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聚合物材料隔离的挖填隧道地震响应分析
Satoshi Kiryu1 Yoshitaka Murono2 Hitoshi Morikawa3
1结构工程部门，JR东海咨询公司，日本东京
2地震与结构工程，日本东京铁路技术研究所，日本东京
3建筑环境部门，东京技术研究所，日本东京
总结
一种有效的方法是在挖填隧道的侧壁进行抗震能力改造，但目前还没有建立。因此，一种新型的“聚合物”隧道的抗震能力改造方法被称为“聚合物隔离法”应运而生。在这种方法中，由聚合物材料制成的薄壁，被称为“隔离墙”。“隔离墙”被插入到地下和隧道的侧壁之间。我们通过数值模拟，证明了我们所提出的减小隧道地震响应的方法的有效性。结果表明，该方法取决于隧道的土体覆盖厚度和土体与结构之间的刚度比。此外，为了方便起见，还提出了一个简单的图表简单介绍了聚合物隔离方法的适用范围，用于挖填隧道的抗震能力改造设计。虽然这张特定的图表是通过一个有限的例子获得的，但是其他一些典型的例子在特殊情况下还可以实现图表的情况，以及适用性并提出了该图表的适用性和局限性以及使用时的地面和隧道结构的可能条件。
关键词 ：挖填隧道，隔离墙，聚合物高分子材料
1介绍
在1995年的Hyogoken-Nanbu地震(神户大地震)之后，两种不同类型的地震地面运动，即I级和II级，被引入到日本土木工程结构新的设计规范中。第二阶段的运动，特别是，用来描述最严重的地面运动，这种地面运动会影响特定的结构。结构随着第二阶段运动而不发生倒塌是必要的前提。这个概念应用于新的结构设计，包括挖填隧道。在1995年之前，现有隧道的抗震性能是根据传统常规规范设计的，这些隧道也被调查以确定它们在第二阶段运动中是否安全。不幸的是，我们有时会发现挖填隧道中的一些柱子和隔离墙的抗震性能不足一般来说,它是由于缺乏新的空间，无法用新的隧道取代这些抗震性能不充分的隧道。因此，有必要改造现有的隧道并提高它们的抗震性能。对于在地面上建造的建筑物，如桥墩，高架桥，等等，已经有许多有效的提高抗震性能方法被提出。一些研究人员已经提出了改造和覆盖隧道的技术，但这并不能满足目前的设计规范。
例如，一种通过在侧壁中插入许多螺栓来提高剪切刚度的方法，另一种方法用一种软材料包裹结构的方法来隔离隧道[4，5]。不过，在目前的情况下，我们可以会发现这些技术极少应用于实际结构上。因为用于建筑的时间和空间是有限的，并且需要避免隧道内的交通，这点是很难在隧道内做工作。因此，我们应该考虑从外部改造隧道的方法。日本公共事业研究所提出隔离技术是一种强大的方法，可以应用于隧道的外部。在这些技术中，这种抗剪刚度不超过隧道周围土体抗剪刚度百分之一的软材料作为隔离层可以有效地进行工作。之前提出的隔离方法要求隧道外需要完整包装，包括隧道的末端也需要包裹软材料。实际上，将这些隔离方法应用于现有的隧道是不可能的。
总的来说，地下挖填通道的地震响应取决于隧道周围地面的变形。这意味着我们可以在隧道和土体之间使用隔离技术来提高隧道的抗震性能。在土体和隧道之间建立隔离体这一概念下，我们已经提出了一种新的方法用于改造挖填隧道的抗震性能。一种由抗剪刚度极小
聚合物材料做成的薄壁在隧道的地面和每个侧壁之间插入。我们将这种技术称为“聚合物隔离法”(以下简称PIM)并且称这种被插入的薄壁为“隔离墙”。据估计这些隔离墙将减少由于地面和隧道变形中产生的地震荷载作用。我们介绍了PIM的概要，并演示了该技术的有效性。为了设计对挖填式隧道的抗震改造，在进行详细的设计过程之前，第一必须确定PIM的近似有效性。为了这个目的，我们制作了一个简单的图表来表示隔离墙的抗震性能。这个图表是通过一个有限的例子获得的。因此，我们也会讨论图表是否可以应用于地面和隧道结构特殊或者极端的情况以及该方法的通用性和适用性。
2数值分析的设置
