地下結構抗震研究綜述

摘 要：對不同地下結構的震害特點和影響因素進行分析，并對地下結構抗震分析方法進行分類，最后對目前地下結構抗震研究中的存在的問題進行探討。

關鍵詞：地下結構；抗震；綜述

1 引言

地震對人們的生命財產安全帶來嚴重威脅。隨著城市建設的發展，地下鐵道、地下管道等地下結構蓬勃發展，其結構的抗震減震問題得受到工程人員的日益關注。同一次地震作用，對地下結構和地面結構的結構動力反應是不一樣的。對于地上結構的自振特性變化可以引起結構反應產生質的突變；對于地下結構，由于地基土對振動變形的約束作用，地基的運動特性對于地下結構的影響更大。針對此類結構，地基地震動的研究意義更為重要。

2 各類地下結構震害特點及影響因素

2.1 地下鐵道震害特點及影響因素

1995年阪神地震前，關于地下結構的震害研究，工程人員的關注點主要側重于地下線型結構及供水系統，并且“地下建筑物在地震時隨著地基的運動而運動”是工程人員的共識，因此地下結構的震害報道范圍較為狹窄。而阪神地震中，地震對于地鐵車站和區間隧道產生不同程度的破壞，例如大開站超過50%的中柱完全倒塌，上覆層大量沉降，最大值能達2.5m。此次震害調查的主要結果為：中柱開裂、坍塌，頂板開裂、坍塌，側墻開裂等。

震害影響因素主要有：地質狀況優劣的影響；地層構造的影響；地震波對結構造成的水平及垂直振動的影響；結構體型和建筑材料的影響；上覆土層厚度的影響；軟弱地基的影響等

2.2 地下管道震害特點及影響因素

地下管道的種類繁多，歸納起來主要有：地下供水管線，地下排水管道，地下輸油、輸氣管道，大直徑混凝土管道等。通過震害調查發現，地下管道的破壞形式如下：（1）小直徑的管道由于截面尺寸小，易發生破壞；（2）接頭處連接不可靠，脫位現象嚴重；（3）地層液化導致管體塌落；（4）對于采用焊接工藝的鋼管，若處于液化、斷層錯動和滑坡現象的地區，其發生破壞的概率相當高。

分析地下管道的結構，通常由管段和管道附件組成。此類結構在地震中，較易發生以下基本破壞類型：（1）管道接口破壞；（2）管段破壞；（3）其他連接部位的破壞。通常管道接口破壞居多，因為接口處的抗震能力較為薄弱。工程中為了防范此類破壞，常采用抗震能力較強的柔性接口，變形較大，延性良好，震害率明顯低于剛性接口。

地震對地下管道破壞原因，主要包括由場地破壞造成的次生破壞，以及由強烈的地震波傳播造成的破壞。場地破壞主要是大地的構造性運動，比如斷層滑動、地殼構造性上升或沉陷等；砂土液化、土的側向移位、土體震密及土層震裂等。

2.3 地下隧道震害特點及影響因素

地下隧道所處的環境一般在山嶺或者水底。通常認為隧道本身也是一種有利的抗震結構體系。除非地震烈度比較高，或者地震坐落在地震烈度帶或者隧道本身具有特殊的地質或者構造條件，若遭遇普通地震作用，隧道的震害較為輕微。通過廣泛的震害調查，隧道震害的主要特點如下：（1）隧道拱頂部易出現由于拱頂的剪切破壞而產生的裂縫；（2）隧道內部施工縫處為抗震薄弱環節，比如在拱、側壁的施工縫部位容易出現壓縮性裂縫，或者環向施工縫處剝落，造成板底隆起或傾斜。

目前對隧道地震作用機理研究較少，通過理論分析和數值計算進行抗震設計尚無成熟方法。隧道抗震設計，一般依據以往經驗采取適當的抗震措施進行保證。抗震措施包括合理選擇隧道地址、襯砌材料的選擇和保證施工質量等方面的綜合考慮，以及在必要時采用加固措施。

