地下结构抗震研究现状及其展望

地下结构抗震理论的研究现状及展望

摘要：地下工程的大规模兴起和地震的频发，使得地震对地下工程影响的研究在近几十年得到了很大的发展。无论就世界范围，还是我国的具体情况，该问题的研究都具有十分重要的现实意义。地下结构的震动特性与地面结构有很大差别，地下结构受到周围岩土介质很强的约束作用，在地震作用下自震特性表现的不很明显本文简要总结地下结构抗震的研究现状，并针对现阶段的研究进展进行合理展望。

关键词：地下工程；地震；抗震

研究现状：

地下结构在城市建设、交通运输、能源开发和国防工程等方面获得广泛应用。随着工农业生产的发展和城市化程度的提高，地下结构的重要性日益明显。目前，在世界范围内地下空间开发利用的热潮方兴未艾。我国大部分地区为地震设防区，随着地下结构建设规模的扩大，地下结构的抗震安全对于人民生命财产的保障以及城市生活的正常运行有着极为重要的意义。

在地震作用下，地下结构与地面结构的振动特性有很大的不同。二者作对比如下：（1）地下结构的振动变形受周围地基土壤的约束作用显著，结构的动力反应一般不明显表现出自振特性的影响。地面结构的动力反应则明显表现出自振特

性，特别是低阶模态的影响。

（2）地下结构的存在对周围地基地震动的影响一般很小（指地下结构的尺寸相对于地震波长的比例较小的情况），而地面结构的存在则对该处自由场的地震

动发生较大的扰动。

（3）地下结构的振动形态受地震波入射方向变化的影响很大。地震波的入射方向发生不大的变化，地下结构各点的变形和应力可以发生较大的变化。地面结

构的振动形态受地震波入射方向的影响相对较小。

（4）地下结构在振动中各点的相位差别十分明显。地面结构在振动中各点的相位差别不是十分明显。

（5）一般而言，地下结构在振动中的主要应变与地震加速度大小的联系不很明显，但与周围岩土介质在地震作用下的应变或变形的关系密切。对地面结构

来说，地震加速度则是影响结构动力反应大小的一个重要因素。

（6）地下结构的地震反应随埋深发生的变化不很明显。对地面结构来说，埋深是

影响地震反应大小的一个重要因素。

（7）对地下结构和地面结构来说，它们与地基的相互作用都对它们的动力反应产生重要影响，但影响的方式和影响的程度则是不相同的。

对地下结构的抗震分析，就是对土与地下结构相互作用的动力分析。目前地下结构抗震分析的主要研究方法有：原型观测、模型实验和理论分析。

1、原型观测

原型观测是通过地下结构在震后的变形破坏特征和实测的动力特性了解其地震响应特点。主要包括震害调查和地震量测。震害调查是在地震结束后开始的，体现的是最真实的“原型试验”结果，一直受到人们的重视，关于这方面的资料也在不断增加。但是由于受到观测时间、手段和条件的限制，很难对地震过程中的动力响应进行量测。而地震量测可以得到震害调查所无法获知的地下结构在地震时的动力响应过程。日本学者在该方面做了大量的工作，也得到了一些初步认识: 如1970 年，日本首先利用松化群发地震，测定了地下管线的动态应变，通过对测定结果的研究发现，管线与周围地基一起振动，而自身并不发生振动等。

