[发明专利]具有圆形隧道的准饱和粘弹性土振动响应的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有圆形隧道的准饱和粘弹性土振动响应的检测方法。

背景技术

众所周知，混凝土材料衬砌具有黏弹性性质，即在长期加载过程中发生蠕变和应力松弛现象。为此，现有技术中有采用三轴压缩蠕变试验，研究了衬砌材料的蠕变特性。

目前，许多学者对饱和土中深埋圆形隧道的动力响应进行了深入研究。Senjuntichai和Rajapakse利用Laplace变换技术得到了边界轴对称荷载和流体压力作用下饱和土中圆形隧道动力响应的解析解，讨论了饱和土各参数对响应幅值的影响。杨峻等考虑流固耦合作用，在Laplace变换域内得到了饱和土中圆形隧道应力、位移和孔压的解析表达式，并与经典弹性土中隧道问题的解答作了比较。上述忽略衬砌和土体的相互作用。将衬砌视为弹塑性材料，Feldgun等得到了爆炸荷载作用下圆形隧道的瞬态响应解答，而Auslender等在球面坐标下研究了弹性介质中球形空腔的瞬态响应。将衬砌等效为无扭矩的薄壁壳体结构，Glenn得到了突加和脉冲荷载作用下弹性土中球壳振动响应解答。Xie等考虑衬砌和土体的相对渗透性，分别研究了饱和黏弹性中隧道和球形空腔的动力响应，利用Laplace变换得到位移、应力和孔压的表达式，并讨论了衬砌和土体相对刚度和渗透参数对系统响应的影响。蔡袁强等采用峰值递减的三段突加三角形荷载模拟爆炸荷载，分别给出弹性和黏弹性饱和土中圆形隧道动力响应。将衬砌视为均匀弹性体，高盟等得到了饱和土和弹性衬砌动力相互作用时圆形隧道的内源问题解答。而高华喜和闻敏杰推导了具有黏弹性衬砌的深埋圆形隧道饱和黏弹性土动力响应。然而，上述都忽略了土体中气体的影响。

高饱和度土(95％≤S_r＜100％)中气体以气泡形式存在于水中。由于动荷载激励下气泡自身会产生振动效应从而影响土体的渗透性、压缩性等性质，目前对于准饱和土中弹性波波速和衰减问题已取得不少成果，但对准饱和土中隧道的动力响应问题研究较少。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制效果好、适用范围广的具有圆形隧道的准饱和粘弹性土振动响应的检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

具有圆形隧道的准饱和粘弹性土振动响应的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立准饱和黏弹性土-隧洞衬砌动力相互作用模型：无限黏弹性土体中深埋一衬砌厚度为d的圆形隧洞，衬砌内径为R₁，外径为R₂；土骨架的剪切模量为G^S，其黏性用复模量表示为G^S(1+2ξ^Si)；ξ^S为黏性阻尼比；土骨架和衬砌的泊松比分别为v^S和v^L；土体的总密度为ρ^T＝(1-n)ρ^S+nρ^F；n为孔隙率；土颗粒和孔隙流体的密度分别为ρ^S和ρ^F＝S_rρ_w；S_r和ρ_w分别表示饱和度和水的质量密度；衬砌内边界作用一圆频率为ω的径向均布简谐荷载将周土中水气混合物等价为一种均匀的流体，空气仅以气泡形式存在于水中，孔隙内只有水相连通，建立准饱和黏弹性土-隧洞衬砌动力相互作用模型；

(2)衬砌运动：将衬砌视为具有分数阶导数本构关系的均匀黏弹性体，在轴对称情形下，建立具有分数导数本构黏弹性模型的应力-位移本构关系式；

(3)边界条件：根据准饱和黏弹性土-隧洞衬砌动力相互作用模型及具有分数导数本构黏弹性模型的应力-位移本构关系式，检测在边界不渗透和自由渗透条件下，得到具有分数导数型黏弹性衬砌的深埋圆形隧洞准饱和黏弹性土稳态响应的具体解答。

所述的准饱和黏弹性土-隧洞衬砌动力相互作用模型具体为：

采用Biot两相孔隙介质理论来研究准饱和土，孔隙流体的体积模量K_f可近似为：