地下结构抗震研究综述

关键词：地下结构；抗震；综述 

　　1 引言 

　　地震对人们的生命财产安全带来严重威胁。随着城市建设的发展，地下铁道、地下管道等地下结构蓬勃发展，其结构的抗震减震问题得受到工程人员的日益关注。同一次地震作用，对地下结构和地面结构的结构动力反应是不一样的。对于地上结构的自振特性变化可以引起结构反应产生质的突变；对于地下结构，由于地基土对振动变形的约束作用，地基的运动特性对于地下结构的影响更大。针对此类结构，地基地震动的研究意义更为重要。 

　　2 各类地下结构震害特点及影响因素 

　　2.1 地下铁道震害特点及影响因素 

　　1995年阪神地震前，关于地下结构的震害研究，工程人员的关注点主要侧重于地下线型结构及供水系统，并且“地下建筑物在地震时随着地基的运动而运动”是工程人员的共识，因此地下结构的震害报道范围较为狭窄。而阪神地震中，地震对于地铁车站和区间隧道产生不同程度的破坏，例如大开站超过50%的中柱完全倒塌，上覆层大量沉降，最大值能达2.5m。此次震害调查的主要结果为：中柱开裂、坍塌，顶板开裂、坍塌，侧墙开裂等。 

　　震害影响因素主要有：地质状况优劣的影响；地层构造的影响；地震波对结构造成的水平及垂直振动的影响；结构体型和建筑材料的影响；上覆土层厚度的影响；软弱地基的影响等 

　　2.2 地下管道震害特点及影响因素 

　　地下管道的种类繁多，归纳起来主要有：地下供水管线，地下排水管道，地下输油、输气管道，大直径混凝土管道等。通过震害调查发现，地下管道的破坏形式如下：（1）小直径的管道由于截面尺寸小，易发生破坏；（2）接头处连接不可靠，脱位现象严重；（3）地层液化导致管体塌落；（4）对于采用焊接工艺的钢管，若处于液化、断层错动和滑坡现象的地区，其发生破坏的概率相当高。 

　　分析地下管道的结构，通常由管段和管道附件组成。此类结构在地震中，较易发生以下基本破坏类型：（1）管道接口破坏；（2）管段破坏；（3）其他连接部位的破坏。通常管道接口破坏居多，因为接口处的抗震能力较为薄弱。工程中为了防范此类破坏，常采用抗震能力较强的柔性接口，变形较大，延性良好，震害率明显低于刚性接口。 

　　地震对地下管道破坏原因，主要包括由场地破坏造成的次生破坏，以及由强烈的地震波传播造成的破坏。场地破坏主要是大地的构造性运动，比如断层滑动、地壳构造性上升或沉陷等；砂土液化、土的侧向移位、土体震密及土层震裂等。 

　　2.3 地下隧道震害特点及影响因素 

　　地下隧道所处的环境一般在山岭或者水底。通常认为隧道本身也是一种有利的抗震结构体系。除非地震烈度比较高，或者地震坐落在地震烈度带或者隧道本身具有特殊的地质或者构造条件，若遭遇普通地震作用，隧道的震害较为轻微。通过广泛的震害调查，隧道震害的主要特点如下：（1）隧道拱顶部易出现由于拱顶的剪切破坏而产生的裂缝；（2）隧道内部施工缝处为抗震薄弱环节，比如在拱、侧壁的施工缝部位容易出现压缩性裂缝，或者环向施工缝处剥落，造成板底隆起或倾斜。 

　　目前对隧道地震作用机理研究较少，通过理论分析和数值计算进行抗震设计尚无成熟方法。隧道抗震设计，一般依据以往经验采取适当的抗震措施进行保证。抗震措施包括合理选择隧道地址、衬砌材料的选择和保证施工质量等方面的综合考虑，以及在必要时采用加固措施。 

　　3 地下结构抗震研究方法 

　　3.1 原型观测 

　　原型观测主要是了解实际地震作用下，地下结构的地震动力响应特点。模型试验很难模拟地震后土体和结构物的变形，故采用原型观测对地下隧道结构进行抗震研究，主要方法为震害调查和现场试验。震害调查虽然有一定的滞后性，但真实性最强。1995年日本阪神地震后进行的震害调查，为地下结构的抗震研究积累了大量的有益资料。但动力响应量测困难，同时地震波的输入机制和边界条件控制较为困难，更无法主动改变各种因素，因此如果要对某一现象进行有目的、多角度的研究，仍得借助现场试验。 