2、模型实验法

模型实验研究分为人工震源实验和振动台实验。根据所施加动力类型的不同，振动台实验可分为简谐振动、模拟地震振动和天然振动。但由于非线性阶段叠加原理不适用，所以要用模拟地震振动的振动台。另外，因起震力较小，人工震源实验法很难反应出建筑物的非线性性质和地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响，一般不宜采用；而模拟地震振动的振动台实验法能够较好地把握地下结构的地震反应特性，以及地下结构与地基之间的相互作用特性等问题，且实验成本较低，因此得到了比较广泛的应用。模拟地震振动的大型振动台是在1970年左右从美国开始使用的。80年代末，日本国铁铁道技术研究所又利用这种方法对隧道抗震加固问题进行了实验。我国铁科院铁建所也开展了利用振动台输入地震波的隧道模型实验。90年代初，美国发展了大型模型的抗震实验技术，通过模型实验使人们能更好地了解和掌握地下结构的工作特性，为抗震理论的发展奠定了基础。总的发展趋势是：多向控制运动（双向、三向或六分量）、大台面（15mx15m；10mx10m）、大推力（100t 模型重量）和强地震动（≥1．0g）。然而，对试验中有关动力学原理若理解不当，则试验的设计与分析就会导致错误的结果或得不到结果。

3、理论分析

理论分析方法：波动理论和有限元法是地下结构抗震的两种主要的理论分析基础。地下结构抗震理论分析方法有两类：一种是波动法，另一种是相互作用法，在这两种方法基础上

发展了许多抗震分析的实用方法，如拟静力法、反应位移法、ST.John 法、围岩应变传递法、地基抗力系数法、有限元法等。目前常用的理论分析方法有：田村重二郎的质量弹簧模型法（主要针对沉管隧道而言）、福季耶娃法、ST.John 法、Shukla 法、反应位移法、BART 法、递推衍射法等。理论分析方法在国内的研究成果较为丰富。孙铁成等研究了围岩、抗减震层和衬砌等材料的刚度、阻尼和密度之间的匹配对隧道位移传递系数的影响，首次提

出了地下结构综合位移传递系数的概念；黄胜等提出一种新的基于无限元人工边界的合理地震动输入法，为地下结构抗震设计方法研究提供一定的理论参考。严松宏[13]运用概率方法和脉冲响应函数原理，探讨隧道及地下结构在弹性工作状态下随机地震响应分析及其动力可靠度研究的确定性方法，分析隧道及地下结构随机地震响应的统计特性以及隧道及地下结构地震动力可靠度；林志等在广泛总结分析国内外关于地下工程结构抗震设计文献的基础上，从多自由度体系的动力平衡微分方程出发，采用时程分析法，计算盾构区间隧道衬砌结构的地震反应，并将连续介质快速拉格朗日差分法运用到地下结构的抗震研究中，研究在地震动作用下，地下铁道的动力反应的过程；曾德顺用反应变位法对区间隧道的抗震设计中的问题进行了研究给出了隧道埋深、剪切波速、卓越周期、弹性地基刚度与隧道轴向变形和弯曲变形相互关系的结果；刘晶波在借鉴地上结构抗震分析的Pushover 方法思想的基础上，提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的Pushover 分析方法。

地下结构的震害表现形式多样, 破坏机理复杂且影响因素较多。目前, 虽然对隧道抗震减震措施和分析方法的研究工作已经展开, 但还没有形成一个系统的分析理论和完善的抗震减震方法。现有国内外的抗震分析方法都存在不同程度的不足。震害调查很难对地震过程中的动力响应进行量测，也无法控制地震波的输入机制和边界条件，更无法主动地改变各种因素以对某一现象进行有目的、多角度的研究。原型观测能客观反映规律，真实可靠，是地下隧道结构抗震研究中必不可少的手段之一，但是观测机会难得，并且观测费用昂贵。因此，原型观测在实际应用中受到了很大的限制。模拟试验是目前研究隧道地震动力响应最有效、最直观的方法，但是同时必须看到，该方法在材料动力特性的模拟、相似关系比的确定和模型边界的处理等方面还存在不同程度的困难, 而且模拟试验费用比较昂贵。理论分析方法也存在着局限性，由于地震时，支配地下结构地震反应的因素是地基变形而不是地下结构的惯性力，因此，将静力法作为地下结构抗震设计的原则是不合适的。反应位移法则略去了结构本身惯性力的影响，认为地下结构地震响应仅取决于结构所在位置的地层变位，从而把地下结构的地震反应简化成拟静力进行计算。围岩应变传递法要准确地确定合理的应变传递率是非常困难的；另外其他方法做了大量简化，精度难以保证，如动力有限元分析法在计算模型

