影响因素。基于波动力学理论，将土-地下综合管廊体系简化为单自由度的质量-弹簧-阻尼计算模型。应用Boit动力固结理论，建立计算模型的土体运动方程，并用有限元法求解该动力方程，从而把作用于地下综合管廊上的地震动转化为考虑振动孔隙水压力和动土压力耦合作用的地震荷载，计算地下综合管廊地震响应，为软土地下综合管廊的抗震设计提供理论工具。应用有限元模型对提出的简化计算模型进行验证，并与其他简化方法进行对比分析，最后对简化模型进行工程应用。

随着城镇化快速发展，我国正迎来地下综合管廊的建设高潮。一方面，饱和土体中孔隙水压力是影响地震中地下结构抗震性能的主要因素；另一方面，目前还没有专门针对地下综合管廊结构的抗震设计方法。基于此，本项目基于有效应力法，开展了地下综合管廊抗震设计方法研究。.首先，基于ABAQUS有限元软件二次开发平台，开发了Davidenkov非线性粘弹性本构模型，结合Duncan-Chang非线性弹性本构模型，建立了静、动力联合本构模型，在静力状态下，采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型，在动力状态下采用Davidenkov非线性粘弹性本构模型，基于拟静力试验对静、动力联合本构模型进行了验证。.其次，研究了SV波由饱和土地基向自由表面入射及反射现象，推导了饱和土体中SV波在自由表面反射的自由场解析解。在此基础上，考虑了土体本构在静、动力耦合作用下的不同力学特性，即在地应力平衡的静力状态下，采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型，在地震波作用的动力状态下，采用Davidenkov非线性粘弹性本构模型，饱和土体中黏弹性人工边界条件，以及等效地震荷载的作用，建立了固-液两相土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型，考察了不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度，综合管廊壁厚、埋深、结构形式及结构的刚度，不同土体材料，土-结构接触面摩擦系数，以及地应力场的影响。分析结果表明，将基于有效应力法的等效地震荷载施加在单相土-结构动力相互作用模型中，得到与施加在固-液两相土体-结构动力相互作用模型中完全一致的结果。.第三，基于波动力学理论，考虑土-结构动力相互作用、土介质特性及地震波的传播特性，将土体考虑为单相介质，提出了地震作用下地下结构的基于总应力法的动土压力简化抗震设计方法，并以振动台试验结果为基础验证了简化方法。在基于总应力法的动土压力简化计算模型基础上，用两相介质参数替换单相介质参数，并将基于有效应力法得到的自由场的等效地震荷载施加到参数替换后的总应力法模型上，可以求解饱和两相土体中地下综合管廊结构上所受的地震荷载。将简化计算模型与有限元计算结果进行比较，说明提出的基于有效应力法的动土压力简化计算模型能够得到与数值计算完全一致的结果。项目提出的动土压力简化计算方法具有概念明确、计算简便、计算效率和精度高等特点，为地下结构的抗震设计提供了一种简单、实用的方法。