3 地下結構抗震研究方法

3.1 原型觀測

原型觀測主要是了解實際地震作用下，地下結構的地震動力響應特點。模型試驗很難模擬地震后土體和結構物的變形，故采用原型觀測對地下隧道結構進行抗震研究，主要方法為震害調查和現場試驗。震害調查雖然有一定的滯后性，但真實性最強。1995年日本阪神地震后進行的震害調查，為地下結構的抗震研究積累了大量的有益資料。但動力響應量測困難，同時地震波的輸入機制和邊界條件控制較為困難，更無法主動改變各種因素，因此如果要對某一現象進行有目的、多角度的研究，仍得借助現場試驗。

3.2 模型試驗

隨著土-地下結構相互作用的研究深入，不同地下結構地震響應的計算方法不斷發展。模型試驗對于驗證理論計算模型的合理性，以及分析土-結構動力相互作用的機制必不可少。通過激振實驗（人工震源實驗和振動臺實驗）研究地下結構的響應特性。人工震源實驗應用不多，主要是較難反映結構的非線性及地基斷裂等因素對隧道結構的影響。振動臺實驗則能彌補這方面的缺陷，但是對試驗區域的選擇和地基特性的模擬有待進一步研究。

3.3 理論分析

目前，地下結構抗震理論分析方法種類繁多。按照解析法或數值法的應用程度，大致分為解析法、半解析法半數值法和數值法。也可根據分析對象的空間考慮情況，分為橫斷面抗震計算方法、縱向抗震計算方法和三維有限元整體動力計算法。本文主要針對數值方法進行相關闡述。

將場地地基土、基礎與結構各個部分視為整體計算，考慮土體的非線性和非均質性等動力特性，得到結構和土體的動力反應的分析方法。有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法及其雜交法是主要的方法。

有限元將整個土-結構體系進行有限元離散化并計算動力反應的分析方法，但需要引入人工邊界以反映有限計算域外的無限域對計算域的作用。劉晶波[1]等建立的結構-地基動力相互作用分析的直接有限元法，既可以模擬半無限地基的輻射阻尼，也能模擬遠場地球介質的彈性回復性能。廖紅建[2]等針對軸對稱體形和近似軸對稱體形的地基-結構體系的共同作用進行有限元法研究，并進行相應驗證。

有限差分法同樣也適用于解決體系的非均質性和非線性問題。王明洋[3]等基于總應力動力分析法，考慮不同方向的地震荷載及其耦合，水位深度等因素對大壩動力特性的影響，得到了地震荷載作用下大壩的液化區域和位移矢量的分布趨勢。

離散元法由Cundall于上世紀70年代初提出。其原理為：假定巖體由互相切割的剛性塊體組成，利用剛體動力學，分析巖體的大變形和失穩過程。后來動力離散元法得到發展，陶連金等采用動力離散元法對某大斷面地下洞室在地震荷載作用下的動力影響及圍巖穩定性進行分析，模擬出圍巖失穩和破壞的全過程，并對節理巖體中洞室圍巖變形和破壞機制進行深入研究。

就解決幾何形狀復雜和非均質、非線性問題方面，有限元法、有限差分法和離散元法比較優越，而解決均質、線性無限和半無限介質等方面，邊界元法較合適，故研究人員逐步開展耦合法的研究。楊小禮[4]等采用有限元與無限元耦合方法討論交通隧道在地震波作用下震動反應問題，并考慮地基土的非線性與層狀型。

4 結束語

雖然對于地下結構的研究日益增多，成果也日益增多，但地下結構的抗震設計主要依據經驗設計，這和地下結構所處環境的復雜性，以及地震活動的不確定性等因素息息相關。對于巖土工作者來說，任然存在大量的困難，目前希望能在地下結構振動模型試驗研究技術、土體非線性動力本構模型等方面得到深入研究。

參考文獻

[1]劉晶波，呂彥東.結構-地基動力相互問題分析的一種直接方法[J].土木工程學報，1998，31（34）：55-64.

[2]廖紅建，宋麗，等.地震荷載作用下地基-結構相互作用分析[J].巖土工程學報，2001，20（A01）：1142-1148.

[3]王明洋，國盛冰，等.抗震液化的總應力合成分析方法[J].防災減災工程學報，2003，23（1）：1-10.

[4]楊小禮，李亮.層狀地基中交通隧道地震反應分析[J].長沙鐵道學院學報，2000，18（4）：15-19.