2.1隧道和地层条件
图1显示了我们在这个研究中所涉及的隧道的横截面视图和地面的参数。我们认为最典型的例子是在日本的一座具有丰富的地下软土沉积物的城市化地区的一条挖填式隧道结构。
图1 地面和隧道的情况
挖填隧道的地震响应
这条隧道被称为“单层双跨隧道”，隧道高6m，宽16m，埋在由软土，黏土和沙土组成的分层介质中。对于数值分析，采用二维非线性有限单元法。图2展示了用于隧道分析的模型示意图。我们用固体单元表示土体和聚合物材料，并且用梁单元代表隧道。我们分别给予土体、聚合物材料和隧道一些非线性特性。土体的特性是由改良的Ramberg-Osgood模型所模拟的[7]，聚合物材料是双曲模型，隧道用的是三线性模型[8]。聚合物材料的抗剪刚度仅为土体的1/100。每个隔离墙的宽度都是800mm，地面到隧道的底部都插入隔离墙，如图2所示。水平滚柱基础用于计算区域的垂直边界，并且在该区域底部的水平边界使用粘性边界。
2.2.输入地震运动
对于数值分析，我们使用了图3所示的历史时间轴，这是日本铁路结构抗震设计规范中提供的时间序列之一[9]。
Newmark的beta;方法被应用于时间的整合(beta;=1/4)，并且时间增量为1/1000 s，分析的持续时间是16秒。土体和结构的阻尼常数被认为是瑞利阻尼的阻尼常数，即5%。
当然，我们应该考虑输入一种振幅不太大的地震运动。日本铁路结构的设计规范也提供了一种适度的地面运动，称为L1，最大加速度为137加仑(cm/s2)。我们将L1运动应用于数值模型，我们发现，无论有没有隔离墙，隧道的响应是一样的。这表明隔离墙对适度的地面运动是不明显的。由此，图3中所示的运动被应用到下面的分析中。
图2 数值分析模型
图3 输入地震运动
2.3.分析设置
表I列出了分析中不同条件的设置。每一种情况都是在没有隔离墙的情况下进行测试的。在A的情况下，隧道覆盖的土体厚度为0m。在B和C的情况下，隧道覆盖了5m土体。在情况C中，结构的刚度与其他情况不同。在B情况中，为了讨论土体覆盖的影响，将上部板和土体之间的摩擦力移除。这可以通过一种无摩擦的薄片来实现，并且在数值模型中应用联合单元来表示这个无摩擦的薄片。
对于讨论PIM的基本性能，我们选择了典型的地面条件和结构。特别是，情况c-a和c-b被认为是无效的。通过对这三种情况的讨论，我们将阐明控制PIM性能的参数。在讨论之后，图16中显示了PIM在各种不同地面和结构情况下的有效性和局限性。
3.结果与讨论
3.1.截面力的初始条件
地下结构通常是通过覆盖的平衡土体重量，地面的反应力，以及土体对侧墙的压力实现稳定的。由高分子材料制成的剪切刚度非常小的隔离墙，在地面和隧道结构之间插入，如图2所示。第一个问题是设置每个隔离墙引起的压力的初始条件。检查此部分压力以确定初始状态的安全很重要。尽管在实践中，考虑建设的进展非常重要，但是无论这个PIM是否有效，我们会在分析中省略这个，因为这个研究的目的是定性评估。
钢筋混凝土结构主要因为剪断而失效，而不是因为弯曲而失效。一旦发生了剪切破坏，结构会发生剧烈的坍塌。另一方面，虽然在弯曲失效后，位移会增加，但结构不会坍塌。考虑到对塌陷的共同认识，隧道的坍塌通常是由剪断引起的，这与结构构件受到的剪切力有关。在几十年前被建造钢筋混凝土结构，需要进行一次抗震改造，这种结构由于没有足够的加箍钢圈，所以没有足够的抗剪强度。我们从最近地震的破坏中了解到这一弱点[10]。一般来说，这些旧结构的抗剪承载能力比抗弯承载能力更重要。因此，我们把讨论的重点放在结构的抗剪承载力上。
表1. 分析设置(每一种条件都是根据对刚度和摩擦的分析来命名的，例如“B-d”)。
|
土体覆盖层 |
结构的刚度 |
隔离墙和摩擦的情况 |
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a |
b |
c |
d |
