地下结构地震破坏机理研究_孙海峰
地下水位对核电结构地震反应的影响分析
地下水位对核电结构地震反应的影响分析作者：吴绍恒陈少林刘鸿泉孙晓颖来源：《振动工程学报》2024年第04期摘要核电结构大多沿海或沿江、河而建，在地下水位以下，土体孔隙中的流体对土层的地震响应有较大影响，进而影响核电结构的响应。
本文采用饱和多孔介质模型，考虑土‑结相互作用效应，分析地下水位对核电结构地震反应的影响。
通过传递矩阵方法，得到干土‑饱和土水平成层场地的自由场，并结合透射人工边界，实现土‑结相互作用分析的波动输入；采用土‑结相互作用的分区并行计算方法，实现饱和土和结构相互作用分析。
其中，含地下水位的场地土体采用广义饱和多孔介质模型描述，通过自编FORTRAN程序用集中质量显式有限元结合透射人工边界进行模拟，结构通过ANSYS中的隐式有限元进行分析。
以某一核电结构为例，分析了0，-10，-20，-30，-40 m不同地下水位的五种场地上，土‑基础‑核电结构体系的动力响应。
结果表明，地下水位对基础和结构的位移影响不大，对加速度的影响较大。
关键词土‑结相互作用; 核电结构; 地下水位; 饱和多孔介质; 集中质量显式有限元; 人工边界引言核电已经成为重要的清洁能源。
核电项目的选址和勘探已经在沿海地区进行，并延伸到内陆沿江地区。
在这些地区，地下水位通常较浅，地基中部分土体是饱和土。
一些震害数据表明，当地基土为饱和土时，其震害与干土有显著差异，地下水位变化也会对地震反应产生重大影响。
对场地地震反应的研究表明，地下水位的变化对地表加速度峰值、位移峰值等的放大作用有一定的影响［1‑3］。
路堤、边坡、水坝等构筑物在地震作用下，由于地下水位的变化，对其地震响应及稳定性也会产生不利影响［4‑6］。
以往对核电结构土‑结相互作用的研究主要集中在干土情形［7‑10］，而对考虑饱和土的土‑结相互作用的相关研究还是比较少的。
实际工程中，常常以地下水位为分界线，水位以上是干土，以下是饱和土。
地下水位对核电地震反应的影响如何，目前仍缺乏相关认识。
平顶山矿区深井动力灾害灾变机理及防治关键技术研究
深井动力灾害灾变机理
2、岩层控制：采煤工作面的推进速度过快或支护措施不当，可能造成工作面 顶板破碎、岩层滑动等问题，进而引发灾害。
深井动力灾害灾变机理
3、含水层的影响：矿区含水层的水位变化可能引发突水事故，同时水的介入 也可能改变岩体的物理性质，影响岩层稳定性。
3、含水层的影响：矿区含水层 的水位变化可能引发突水事故
3、该地区的地下水径流条件复杂，采煤过程中易导致地下水位下降，从而增 加了煤尘爆炸和井下突水的风险。
参考内容二
引言
引言
地质灾害是指由自然因素或人类活动引起的地质环境破坏和地质体变形的一 系列事件，具有突发性和危害性大的特点。湖南省地处山区，地质条件复杂，是 地质灾害高发区。为了有效防治地质灾害，减轻灾害造成的损失，本次演示对湖 南省地质灾害孕灾机理及综合防治进行研究。
平顶山矿区深井动力灾害灾 变机理及防治关键技术研究
目录
01 引言
03
深井动力灾害灾变机 理
02 研究背景 04 参考内容
引言
引言
平顶山矿区是我国重要的煤炭生产基地之一，然而，在开采过程中面临着深 井动力灾害的威胁。深井动力灾害不仅严重影响了矿区的安全生产，而且对矿工 的生命安全构成了极大的威胁。因此，研究平顶山矿区深井动力灾害灾变机理及 防治关键技术具有重要意义。
研究背景
研究背景
平顶山矿区位于河南省平顶山市叶县、宝丰县境内，是我国中南地区规模最 大的煤田之一。矿区面积约为1900平方公里，煤炭储量丰富，煤质优良。在开采 过程中，矿区面临着多种地质灾害的威胁，其中尤以深井动力灾害最为严重。此 前，许多学者和专家已对平顶山矿区深井动力灾害的成因和灾变机理进行了深入 研究，为防治工作提供了重要的理论支持。
