地下结构抗震研究现状综述.docx

地下结构抗震研究现状综述王潇羽（东北大学 土木工程研究所，辽宁，沈阳 110004）摘 要：我国地下结构工程发展很快，但地下结构抗震的研究还存在很多亟待解决的问题。本文详细阐述了地下结构抗震的三种分析方法，以及具体方法的原理及近几年学术界研究成果。简单阐述了地下结构现阶段抗震设计方法，并对各种发放的优缺点简要评价，提出了再地下结构抗震研究中存在的主要问题。通过对地下结构抗震措施以及分析方法进行研究，对目前地下结构的震害特点、抗震减震措施和震后修复技术进行了归纳总结。关键字：地下结构，抗震，分析方法，设计方法，减震措施，修复中文分类号：TU93 文献标识码：ASummary of the present states for anti-seismic analysis of underground structuresWANG Xiaoyu(Northeastern University, Institute of Civil Engineering in Liaoning province, Shenyang 110004)Abstract: Underground structure engineering develop rapidly in our country, but underground structure seismic research still exist many problems to be solved. This paper expounds three kinds of methods about underground structure seismic analysis and the principle of specific methods and academic research in recent years. Then Simply expounds the underground structure seismic design method at present stage, brief comments on the advantages and disadvantages of the various of methods, puts forward the main problems existing in the seismic research of underground structures. Through the analysis of underground structure seismic measures and method, the characteristics of the underground structure damage, seismic shock absorption measures and post-earthquake restoration technology has carried on the induction summary.Keywords: underground structure, anti-seismic, analysis method, design method, shock absorption measures, repair0 引言 地下结构由于受到周围土体的强约束，一直以来都被认为是具有很强抗震性能的结构。但是随着地下结构在地震作用下破坏的案例越来越多，尤其是日本阪神地震给岩土工作者带来的冲击，地下结构的抗震、减震问题开始受到有关学者的重视。根据国内外学者大量的研究结果，地下结构震害类型及原因可归纳为以下四类1-2 ：第一类是由断层所引起，造成地层的错动和位移，致使地下结构遭到严重破坏。第二类是由地震引起的土壤振动，使地层产生位移和地震力，作用在结构上，使结构产生应力和变形。第三类是由结构本身的特性(如结构强度，材料性质)导致其在地震力作用下的破坏。最后一类是由地震引起的其他不稳定因素(砂土液化、软化震陷等)造成的对地下结构的破坏。 1985年墨西哥8.1级地震中，建在软弱地基上的地铁侧墙与地表结构相交部位发生分离破坏现象；1995年1月17日凌晨在日本阪神地区兵库县南部发生的7.2级地震中，大量的地铁车站等地下结构和地下设施遭到严重的破坏，大开站(DAIKAI)和上尺站(KAMISAA)遭到彻底的破坏，造成地铁上方的国道路基大量塌陷， 有的塌陷深度达15m，致使日本南部交通瘫痪。