一种深埋隧道减震层优化设计方法、存储介质及设备技术

本发明专利技术涉及一种深埋隧道减震层优化设计方法、存储介质及设备，所述设计方法包括以下步骤：根据隧道

【技术实现步骤摘要】
一种深埋隧道减震层优化设计方法、存储介质及设备


[0001]本专利技术属于隧道工程领域，涉及一种深埋圆形隧道参数设计方法，尤其是涉及一种深埋隧道减震层优化设计方法、存储介质及设备。

技术介绍

[0002]隧道作为重要的公共基础设施，其地震安全问题不容忽视。在高烈度地区隧道工程中采用减震措施，隧道结构的抗震性能将大大提高。隧道减震层的设计理论和减震层参数优化设计方法在高烈度区隧道工程设计和施工过程中具有重要的意义。
[0003]近二十年以来的研究表明，在隧道和地层接触面上覆盖一层减震层可以减小隧道的地震响应。相关研究对沥青、泡沫混凝土和橡胶等柔性材料的减减震性能进行研究，结果表明柔性减震层可减小地层
‑
结构的相互作用影响，在隧道和地层间铺设柔性减震层是减小隧道地震损伤的有效措施，且隧道与地层之间的相对刚度比对减震层的抗震效果有显著影响。
[0004]然而如何精确、快速实现减震参数的设计是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效、合理的深埋隧道减震层优化设计方法、存储介质及设备。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种深埋隧道减震层优化设计方法，包括以下步骤：
[0008]根据隧道
‑
减震层
‑
地层三者相互作用的力学特性进行简化假定处理，构建隧道
‑
减震层
‑
地层的力学分析模型；
[0009]基于所述力学分析模型，考虑隧道
‑
减震层界面无相对滑动和完全光滑两种边界条件下，计算在地震拟静力荷载下的深埋隧道衬砌内力和衬砌变形，获得最优减震层设计参数。
[0010]进一步地，所述简化假定包括：
[0011]A、远场地震波长远大于结构直径，且隧道埋深足够深；
[0012]B、在平面应变条件下，地面、减震层和隧道衬砌为均匀的弹性各向同性体；
[0013]C、减震层
‑
地层界面无相对滑动。
[0014]进一步地，所述减震层设计参数包括减震层弹性模量、减震层泊松比和减震层区域厚度。
[0015]进一步地，所述计算在地震拟静力荷载下的深埋隧道衬砌内力和衬砌变形具体包括以下步骤：
[0016]1)基于地层弹性模量、地层泊松比、衬砌弹性模量和衬砌泊松比，确定初始减震层设计参数；
[0017]2)将当前的减震层设计参数代入Airy应力函数系数表达式，进而获得对应的衬砌
内力和衬砌变形；
[0018]3)判断所述衬砌内力和衬砌变形表示的减震效果是否达到设定要求，若是，则确定最优减震层设计参数，若否，则调整当前的减震层设计参数返回步骤2)，重新计算。
[0019]进一步地，所述Airy应力函数系数表达式具体为：
[0020][0021][0022]式中，a0、b0、A0、a2、b2、a
′2、b
′2、A
′2、B
′2是Airy应力函数系数，τ是等效地震远场剪应力，E2是减震层弹性模量，ν2是减震层泊松比，E1是地层弹性模量，ν1是地层泊松比，E
s
是衬砌弹性模量，ν
s
是衬砌泊松比，R1是减震层区域内径，R2是减震层区域外径，t
c
是减震层厚度，r是极坐标系下极径，θ是极坐标系下极角，m
i
、n
i
是相对刚度系数，i＝1,2,3,4。
[0023]进一步地，在隧道
‑
减震层界面无相对滑动的边界条件下，所述相对刚度系数m
i
、n
i
由下式计算：
[0024][0025]在隧道
‑
减震层界面完全光滑的边界条件下，所述相对刚度系数m
i
、n
i
由下式计算：
[0026][0027]式中，A
s
和I
s
分别是每延米长度衬砌截面积和截面惯性矩。
[0028]进一步地，所述衬砌内力根据衬砌内力
‑
应力关系得到，计算方式如下：
[0029]在隧道
‑
减震层界面无相对滑动的边界条件下，衬砌内力如下：
[0030][0031]在隧道
‑
减震层界面完全光滑的边界条件下，衬砌内力如下：
[0032][0033]式中，T、M分别是衬砌轴力和弯矩。
[0034]进一步地，所述衬砌变形基于减震层的应力场和位移场获得，所述应力场和位移场的计算公式为：
[0035][0036][0037][0038][0039][0040]式中，E2、v2是减震层的弹性模量和泊松比，和分别是减震层的径向和切向位移，分别表示减震层径向正应力、环向正应力和剪应力，n表示Airy应力函数级数项数，a