龙滩水库诱发地震三维孔隙弹性有限元数值模拟
龙滩水库诱发地震三维孔隙弹性有限元数值模拟周斌;孙峰;阎春恒;薛世峰;史水平【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2014(057)009【摘要】本文以龙滩水库为例,根据库区地质构造、深部速度结构及数字地面高程,建立了库区三维有限元模型,基于孔隙弹性理论计算了水库蓄水过程中库底断层和围岩体孔隙压力、有效附加正应力、剪应力和库伦应力的动态变化,并结合水库蓄水后库区地震活动时空分布的特征,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系及其可能的成因机制.结果表明:(1)龙滩水库蓄水后地震活动呈现出明显的丛集性,主要分布在罗妥(丛Ⅰ)、八茂(丛Ⅱ)、拉浪(丛Ⅲ)、坝首(丛Ⅳ)和布柳河(丛Ⅴ)5个水库蓄水后淹没的深水区,这些区域也恰恰是库水加卸载及渗透过程中△CFS增加最明显的区域,而△CFS的影区几乎没有地震发生,表明水库蓄水后库区地震活动与△CFS的变化密切相关.(2)在水库蓄水过程中,与水库有直接水力联系且渗透性较好的断裂成为地表水体附加水头压力向深部扩散的优势通道,沿此通道附加水头压力扩散的最大深度达13 km左右,震旦系古生界以碳酸盐岩为主的地层成为附加水头压力扩散的主体层位,这与蓄水后库区中、小地震震源深度均小于13 km,且优势分布在5～10 km的特征相吻合,表明由于孔隙压力的存在降低了岩石的抗剪强度,同时部分抵消了围压的影响,致使该层位的岩体易于产生脆性破坏从而诱发地震活动.(3)无论是深部还是浅部,各丛地震密集发生的时段绝大部分与相应深度△CFS加速升高或阶段性高值时段相重叠,可能说明在库水位快速抬升或阶段性高值时段,受外部荷载加载速率快速升高的影响,库底岩体和断层、裂隙等结构面更容易实现失稳扩展;深、浅部地震响应时间、活动频度和强度的差异可能与不同层位岩体力学性质及渗透性能的不均匀性有关.(4)各丛地震诱发的物理力学机制有所不同.丛Ⅰ、丛Ⅱ、丛Ⅲ地震的诱发可能与库体重力荷载、孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用都有关;丛Ⅳ地震的诱发主要受控于库体重力荷载作用,孔隙压力扩散和库水浸润弱化不起主导作用;丛Ⅴ地震的诱发主要受孔隙压力扩散和库水浸润弱化作用的影响,库体重力荷载作用一定程度上抑制了地震的发生.【总页数】23页(P2846-2868)【作者】周斌;孙峰;阎春恒;薛世峰;史水平【作者单位】广西壮族自治区地震局,南宁 530022 ;中国地震局地球物理研究所,北京100081;中国石油大学(华东),青岛 266580;广西壮族自治区地震局,南宁530022;中国石油大学(华东),青岛 266580;广西壮族自治区地震局,南宁 530022【正文语种】中文【中图分类】P315【相关文献】1.三维层状孔隙介质中弹性波的一种积分表达式Ⅰ:理论 [J], 李娜;任恒鑫;黄清华;陈晓非2.三维层状孔隙介质中弹性波的一种积分表达式Ⅱ:正确性检验和数值模拟实验 [J], 李娜;任恒鑫;黄清华;陈晓非3.利用三维孔隙弹性模型探讨紫坪铺水库对汶川地震的影响 [J], 孙玉军;张怀;董树文;郑亮;张贝;程惠红;石耀霖4.龙滩水库诱发地震的孔隙压力扩散特征 [J], 刘耀炜;许丽卿;杨多兴5.孔隙缺陷对三维编织C/C复合材料等效弹性性能的影响 [J], 魏坤龙;史宏斌;李江;唐敏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
