Tunnel–ground interaction analysis: discrete beam–spring vs. continuous FE model

Abstract

Original scientific paper For the purpose of studying the soil-tunnel structure interaction, a number of two-dimensional linear numerical analyses has been performed with the aid of the software package ANSYS. The present study employs both discrete beam-spring and continuous FE models, in order to estimate their ability to simulate the soil-structure interaction effects. Since these effects are particularly pronounced during seismic events, the main attention has been focused on dynamic analyses. The earthquake loading is simulated under pure shear conditions and determined by the one-dimensional free-field ground response analysis using the code EERA. Results obtained by simplified dynamic analyses are compared with state-of-practice closed-form elastic solutions and significant factors influencing the tunnel-ground interaction are evaluated. In addition, with the author's aim to develop more realistic and relevant models, effects of initial static conditions are also considered in the analyses. Keywords: circular tunnel; continuous FE model; discrete beam-spring model; soil-structure interaction; static and dynamic loads Analiza interakcije tunela i tla: diskretni model s oprugama nasuprot kontinuiranom modelu s konačnim elementimaIzvorni znanstveni članak U cilju istraživanja interakcije tunela s okolnim tlom, provedene su dvodimenzijske linearne numeričke analize primjenom softvera ANSYS. Istraživanja su obuhvatila diskretni model s oprugama i kontinuirani model s konačnim elementima, kako bi se ispitala njihova sposobnost u simuliranju efekata interakcije konstrukcije i tla, s posebnim osvrtom na dinamičke analize, imajući u vidu da su ovi efekti posebice izraženi u seizmičkim uvjetima. Utjecaj potresa, simuliran u uvjetima čistog smika, određen je jednodimenzijskom analizom seizmičkog odgovora tla primjenom softvera EERA. Rezultati dobiveni pojednostavljenim dinamičkim analizama upoređeni su s najčešće primjenjivanim analitičkim rejšenjima, uz sagledavanje najznačajnijih faktora koji karakteriziraju interakciju tunelske konstrukcije s okolišem. U cilju razvoja što realnijih i relevantnijih modela, analizama su također obuhvaćeni i početni statički uvjeti. Ključne riječi: diskretni model s oprugama; interakcija tunela i tla; kontinuirani model s konačnim elementima; kružni tunel; statičko i dinamičko opterećenje