这些案例在警示我们，探索研究地下结构的抗震分析方法，规范地下结构的抗震设计方法，以及提高地下结构的抗震性能，已经成为一系列亟待解决的问题。1 地下结构工程抗震研究方法现状 总结国内外学者的研究成果，目前地下结构地震响应及抗震问题的基本研究方法主要有：原型观测、理论分析、数值模拟和实验研究。1.1 地震原型观测法 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3-4：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。1.2 理论分析 地下结构地震响应及抗震理论研究方法虽然名目繁多，但可归为两类：一是波动分析方法；二是结构动力学方法。1.2.1 波动法 波动法是以求解波动方程为基础，把地下结构视为无限弹性或弹塑性介质中孔洞的加固区，将整个系统作为对象求解其波动场与应力场。在运用波动法的过程中，因实际地层构成十分复杂，地震波在近地表面时构成十分复杂的波长，为了克服计算上的困难，很多学者对该理论进行了适当的简化。如假定介质为均匀的(弹性的或粘弹性的)、波型单一且入射波为平面波、忽略波的散射及波的三维传播效应等。Newmark和Kuesel提出了在均匀、各向同性的弹性介质中，以一定的角度入射的谐波作用下自由场的应变简化算法；StJohn和Zahrah基于Newmark方法提出了在压缩波、剪切波及瑞利波作用下自由场轴向和弯曲应变的简便算法；Power等基于弹性地基梁理论，得出了由轴向应变和弯曲应变综合表示的隧道结构中轴向应变。波动法中，边界的处理是一个主要难点。目前，许多学者正在研究一种适用于各种波型，不受几何条件和物质特性的限制，在局部空间和时域内具有很高精度的透射边界。基于此边界，波动法才有利于考虑周围介质的不规则性及非线性。另外，波动解法一般主要应用于平面问题分析，当波动的频率较高以及地震波的传播受到较多干扰的情况下，如洞室群、临近自由面、多层岩体等情况，其应用受到一定的限制。1.2.2 结构动力学方法结构动力学法是一种较强的分析方法。该方法假定岩土介质中的波动场不因结构的存在而受到影响(实际观测与模型实验都验证了这一点)，以地下结构为主体求解其地震运动，将周围岩土介质的作用等效为弹簧和阻尼罐，通过相互作用力施加于结构之上。通常被分解为源问题、阻抗函数问题和给定相互作用荷载输入下的结构响应分析3个部分。该方法的重点和难点是如何考虑介质对结构运动产生的相互作用力，也就是求得岩土介质的阻抗(弹性常数和阻尼常数)5。国内外学者们如Chopra，Bettess和Zienkiewica、赵崇斌、Dasgupta，Song以及Wolf等提出了许多解决的办法，如阻尼影响抽取法、标度边界有限元法等，为地下结构动力分析中地基动力阻抗矩阵的计算提供了一些途径。另外，刘晶波、刘祥庆等6在借鉴地上结构Pushover分析方法思想的基础上，提出了适用于地下结构抗震分析与设计使用的Pushover分析方法，作者通过验证，得出该法具有良好的模拟精度与可靠性，可以用于地铁等地下结构的抗震分析与设计中。 由于围岩介质对结构的动力影响在时间与空间上都是耦合的，利用结构力学方法较精确地求解地下结构的地震响应分析有一定的难度，时域求解复杂且求解代价很大。其次，在强震环境下的动力相互作用模拟分析与实际情况相差较大，主要存在以下几方面问题：岩土体非线性影响问题、接触面动力特性及其本构描述问题、多相介质与结构物相互作用问题、岩土体材料的阻尼问题等。1.3 数值模拟 对于异型结构的地下大跨度洞室以及较复杂的地形、地质条件下的隧道等很难采用理论分析的方法进行地震响应分析，因此，众多学者倾向于采用数值分析方法进行研究。目前，岩石力学与工程中用到的数值模拟方法有有限单元法、拉格朗日元法、离散单元法、边界元法、非连续变形分析法、数值流形和无单元法等，这些方法用于分析岩体地下洞室地震反应，也都存在着各自的优缺点7。1.3.1 有限元法 有限单元法采用单元离散化来求解连续体场函数的离散解，是岩体地下洞室等岩体结构地震反应分析中常用的数值分析方法。目前常用的程序有：ADINA，ANSYS，ABAQUS等。其缺点是在计算中其将地下洞室围岩作为连续体，不考虑其中存在的断层、节理和宏观裂缝等地质软弱结构的影响。这并不符合实际震害和实验结果：在很多情况下，这些岩体软弱结构的存在和发展才是导致岩体结构造成损伤直至破坏的控制因素。另外，有限元法是基于小变形假设，其应用范围也受到了限制。1.3.2 拉格朗日元法 该方法在连续介质的假设基础上，利用差分格式，按时步积分求解，随着构形的变化不断更新坐标，允许介质有大的变形，比较符合岩土变形特点，且求解速度较快。