　　3.2 模型试验 

　　随着土-地下结构相互作用的研究深入，不同地下结构地震响应的计算方法不断发展。模型试验对于验证理论计算模型的合理性，以及分析土-结构动力相互作用的机制必不可少。通过激振实验（人工震源实验和振动台实验）研究地下结构的响应特性。人工震源实验应用不多，主要是较难反映结构的非线性及地基断裂等因素对隧道结构的影响。振动台实验则能弥补这方面的缺陷，但是对试验区域的选择和地基特性的模拟有待进一步研究。 

　　3.3 理论分析 

　　目前，地下结构抗震理论分析方法种类繁多。按照解析法或数值法的应用程度，大致分为解析法、半解析法半数值法和数值法。也可根据分析对象的空间考虑情况，分为横断面抗震计算方法、纵向抗震计算方法和三维有限元整体动力计算法。本文主要针对数值方法进行相关阐述。 

　　将场地地基土、基础与结构各个部分视为整体计算，考虑土体的非线性和非均质性等动力特性，得到结构和土体的动力反应的分析方法。有限元法、有限差分法、离散元法、边界元法及其杂交法是主要的方法。 

　　有限元将整个土-结构体系进行有限元离散化并计算动力反应的分析方法，但需要引入人工边界以反映有限计算域外的无限域对计算域的作用。刘晶波[1]等建立的结构-地基动力相互作用分析的直接有限元法，既可以模拟半无限地基的辐射阻尼，也能模拟远场地球介质的弹性回复性能。廖红建[2]等针对轴对称体形和近似轴对称体形的地基-结构体系的共同作用进行有限元法研究，并进行相应验证。 

　　有限差分法同样也适用于解决体系的非均质性和非线性问题。王明洋[3]等基于总应力动力分析法，考虑不同方向的地震荷载及其耦合，水位深度等因素对大坝动力特性的影响，得到了地震荷载作用下大坝的液化区域和位移矢量的分布趋势。 

　　离散元法由Cundall于上世纪70年代初提出。其原理为：假定岩体由互相切割的刚性块体组成，利用刚体动力学，分析岩体的大变形和失稳过程。后来动力离散元法得到发展，陶连金等采用动力离散元法对某大断面地下洞室在地震荷载作用下的动力影响及围岩稳定性进行分析，模拟出围岩失稳和破坏的全过程，并对节理岩体中洞室围岩变形和破坏机制进行深入研究。 

　　就解决几何形状复杂和非均质、非线性问题方面，有限元法、有限差分法和离散元法比较优越，而解决均质、线性无限和半无限介质等方面，边界元法较合适，故研究人员逐步开展耦合法的研究。杨小礼[4]等采用有限元与无限元耦合方法讨论交通隧道在地震波作用下震动反应问题，并考虑地基土的非线性与层状型。 

　　4 结束语 

　　虽然对于地下结构的研究日益增多，成果也日益增多，但地下结构的抗震设计主要依据经验设计，这和地下结构所处环境的复杂性，以及地震活动的不确定性等因素息息相关。对于岩土工作者来说，任然存在大量的困难，目前希望能在地下结构振动模型试验研究技术、土体非线性动力本构模型等方面得到深入研究。 

　　参考文献 

　　[1]刘晶波，吕彦东.结构-地基动力相互问题分析的一种直接方法[J].土木工程学报，1998，31（34）：55-64. 

　　[2]廖红建，宋丽，等.地震荷载作用下地基-结构相互作用分析[J].岩土工程学报，2001，20（A01）：1142-1148. 

　　[3]王明洋，国盛冰，等.抗震液化的总应力合成分析方法[J].防灾减灾工程学报，2003，23（1）：1-10. 

　　[4]杨小礼，李亮.层状地基中交通隧道地震反应分析[J].长沙铁道学院学报，2000，18（4）：15-19.