详情

原文传递覆盖层中脱胶夹杂与衬砌对SH波的散射

论文题名：	覆盖层中脱胶夹杂与衬砌对SH波的散射
关键词：	复合地层;脱胶衬砌隧道;SH波作用;内散射波场;脱胶混凝土
摘要：	近年来，随着经济发展，城市用地紧张，以及国防需求，地下空间的利用得到了空前的高涨，然而地下结构在地震中并不像传统观念所认为的那样安全。造成这种认知的主要原因是相对于地上结构抗震研究的成果非常丰富，地下结构抗震性能的研究相对较少。因此，有必要对地震波作用下，复杂地质条件中地下结构的动力响应做出细致的分析与研究。在近一个世纪对地震波动问题的研究中，大地常被视为一个无限大的均质弹性半空间来进行分析。但不可忽视的是，层状介质模型更加符合实际工程的地质情况。但由于其边界条件的复杂性，理论研究难度较大。在复合地层内弹性波散射问题的研究领域，尚有很多空白需要去填补。　　本文将玄武岩、花岗岩、煤等岩石作为地层的主要构成材料，结合地质学和弹性动力学，构建了“上软下硬”和“上硬下软”的两种典型复合地层模型。将C30混凝土和Q345钢作为衬砌隧道的材料。文中采用了四个模型研究SH波作用下，复合地层中脱胶衬砌隧道的散射问题。通过第一个模型，建立了复合地层内散射波场的构造方法和脱胶边界的处理方法。研究了覆盖层中的脱胶混凝土或钢夹杂对SH波的散射问题，并由此模型衍生了复合岩层中的弧形裂纹对SH波的散射问题，并为后续衬砌隧道的研究了奠定基础。第二、第三个模型分别研究了衬砌隧道位于覆盖层中和覆盖层下部时，地质条件、衬砌材料和衬砌厚度等因素对动应力集中现象的影响。在对前三个模型研究的基础上，模型四分析了覆盖层中脱胶衬砌隧道对SH波的散射现象。　　研究思路基本可以概况为:首先，利用大圆弧假定法，将半空间的直线边界替换为圆弧边界;其次，引入复平面，通过波函数展开法和坐标平移法构造出地层、脱胶夹杂或衬砌中满足Helmholtz控制方程的Fourier-Bessel级数形式的波场表达式。之后，利用具体问题的边界条件建立相应的级数方程组，通过Fourier变换和截断有限项的方式求解方程组。最后，引入误差检验的方法，在数值计算中得到满足工程精度的解答。　　经过对四个模型问题的算例分析，可以发现相比半空间问题，复合地层中土层、散射体参数的组合情况更为复杂。散射体的动应力集中因子受土层、散射体的参数、入射波频率、脱胶范围等因素共同影响。刚度较小的覆盖层对动应力集中系数有较为明显的放大作用，而刚度较大的覆盖层对于SH波有一定的屏蔽的作用;刚度较小的覆盖层中散射体存在脱胶时，低频和中频入射波对其动应力集中系数影响更大;刚度较大的覆盖层中的散射体存在脱胶时，高频入射波对其动应力集中系数影响更大;散射体相对于周围土体介质剪切模量越小，动应力集中现象越明显;对于不同材料的衬砌，增大衬砌厚度对衬砌内壁和外壁上动应力集中因子的影响不同，增大衬砌的厚度并不一定能够减小动应力集中现象。工程中应结合具体情况进行分析，对衬砌内壁和外壁采取有区别的加强措施。
作者：	张洋
专业：	力学
导师：	齐辉
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021