[发明专利]水平地震力作用下隧道曲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曲边墙三维破坏形状的定位方法。该方法根据地震时地震所做的功与围岩破裂能量耗散相等，基于变分法求极值的条件，确定曲边墙三维破裂面形状函数；结合位移、应力边界条件，确定三维破裂面形状函数的系数值；从而根据破裂面形状函数及其系数值，绘制三维破裂面形状图。本发明为确定水平地震下隧道曲边墙三维破坏形状提供了计算方法；根据破坏形状，可以为地震区曲边墙隧道加固范围提供参考；另外也可判断地震下曲边墙是否安全；并计算地震下曲边墙坍方体积。本发明方法，亦可以应用于地震作用下盾构隧道、地铁区间隧道等其他具有曲边墙的地下建筑结构的破坏范围确定、加固范围确定、边墙安全评估等。

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曲边墙三维破坏形状的定位方法。

背景技术

中国位于环太平洋板块和欧亚大陆板块的交界处，受印度板块和菲律宾板块挤压，历史地震的频次较高。与地面建筑物相比，隧道与地下结构本身会受到周围岩土体的约束作用，这就使得隧道结构比地面建筑物有更好的抗震性能。长期以来，人们对隧道与地下结构的抗震设计没有足够的重视，从而不能清楚地认识地震作用下隧道的破坏机理。1995年日本发生了阪神大地震，2008年汶川8.0级特大地震等造成了震中附近的多座公路隧道、地铁隧道等受损严重，震后修复十分困难。目前隧道衬震害机理成为学科发展的一个难点，严重制约了隧道的抗震设计，也是研究的热点。然而目前对隧道的地震研究主要是研究其动力响应特性，而对于地震发生后，边墙围岩是否坍塌以及坍塌范围研究很少，而这个直接影响地震下人员的逃生安全以及灾后合理的维修加固措施的制定。

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曲边墙三维破坏形状的定位方法。本发明为确定水平地震下隧道曲边墙的三维破坏形状提供了计算方法；根据破坏形状，可以为地震区曲边墙隧道加固范围提供参考；另外也可判断地震下曲边墙是否安全；并计算地震下曲边墙坍方体积。

本发明的水平地震力作用下隧道曲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)计算曲边墙三维破裂面处的内能耗散功率；

(4)计算破裂范围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，确定曲边墙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，绘制曲边墙破裂面三维形状图。

其具体过程如下：

(一)由以下公式计算曲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为完整围岩岩石的抗压强度；σ_tm为围岩的抗拉强度；A、B为围岩参数，可以查阅相关表格获得；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：