SV波入射下均匀饱和地层渗透系数对深埋隧道的影响机制

摘要

对于饱和场地中地下结构的抗震分析问题,地层渗透系数决定了孔隙水与土骨架耦合作用的强弱,是研究饱和地层–结构动力相互作用的关键参数之一。然而,目前研究通常基于渗透系数为零或无穷大的假定,忽略了实际地层的渗透特性且对其影响机制尚不清晰。针对不同类型均匀饱和地层对应的渗透系数分布范围,基于Biot两相介质理论,首先建立了饱和地层不同渗透系数情况下的u-w格式模型,推导渗透系数分别为有限值、零和无穷大3种情况下P_(1),P_(2),S波的波速解析表达式,分析了地层渗透系数变化对自由场波速的影响规律;进而,建立了不同类型饱和地层与深埋隧道动力作用分析模型,并与典型算例精确解对比验证了本模型的有效性;在此基础上,分别研究了砂岩、卵石土、砂土、粉土4种类型饱和地层渗透系数变化及两种极端值情况下隧道结构及周围地层孔隙水压力的响应机制。结果表明:对于不同类型饱和地层,3种体波在地层中的传播速度均随渗透系数k增加呈上升趋势,当k10^(2) m/s时,波速为最大值且与k→∞极端情况一致;对于饱和砂岩,随着渗透系数增加,隧道及地层孔压响应幅值逐渐增大且趋向于k→∞假设情况,而对于卵石土和砂土,随着渗透系数减小,隧道结构及地层孔压响应幅值逐渐增大且趋向于k→0假设情况。研究还发现,对于渗透系数在10^(-4)~10^(2) m/s范围内的饱和地层,隧道结构与地层响应结果相比渗透系数为两种极端值情况下的结果均相差较大,即此时计算模型不宜采用渗透系数为零或无穷大的假定。因此,实际工程抗震设计应重视饱和地层渗透系数对隧道结构及周围地层的影响。