地下结构地震破坏机理研究
完成了可液化砂土层中地下结构大型模拟振动台试验。通过对比可 液化砂土层中和粘土层中地下结构振动台试验中加速度数据放大系数可 以发现：相同峰值地震动输入时，相同埋深处的粘土层中地下结构加速 度放大系数大于砂土层中地下结构加速度放大系数，这说明砂土液化对 地下结构有减震作用。从试验后检验也可以发现，液化后的土体中，试 验模型没有明显的破坏，但液化后由于孔隙水压力的增加，使得模型结 构产生了明显的上浮现象，对于本次试验，由于砂土层是水平成层的， 试验模型仅是独立的地铁车站模型，结构上浮基本上是均匀的，可以推 断：在实际地铁工程中，如果隧道或地铁车站处于不均土层中，液化后 将导致严重的不均匀上浮或沉降，将引起隧道或结构的断裂等严重破坏。
中国地震局工程力学研究所 博士学位论文
地下结构地震破坏机理研究 姓名：孙海峰
申请学位级别：博士 专业：岩土工程 指导教师：王宁伟 2011-05
摘要
摘要
工程地质分析原理论文 场地地质条件对地震震害效应的影响分析详解
研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科目：工程地质分析原理教师：姓名：学号：专业：建筑与土木工程类别：专业上课时间：考生成绩：阅卷评语：阅卷教师(签名)重庆大学研究生院制场地地质条件对地震震害效应的影响分析姓名：田麒琳学号：摘要：本文通过对地质条件的分类陈述，以及相关文献资料的综述，阐明了场地地质条件对地震震害的影响，介绍了在抗震设计中如何考虑地震场地影响的途径。
综述相关文献对地震动参数的影响的研究分析，诸如相关的经验系数和经验公式等。
最后得出了选址和灾害防治的相关对策和建议。
关键词：场地地质条件地震震害地震动参数1.绪论地震是各种自然灾害之元凶。
我国位于环太平洋地震带与地中海-喜马拉雅地震带的中间区域，西部与西南部则处于地中海-喜马拉雅地震带所经过的地段，地壳构造运动强烈，地震活动频繁，是世界上地震灾害最为严重的国家之一。
我国几乎所有的省、自治区和直辖市，在历史上都遭受过6级或者6级以上地震的袭击。
地震给人们带来巨大灾害和财产损失，人员伤亡。
因此，许多国家对地震预报都给予了很大的重视。
但是，人们也注意到，即使是成功地预报地震，地震灾害仍然会发生，若对建筑物进行有效的抗震设防，就能抗御地震的袭击，避免在大地震时，出现结构毁坏，从而减轻地震灾害并大大减少人员伤亡。
国内外地震现场调查表明，场地条件对震害有着十分明显的影响，要使工程建设真正达到减轻地震灾害之目的，选择有利的建筑场地，乃是一项根本性的减灾措施。
从目前的资料来看,较早开展场地条件对震害影响研究的学者是美国人Wood。
他对1906年美国旧金山大地震震中区附近的震害做了详细现场调查[1]1.1 国内研究现状60年代周锡元对这一领域的工作作了较全面的总结。
文献[2]是相对早期的系统阐述场地条件与地震的文章。
在对已发生的震区作调查时，使用“烈度”这个概念尽管比较方便，可是在研究场地条件对震害的影响时，只考虑“烈度”这个笼统的概念是不够的，因为这里更重要的还在于弄清场地对震害影响的原因[2]。
地铁车站地震反应和破坏机理分析
地铁车站地震反应和破坏机理分析近几十年,随着我国国民经济的发展和城市人口的逐渐增加,地下结构得到前所未有的发展,全国各地修建了越来越多的大跨度多形式的地下建筑物。
以前由于震害资料较少,人们普遍认为地下结构抗震性能好,对地下结构抗震分析研究不多。
但在神户地震中,地下结构遭受了严重的破坏,其中,大开地铁车站因坍塌而完全丧失使用功能,并且致使正上方主干道塌陷2.5米之多,影响了灾后救援工作,本次地震中地铁结构造成的经济损失达到300亿日元。