′0、a
′
n
、b
′
n
、a
n
、b
n
表示Airy应力函数系数。
[0041]本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述深埋隧道减震层优化设计方法的指令。
[0042]本专利技术还提供一种电子设备，包括：
[0043]一个或多个处理器；
[0044]存储器；和
[0045]被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述深埋隧道减震层优化设计方法的指令。
[0046]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0047]可提高隧道减震层设计的合理性和计算效率
[0048]1、本专利技术在简化假定的基础上构建隧道
‑
减震层
‑
地层的力学分析模型，能够合理、高效地描述含减震层的深埋圆形隧道受力特点，所建立的力学分析模型能够清晰地表征衬砌
‑
减震层
‑
地层三者相互作用和受力传递机制；
[0049]2、本专利技术基于Airy应力函数、平衡方程、几何方程和地层、结构本构方程的分析，能够简洁明确地表达含减震层对隧道的减震效果，提高深埋隧道减震层优化设计的效率；
[0050]3、本专利技术方法不仅快速实用，而且还可以进行参数分析，进一步确定最优化的减
震层材料参数和减震层厚度；
[0051]4、本专利技术的深埋圆形隧道减震层参数设计方法，可以广泛用于隧道的减震设计施工工程中，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
[0052]图1为本专利技术含减震层深埋圆形隧道计算简图，其中，(a)为远场剪应力荷载简图，(b)为旋转等效荷载简图；
[0053]图2为本专利技术的流程示意图。
具体实施方式
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深埋隧道减震层优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据隧道
‑
减震层
‑
地层三者相互作用的力学特性进行简化假定处理，构建隧道
‑
减震层
‑
地层的力学分析模型；基于所述力学分析模型，考虑隧道
‑
减震层界面无相对滑动和完全光滑两种边界条件下，计算在地震拟静力荷载下的深埋隧道衬砌内力和衬砌变形，获得最优减震层设计参数。2.根据权利要求1所述的深埋隧道减震层优化设计方法，其特征在于，所述简化假定包括：A、远场地震波长远大于结构直径，且隧道埋深足够深；B、在平面应变条件下，地面、减震层和隧道衬砌为均匀的弹性各向同性体；C、减震层
‑
地层界面无相对滑动。3.根据权利要求1所述的深埋隧道减震层优化设计方法，其特征在于，所述减震层设计参数包括减震层弹性模量、减震层泊松比和减震层区域厚度。4.根据权利要求1所述的深埋隧道减震层优化设计方法，其特征在于，所述计算在地震拟静力荷载下的深埋隧道衬砌内力和衬砌变形具体包括以下步骤：1)基于地层弹性模量、地层泊松比、衬砌弹性模量和衬砌泊松比，确定初始减震层设计参数；2)将当前的减震层设计参数代入Airy应力函数系数表达式，进而获得对应的衬砌内力和衬砌变形；3)判断所述衬砌内力和衬砌变形表示的减震效果是否达到设定要求，若是，则确定最优减震层设计参数，若否，则调整当前的减震层设计参数返回步骤2)，重新计算。5.根据权利要求4所述的深埋隧道减震层优化设计方法，其特征在于，所述Airy应力函数系数表达式具体为：式中，a0、b0、A0、a2、b2、a
′2、b
′2、A
′2、B
′2是Airy应力函数系数，τ是等效地震远场剪应力，E2是减震层弹性模量，ν2是减震层泊松比，E1是地层弹性模量，ν1是地层泊松比，E
s
是衬砌弹性模量，ν
s
是衬砌泊松比，R1是减震层区域内径，R2是减震层区域外径，t
c
是减震层厚度，r是极坐标系下极径，θ是极坐标系下极角，m
i
、n
i
是相对刚度系数，i＝1,2,3,4。6.根据权利要求5所述的深埋隧道减震层优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：禹海涛，王祺，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：