[发明专利]水平地震力作用下隧道直边墙三维破坏形状的定位方法

说明书

本发明公开了一种水平地震力作用下隧道直边墙三维破坏形状的定位方法。本发明主要是：根据隧道所在地区抗震设防烈度，获得隧道水平地震作用加速度；根据围岩等级情况，获得围岩相关力学参数；计算直边墙三维破裂面处的内能耗散功率；计算直边墙三维坍塌体内地震荷载所做的外力功率；构建含有地震外力功率和内能耗散功率的泛函；根据变分法求极值的条件，确定三维破裂面形状函数；根据位移、应力边界条件以及能量守恒，确定三维破裂面形状函数的系数值；根据破裂面形状函数及其系数值，绘制三维破裂面形状图。本发明为不同水平地震作用下隧道直边墙的三维破坏形状提供了计算方法；根据破坏形状，可以为地震区隧道加固范围提供参考。

技术领域

本发明属于地震下隧道破坏范围的确定技术，具体涉及一种水平地震力作用下隧道直边墙三维破坏形状的定位方法。

背景技术

我国是世界上多地震国家之一，有许多大中城市均遭遇过强烈地震的袭击，地震发生的频度高、强度大，造成的灾害严重，如唐山大地震、汶川大地震。在国外如日本，同样发生过多次大地震。地震中，有的隧道、地铁等地下建结构受到严重破坏，大部分需要重新修复和加固。由此可见，地震力对于隧道结构的影响是不容忽视的。对于地铁车站、地下人行通道、地下车行通道、地下商业街等，常采用直边墙的形式，因此如何研究地震下隧道直边墙的安全性显得非常重要。目前对隧道的地震研究主要是研究其动力响应特性、抗震减震措施等，而对于地震发生时，围岩是否坍塌以及坍塌范围有多大等研究很少，这个直接影响地震下人员的逃生安全以及灾后维修加固范围与合理措施的制定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平地震力作用下隧道直边墙三维破坏形状的定位方法。本发明根据破坏形状，可以为地震区隧道维修加固范围提供参考；另外也可判断地震下边墙是否安全；并计算地震下边墙破坏坍方的体积。

本发明的水平地震力作用下隧道直边墙三维破坏形状的定位方法，主要包括如下顺序的步骤：

(1)根据隧道所在地区抗震设防烈度，获得隧道水平地震作用加速度；

(2)根据围岩等级情况，获得围岩相关力学参数；

(3)计算直边墙三维破裂面处的内能耗散功率；

(4)计算直边墙三维坍塌体内地震荷载所做的外力功率；

(5)构建含有地震外力功率和内能耗散功率的泛函；

(6)根据变分法求极值的条件，确定三维破裂面形状函数；

(7)根据位移、应力边界条件以及能量守恒原理，确定三维破裂面形状函数的系数值；

(8)根据破裂面形状函数及其系数值，绘制三维破裂面形状图。

其具体过程如下：

(一)由以下公式计算直边墙三维破裂面处的内能耗散功率：

式中：E_D为内能耗散功率；L为破裂面在边墙上投影长度的一半；σ_ci为完整围岩抗压强度；σ_tm为围岩的抗拉强度；A、B为围岩参数，可以根据步骤(2)中查阅相关表格获得；f(x)为破裂面形状母线函数，f'(x)为f(x)的切线斜率，即一阶导数；x为破裂面形状母线函数f(x)中的x坐标值；v为破裂面上的间断速度；

(二)地震荷载所做的外力功率为：

式中：η_c为综合影响系数，岩石地基的明洞采用0.2，其它采用0.25；a为水平地震作用加速度，由步骤(1)确定；g为重力加速度；γ为围岩重度；为推导方便，令

(三)由地震外力功率和内能耗散功率构建的泛函如下：