此后又出现了很多地下结构遭受地震破坏的实例。
在我国,目前还没有具体统一的地下结构抗震设计规范可循,地下结构抗震研究很不成熟。
本文以大开地铁车站为对象,通过动力有限元法对地下结构地震破坏机理进行了初步研究。
本文首先利用等效线性化程序SHAKE91对大开车站附近场地土进行了一维地震反应分析,全面了解了实际土体在神户地震作用下的反应,获得了场地土的等效阻尼比和等效剪切模量,总结了土层条件对地下结构震害的影响。
按照大开车站的实际结构尺寸和周围土层的实际资料,建立了二维平面应变有限元模型,采用纤维单元模型考虑钢筋混凝土车站结构的材料非线性和构件非线性,利用等效阻尼比和等效剪切模量来考虑土体的动力非线性,以神户地震Port岛地下83米处记录的垂直向和南北向加速度波形作为二维地震动的输入波,对大开车站进行了模拟计算。
通过分析地下结构内力、位移及纤维单元截面的破坏状况,从神户地震独特的地震特性出发,初步确定了大开地铁车站的破坏机理。
对比分析了弹性模型和弹塑性模型的计算结果,结果表明:地下结构抗震分析应该考虑钢筋混凝土结构的非线性。
利用轴力—弯矩相互作用关系曲线和构件的抗剪承载力计算公式,分析了竖向地震动对地下钢筋混凝土结构的破坏作用。
分析了周围土体刚度对地下结构震害的影响,同时得出土体的动力非线性对地下结构震害的重要影响。
中柱是地下结构震害最为严重的部位,本文分别计算分析了中柱剪切破坏、弯曲破坏和轴压破坏三种破坏形式,对大开车站中柱的地震破坏过程有了较深入的认识。
超声波衰减
另外，井间地震技术作为油气田勘探开发领域的一项新技术已越来越受
到人们的重视。井间地震是井间地震学的重要组成部分
【22】
，它是一种在一
口井中激发，在另外一口或多口井中接收的地震勘探方法，该方法具有能量
传播距离短，接近探测目标，避开低速地层等特点，能够采集到高频率与高
5.2井间地震管波的实验观测.....................................38
5.3井间地震管波的传播机制.....................................43
5.4井间地震管波的削弱.........................................44
入射还是横波平面波入射，声脉冲碰到圆柱孔时都观测到爬波。其速度小于
体波速度，横波激发的爬波比纵波激发的爬波衰减慢。声脉冲在带状裂缝的
散射是声波在裂缝平直部分的散射和两个棱边反复散射的叠加。另外，还对
兰姆波的形成、传播、散射过程及声波在固体直角棱边的散射进行了实验观
测。
诸国桢先生也对固体中的声波传播进行了大量的研究。超声脉冲沿两种
发表论文和参加科研情况说明..........................................55
致谢......................................................................56
第一章绪论
不同介质构成的固-固界面传播
速度慢，声速和只与介质的参数有关，不依赖于声波的频率。对于平面
波，由
c
c
s
c
cs
c >c
地下工程结构地震响应与抗震设计
地下工程结构地震响应与抗震设计地震是一种严重的自然灾害，并且对地下工程结构造成巨大的影响。
因此，合理的抗震设计对于地下工程的建设至关重要。
本文将探讨地下工程结构地震响应的相关问题，并介绍有效的抗震设计方法。
一、地下工程结构地震响应1. 地震波传播特性地震波是由震源产生的地壳振动传播体。
地震波的传播速度、传播路径以及振动特性直接决定了地震波对地下工程结构的影响。