及其参数的确定、地震波及其输入方式的选定等方面需要进行一定的简化，致使计算结果难以完全反映地下结构的复杂运动特性。

根据对已有震害的调查资料分析,地下结构的破坏主要体现在以下几方面:

(1)在地质条件有较大变化的区域容易发生破坏；

(2)修建在软弱土层中的地下工程比修建在坚硬岩石中的破坏大；

(3)地下结构上部覆盖土层越厚,破坏越轻；

(4)衬砌厚度较大的结构破坏的几率大于衬砌厚度较小的结构；

(5)在结构断面形状和刚度发生明显变化的部位容易遭到破坏,地面洞口也是经常受到地震破坏的部位；

(6)在同一地震烈度条件下,地下结构的破坏程度远远小于地面建筑物的破坏程度；

(7)对称结构发生破坏的程度要比非对称结构发生破坏的程度轻。

根据各国地下结构的震害分析,提高地下结构的抗震承载能力可以从以下几方面入手:

(1)将地下结构建于均匀稳定的地基中,远离断层,避免过分靠近山坡坡面和不稳定地段,尽量避免饱和砂土地基；

(2)在相同条件下,尽量选取埋深较大的线路,远离风化岩层区；

(3)区间隧道转交处的交角不宜太小,应加强出入口处的抗震性能；

(4)在施工条件允许的情况下,尽量采取暗挖法施工；

(5)在结构中柱和梁或顶板的节点处,应尽量采用弹性节点,避免采用刚性节点。

对现状的思考与展望

由于地下结构所处环境的复杂性及地震本身的不确定性，使得地下结构地震响应及抗震研究困难重重。虽然目前在该领域的研究热度渐高，成果也日益增多，但能转化为实际工程技术的比较少，地下结构的抗震设计仍然停留于经验阶段。对于岩土工程界的学者来说，仍然是任重道远。针对现状，许多学者也都作了很好的分析总结，提出了各自的认识，讨论了当前地下工程抗震研究存在的一些迫切需要解决的问题，如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存在的问题等。而从宏观角度出发，认为以下几个方面是工程实践中急需解决然目前研究结果尚不能给出很好解答的课题。

1) 地下结构地震响应规律研究，尤其是大跨度、复杂结构地下洞室，如大型地下厂房、商业街、地下储存库以及一些国防工程等。目前，关于这些地下结构在不同埋深、不同地质条件下的地震动力响应的认识还不够清晰。这些工程都关乎国家经济发展或是国防安全，对此

进行深入研究，意义重大。

2) 关于地下工程抗震、减震具体技术措施的研究较少，能应用于实际工程的更少，这与我国地处于多震区的国情以及高速发展的地下工程建设规模极为不符。

3) 把理论研究成果转化为技术成果的较少，抗震理论与工程实际的联系不太紧密，这也从侧面映了我们对该问题的认识水平还不高。

4) 关于软弱围岩中的隧道结构地震响应及抗震研究较少，虽然有学者对软弱地基的地震响应进行了一些研究，但也只针对于极少的几种岩( 土) 体介质，相对于我国复杂的地理环境和地质条件而言，研究范围远不够广泛，且对软土介质与地下结构的相互作用的认识还不够深入。

参考文献

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［2］王秀英，刘维宁，张弥．地下结构震害类型及机理研究［J］．中国安全科学学报，2003，13( 11)

［3］刘晶波，刘祥庆，杜修力．地下结构抗震理论分析与试验研究的发展展望［J］．地震工程与工程振动，2007，27( 6) ．［4］刘晶波, 刘祥庆, 李彬. 地下结构抗震分析与设计的Pushover 分析方法[ J ] .土木工程学报,2008,41(4):73～79

［5］严松宏．地下结构随机地震响应分析及其动力可靠度研究［D］．2003．