基于数字信号处理技术的浅埋软岩隧道动力特性研究

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目前,随着我国地下空间和道路的大量建设,涌现出越来越多的浅埋隧道,这类工程普遍具有埋深浅和围岩等级差的特点。地震观测发现,实际发生的地震存在震级从小到大“逐渐增强”的情况,即以“地震序列”的形式产生。大量学术研究和工程震害实例表明,浅埋软岩隧道工程的抗震性能相对较差,其地震动力响应与输入地震波的频谱特性紧密相关。从试验的经济成本和可实施难易程度出发,振动台模型试验目前仍然是研究隧道及其他地下工程抗震性能的主要工具。在隧道振动台模型试验中,能够利用传感器获取地震下隧道围岩振动的加速度信号,该信号是直接反映隧道地震响应剧烈程度和评价其抗震性能优劣的重要参数。但目前针对隧道围岩加速度信号的处理和分析方式还相对单一,而信号处理相关技术则可以实现信号噪声滤波、时频特性分析以及峰值求取等功能,因此,将信号处理相关技术运用于隧道振动台模型试验中,实现对围岩加速度信号的全方面分析,这对于系统揭示隧道地震动力响应具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以已运营的成都地铁十号线簇锦站区间配线隧道工程为依托,开展浅埋软岩隧道模型振动台试验;以采集到的模型地层振动加速度信号为分析对象,利用信号处理相关技术作为分析手段,研究不同类型地震波多次逐级加载条件下,地震动在浅埋软岩隧道场地中的传播特性和模型地层的动力响应特性,主要研究内容和成果如下:(1)以成都地铁十号线簇锦站配线隧道为工程依托,开展了逐级地震荷载作用下浅埋软岩隧道模型振动台试验,分别对隧道震害现象和原因进行了描述和分析,与此同时,利用加速度传感器获得了振动过程中隧道围岩的加速度响应信号。(2)选择小波阈值滤波方法,参考其他研究成果,明确了具体的滤波方案,对采集到的原始围岩加速度信号进行滤波操作,同时比较了信号滤波前后两者时频特性方面的差异。(3)采用小波包频域多层次分解技术对滤波后的加速度信号进行3层次8频带分解,比较分析了不同类型输入地震波、不同围岩位置以及不同输入地震波幅值条件下的加速度信号各个频带能量变化情况,反映了隧道围岩的地震动力响应状况。(4)利用输入地震波加载前后正弦波扫频下的信号傅氏谱频域积分数值,在傅氏谱频域全局(0-50Hz)和频域局部各频段(0-i Hz,i取1-10)范围内,分析了不同类型和加速度幅值输入地震波对不同位置隧道围岩造成的动力影响程度,同时对这种动力影响程度进行了量化。(5)定义“改进的加速度放大系数”新参数,即MAAF(Modified Acceleration Amplification Factor),基于此参数,从不同类型输入地震波、不同位置隧道围岩、不同输入地震波加速度幅值以及信号滤波与否四个角度研究了隧道围岩的地震动力响应特性,相关研究结果能够在一定程度上反映振动信号自身的“多峰值”特点以及地震荷载下围岩土体“循环峰值受荷”的实际情况。本文利用信号处理相关技术对不同类型地震波多次逐级作用下浅埋软岩隧道围岩动力响应特性所进行的研究和分析成果,希望能够为同类型的研究提供有益的参考。
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