地震波的传播特性需要进行地震勘探和地震监测，通过分析和测量得到。
2. 地下工程结构的地震响应机理地下工程结构在地震作用下会发生地震响应，主要表现为结构振动、位移和迟滞效应。
这些地震响应机理对地下工程结构的稳定性、安全性和使用寿命都有直接的影响。
3. 影响地下工程结构地震响应的因素地下工程结构地震响应的强度与地震波的特性、地质条件、结构材料与形式等因素相关。
在抗震设计中，需要全面考虑这些因素，并采取相应的措施来减小地震对地下工程结构的影响。
二、地下工程结构抗震设计1. 抗震设计原则地下工程结构的抗震设计需要符合以下原则：（1）安全性原则：确保地下工程在强震作用下不发生破坏。
（2）经济性原则：在满足安全要求的前提下，尽可能降低抗震设计的成本。
（3）可行性原则：抗震设计应考虑可操作性和施工可行性，避免过于复杂和难以实施的设计方案。
2. 抗震设计方法地下工程结构的抗震设计方法可分为减震设计和抗震设计两种主要类型：（1）减震设计：通过在地下工程结构中设置减震装置，如减震橡胶支座、摩擦减震器等，来减小地震作用对结构的影响，提高结构的抗震性能。
（2）抗震设计：通过结构形式选择、材料选择、加强措施等来提高地下工程结构的整体抗震性能，减小地震作用对结构的影响。
3. 抗震设计的关键技术地下工程结构的抗震设计需要注意以下关键技术：（1）结构形式选择：选择适合地震区域的结构形式，如抗震墙、框架结构等。
（2）结构材料选择：选择强度高、韧性好的材料来提高结构的抗震性能。
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地下结构地震破坏机理研究
孙海峰1，2）
1）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080
2）黑龙江省地震局，哈尔滨150090
中图分类号：P315．9；文献标识码：A ；doi ：10．3969/j．issn．0235-4975．2012．03．012
为了解决车辆增多，城市交通拥挤等一系列问题，我国大中城市相继开展了大规模的地铁建设。
我国已建成地铁和有地铁规划的城市中有很多地区处于地震高发地带，地下结构一旦发生震害，修复困难、代价昂贵，也将对其周围的结构造成不利的影响。
大规模的地铁建设使地铁抗震问题成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要课题。
本文在总结国内外有关地下结构地震反应研究的基础上，对地下结构的地震响应规律和地下结构破坏机理进行研究，取得了如下研究成果：
1大型模拟振动台三维叠层剪切箱的研制
在总结国内外研制叠层剪切箱的基础上，首次设计并制作了国内最大的刚度可调的、可用于进行大型三维模拟振动台试验的三维叠层剪切模型箱。
通过地震模拟振动台的实际测试和检验，验证了该剪切箱可使地下结构大型模拟振动台试验较好地模拟半无限域中地下结构三维地震反应。
2黏土层中地下结构大型模拟振动台试验
利用已研制的三维叠层剪切模型箱完成了一系列不同土层、不同工况的地下结构大型模拟振动台试验。
国内首次在地下结构振动台试验中，在结构内设置摄像头进行视频监控。
对试验的宏观现象和选取的两次典型试验的数据以及结构内视频监控录像进行了详细分析。
通过对比研究土层和地下结构加速度和频谱响应规律以及对地下结构应变、卓越频率衰减量规律和结构内视频监控录像的分析，初步揭示了黏土层中地下结构的震害机理与破坏模式。
在地震荷载作用下，不同深度土体的剪切变形使地下结构发生的层间相对位移是导致地下结构破坏的主要原因。
地下结构震害以柱顶及顶板和楼板与侧墙的节点处破坏为主，并且破坏程度随埋深的减小而增大。