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无隔离 |
有隔离 |
无隔离 |
有隔离 |
||||
|
有摩擦 |
无摩擦 |
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土 壤 覆 盖 和 刚 度 情 况 |
A |
无 |
刚性 （EI） |
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||
|
B |
有 |
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||
|
C |
有 |
柔性 （0.3EI） |
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|
|||
E杨氏模量，I惯性矩。
地下挖填隧道的地震响应
无论有无隔离墙，隧道在静止条件下受到的剪切力在图4中显示为A和B。在提供给读者的信息中，弯矩也被计算出来，如图5所示。如图5所示，弯矩的结果与剪力的结果非常相似。虚线表示的是没有隔离墙部分的局部受力情况，而实线则显示了有隔离墙部分的局部受力情况。通过对比虚线和实线，可以观察到，在所有情况下插入隔离墙会改变截面的受力情况。在A-a和B-b的情况中,在隔离墙的作用下，侧壁下部的角落周围的受力会减少，但是在较低的底板中心周围的受力会稍微有所增加。在B-a和B-b的情况下，有隔离墙作用，侧壁上部和下部末端的局部受力有所减少，但是上部平板和下部的平板中间部分局部受力会有所增加。因为情况B的截面受力状况受隧道上方土体覆盖的影响，所以截面受力的分布是关于侧壁中心水平线对称的。
在隧道的角落里设置的PIM会减少隧道局部受到的剪力和弯矩，在图4和图5中的虚线区域里面画出实线表示。然而，受力情况却因隔离墙而有所增加，在图中表现为实线位于虚线之外。这是由侧壁的隔离材料引起的，并且弯矩集中在上下板的中心。
从上述结果中可以看出，在将PIM应用到现有的隧道之前，检查并且验证上板和下板的抗剪承载力是否足够是基本的也是重要的过程。
3.2.聚合物隔离法的有效性
接下来，我们考虑在地震地面运动中隧道的表现，如图3所示。图6显示了由于A和B两种情况的地面运动而产生的最大剪切力的分布。虚线和实线分别显示了截面在没有隔离墙和有隔离墙条件下的局部受力情况。这些受力分布的形状与在静止条件下受到剪力时的受力分布形状相似。
图4 静力条件的剪力。(a)情况A A-a和A-b。(b)情况B B-a和B-b。
图5静力条件的弯矩。(a情况A A- a和A-b。(b情况B B-a和B-b。
图6. 地震地面运动的最大剪切力的比较。（a）情况A A- a和A-b。（b）情况B B-a和B-b。
在此图中，观察到侧壁和下板的剪力明显降低。在比较图4和图6时，我们可以认识到，在地面运动中最大的受力依赖于那些由静态条件带来的力量。这就意味着使用截面最大受力的绝对值来评估隔离墙的有效性是不现实的。因此，我们引入了规范化参数alpha;，alpha;的定义如下：
（1）
这里alpha;表示，在地面运动过程中，有隔离墙时截面最大受力与没有隔离墙时截面最大受力的比。Q表示剪力，并且下标lsquo;maxrsquo; and lsquo;intrsquo;分别表示在地面运动时，所受剪力最大值的绝对值和在静止状态时的剪力值。从索引alpha;的定义中，我们可以说，PIM可以有效地减少alpha;小于1的地震负荷。索引alpha;的值显示在图7中，在不同的部位中有三种不同的情况，即侧壁、上板和下板，以及支柱。从图7中A和B的比较，土体覆盖面积变大，导致隔离墙的有效性降低了。另一方面，从B和C的比较中可以发现，土体与
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