内爆炸荷载作用下浅埋圆形隧道与饱和砂土的非线性动力响应研究

Underground lining structures may be severely damaged by internal blast loading at times. However, the mechanism of dynamic interaction between lining and surrounding soil medium is not yet well understood , and the blast loading model and the nonlinear dynamic model of soil-structure interfaces as well as the estimation method of the extent of blast effects still need to be further studied. In this project, the dynamic response of the lining tunnel in saturated sand under internal blast loading will be studied. The models of blast loading inside the tunnel surface and the nonlinear soil-structure interfaces will be developed respectively based on a series of experimental studies. The blast dynamic response of the lining tunnel and saturated sand can be obtained, and the attenuation law.of blast waves in the saturated sand as well as the extent of blast effect inside the lining can be achieved through the experimental results. In the meantime, the experimental results can be mutually confirmed with numerical simulation. On one hand, the accuracy of the numerical method can be validated by experimental data; on the other hand, the research findings that cannot be indicated by experiments or theoretical analysis can be exhibited by numerical simulation, which can benefit the study of the blast dynamic response of the lining tunnel and the effect of anti-blast design more comprehensively. The results from this project will provide a more precise theoretical basis for the blast dynamic response and anti-seismic design of lining tunnel, which has great scientific value and practical significance.

地下衬砌结构常常会遭受内源爆炸荷载的严重破坏。目前已有的研究尚未充分阐明衬砌与周围介质的动力相互作用机理，对作用于隧道内表面的爆炸荷载、衬砌与周围岩土介质的非线性动力接触模式以及衬砌内爆炸影响范围的估算方法并不完善。本项目拟针对内源爆炸荷载作用下饱和砂土中衬砌隧道的动力响应展开研究，基于模型试验数据，建立作用于隧道内表面的爆炸荷载数学模型和衬砌隧道与饱和砂土介质的非线性动力相互作用接触面模型，揭示隧道内衬砌及饱和砂土的爆炸动力响应规律，获得爆炸波在饱和砂土介质中的传播衰减规律和衬砌内爆炸影响范围的估算方法，同时，将试验结果与数值模拟相互印证，一方面，可通过试验数据检验数值计算的准确性，另一方面，也可更全面地研究隧道爆炸动力响应规律和抗爆减震防护措施的有效性，展示在试验和理论分析中无法获取的成果。研究结论可为隧道爆炸动力响应研究和抗爆设计提供更为严密的理论基础，具有重要的科学价值和现实意义。

随着我国城市化水平的提高和城市人口的增长，能源运输管道和地铁隧道等维持城市生存功能的“生命线工程”被大量建设。人类生产活动的日益增加使得爆破作业时常难以避免，加之意外事故的频发和恐怖袭击的威胁，导致这些“生命线工程”时常会受到内源爆炸荷载的作用。在进行“生命线工程”的设计和建设时，应采取有效的抗爆防护工程措施。然而，由于内源爆炸荷载作用下地下衬砌结构的防护设计相关理论相对缺乏，目前，在“生命线工程”的设计和施工中较少考虑抗爆防护。一方面，内爆炸产生的爆炸波沿隧道径向和纵向的传播衰减规律尚不清楚，作用于衬砌内表面上的超压荷载无法准确表达。另一方面，衬砌与周围岩土介质的动力接触十分复杂，具有明显的非线性，衬砌与周围岩土介质之间的非线性动力接触模型尚未建立。本项目以此为背景，研究的主要内容和重要结果有：.（1）推导了爆炸荷载作用下隧道衬砌及周围饱和土体的三维动力响应解答，隧道内爆炸的影响范围为6倍隧道内半径。.（2）弹性介质中衬砌的径向位移和环向应力幅值小于多孔介质中衬砌的诱导径向位移和环向应力幅值。而饱和介质中的径向有效应力和径向总应力的振幅小于弹性介质中的振幅。.（3）推导了爆炸荷载作用下隧道衬砌及周围非饱和土体的二维动力响应解答。饱和度对隧道衬砌及周围土体的瞬态动力响应具有显著的影响，且这种影响受荷载形式的影响。.（4）理论计算和现场试验证实Duxseal材料具有优良的吸振性能，可用于隧道衬砌的抗爆防护。. 本项目推求了内爆炸作用下衬砌结构及周围岩土介质的二维、三维动力响应解答，获得了爆炸荷载作用下衬砌结构内应力传播衰减规律及周围介质参数对内应力的影响机理，得出了爆炸荷载的影响范围，提出并证实了Duxseal高阻尼材料具有优异的隔振减振性能。研究成果可直接用于“生命线工程”、人防、国防等地下衬砌结构的抗爆防护设计，具有重要科学意义和工程应用价值。