3大开车站地震破坏机理分析
通过对本次大型模拟振动台试验结果及对大开车站中柱破坏现象的分析，揭示了神户大开车站地震破坏机理：车站周围土层的剪切运动导致大开车站产生层间相对位移，层间相对位移使车站中柱顶部和底部产生了较大的剪力和弯矩，过大的剪力和弯矩导致混凝土中柱出现裂缝、剥落，此时，中柱的钢筋已经失去保护层，承载力降低，随着层间相对位移的往复运
动，中柱钢筋逐渐弯曲形成
“灯笼形”，核心混凝土在失去外部钢筋承载力后，随着层间相对位移的继续往复运动，核心混凝土逐渐破裂脱落，最终导致了车站的破坏。
层间相对位移也在顶板和楼板与侧墙节点处产生较大的弯矩，在竖向荷载和层间相对位移的共同作用下，顶板和楼板与侧墙节点处出现裂缝，最终破坏。
3
4第3期中国地震局工程力学研究所2011届博士学位论文摘要
44国际地震动态2012年
4可液化砂土层中地下结构大型模拟振动台试验
完成了可液化砂土层中地下结构大型模拟振动台试验。
通过对比可液化砂土层中和黏土层中地下结构振动台试验中加速度放大系数、应变、卓越频率衰减量规律和结构内视频监控录像可以发现，相同峰值地震动输入时，相同埋深处的黏土层中地下结构的加速度放大系数、应变及卓越频率衰减量大于砂土层中地下结构加速度放大系数，这表明砂土液化对地下结构有减震作用。
从试验后检验也可发现，液化后的土体中，试验模型没有明显的破坏，但液化后由于孔隙水压力增加，使得模型结构产生了明显上浮，当孔压消散后，模型结构产生了沉降。
对于本次试验，由于砂土层是水平成层的，试验模型仅是独立的地铁车站模型，结构上浮或沉降基本上是均匀的，而在实际地铁工程中，隧道或地铁车站多处于不均匀土层中，液化后将导致严重的不均匀上浮或沉降，这将引起隧道或结构的断裂等严重破坏。
5三维有限元数值模拟分析
为了实现在ABAQUS中用有限的模型土模拟半无限空间土体，探索了将加速度时程转化为力时程，并在底边界添加阻尼器的方法来实现在ABAQUS应用粘性边界条件的方法，并通过波源问题和散射问题证明了此方法的合理性。
分别建立了模型试验及原型地铁车站三维有限元数值模拟模型，并将粘性边界条件及土体等效非线性化模型参数确定方法引入ABAQUS。
通过对比模型试验结果和模型数值模拟结果，检验了振动台试验和数值模拟结果的可靠性。
对原型结构的三维有限元数值模拟进一步揭示了地下结构地震破坏机理：层间相对位移是多层地下结构破坏的主要原因，顶层柱顶和楼板与墙、柱节点处容易发生弯剪破坏，是整个地下结构地震响应中最薄弱环节。
关键词振动台试验；数值模拟；边界条件；有限元；层间相对位移
（作者电子信箱，孙海峰：sunhaifeng3639@163．com）
地下结构偶然性内爆炸效应研究
邬玉斌1，2）
1）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080
2）北京市劳动保护科学研究所，北京100054
中图分类号：O383；文献标识码：A；doi：10．3969/j．issn．0235-4975．2012．03．013
近年来频繁出现的恐怖爆炸和各种偶然性爆炸破坏建（构）筑物事件，愈益凸显出建筑物防爆炸灾害的重要性。
发生在建筑物内的爆炸由于处于相对封闭的环境中，爆炸产生的冲击波流场和对建筑结构的破坏效应与发生在自由空气中的爆炸情况不同，内爆炸产生的工程破坏效应、爆炸冲击波在相对封闭空间内的传播特性和对结构的作用荷载规律以及对爆炸破坏的工程防护技术是当前国际上仍在探索研究的热点问题。
本文针对地下结构内爆炸破坏效应问题，通过实际爆炸灾害事件调研、原型隧道内爆炸试验结果分析和数值模拟计算三者相结合的方法进行了深入研究，主要完成了以下工作：。