目前，采用拉格朗日元法的FLAC程序在岩土工程界相当流行。然而，其连续性假设中也未考虑地质软弱面，而且只用剪切简谐波作为输入，无法反映多种波场作用、输入波人射方向和输入波相位谱特性等对地下洞室地震反应的影响。1.3.3 离散单元法 离散单元法将软弱面所切割的岩体视为复杂的块体组合，允许块体平移、转动甚至分离，以此来模拟节理岩体的非线性大变形特征。对于软弱面较为发育的岩体工程，能较好地模拟其变形破坏过程。但对于整体性较好的岩体，不加处理地直接应用该方法进行地震反应分析是不够合理的，这使得其适用性也存在一定局限。实际分析中，一般将离散单元法与其他计算方法进行耦合分析。1.3.4 边界单元法 边界单元法是将求解域的边界进行离散，以边界单元来代替域边界，把偏微分方程转化成积分方程，再使积分方程中的域内点趋向边界，建立边界积分方程，利用边界单元建立线性方程求解。该类方法最大的优点就是降低了求解问题的维数。但因为该类方法在求解域内有多种介质且力学性能不同，处理相对比较麻烦，因此，将其单独用于岩体地下洞室地震反应分析的例子比较少见。1.3.5 非连续变形分析、数值流形和无单元法 非连续变形分析法和数值流形是美籍华人石根华博士在20世纪80年代末至9O年代提出的。该方法摒弃了以往数值方法中的单元概念，而采用类似离散单元法的离散块体组合模式来分析非连续节理岩体，使其在解的高阶导数的连续性、奇异性问题、剪切闭锁的处理和裂纹扩展等方面具有以往数值模拟方法所没有的优势。在岩体这一非连续结构体系从出现损伤至裂缝贯通的破坏过程模拟方面具有很好的应用前景。该方法属于较新的数值模拟方法，其在岩体地下工程地震反应分析中的应用还刚起步，存在许多值得探讨的地方。1.3.6 耦合方法 为了更好地模拟岩体地下洞室地震反应，可根据岩体地下洞室动力反应的特点和各种方法的优点将两种以上的方法进行耦合应用。如采用有限元与其他方法耦合来解决波动理论的边界问题，是目前广泛应用且行之有效的一种方法。目前，有很多学者利用数值模拟计算对地下结构地震响应和抗震进行了分析，得到了一些有益的规律和结论。李海波、马行东等9-10利用FLAC软件分析了地震荷载作用下地震波振幅、频率及持续时间对地下岩体洞室位移特征的影响以及地震荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室位移特征的影响。金峰、王光纶等11采用离散元和边界元动力耦合模型对溪洛渡工程地下厂房洞室群动力响应进行了分析。毕继红等12采用有限元和无限元耦合分析法对地铁隧道结构进行了抗震分析等。1.4 实验研究 实验研究就是通过激震实验来研究隧道及地下结构的响应特征，它可以分为人工震源实地实验和振动台物理模型实验。人工震源实地实验法由于较难反映结构的非线性及地基断裂等因素对地下结构地震反应的影响，且代价昂贵，故不多采用。振动台实验法既能够较方便地进行材料选取和配比，又能直观地把握隧道及地下结构物的地震响应特性，因此得以广泛应用。振动台物理模型实验通过相似材料的物理模拟可以深入了解地下隧道衬砌结构的动力响应规律和震害特征，可以检验理论计算结果、验证数值模拟的正确性，从而改进计算模型和分析方法。 日本在20世纪70年代首先开始了振动台实验，研究了砂质地基液化对管线的影响问题。此后，冈本舜三、四村重四郎、后藤等进一步发展了振动台实验，并取得了一些有益的成果5。90年代以来，以美国、日本为首发展的大型模型抗震实验技术，可进行6个自由度振动，用计算机准确控制模拟地震荷载的输入和响应数据的采集处理，大大地推进了隧道及地下结构模型实验技术的发展。国内学者在20世纪90年代也开始运用振动台实验进行隧道抗震研究，如徐志英、施善云13用大型振动台进行了土一地下结构的动力相互作用实验；季倩倩、杨林德 在国内首次采用自制振动台模型实验研究了2011 No6 陈庆，等：地下结构抗震研究现状综述 133上海软土地铁车站结构的抗震性能。申玉生、高波等14对山岭隧道洞口段结构动力响应进行了大型振动台模型实验研究，分析了多种工况下隧道衬砌模型的动力响应及其破坏形态等。2 地下结构抗震设计方法现状 在地下结构工程抗震设计中,较有代表性的方法有4种:地震系数法、不考虑相互作用的拟静力法、考虑相互作用的拟静力法和动力有限元法。2.1 地震系数法 地震系数法的思路是将随时间变化的地震力用等代的静地震荷载代替,再用静力计算模型分析地震荷载或强迫地层位移作用下的结构内力。2.1.1结构横断面地震荷载计算 等代的静地震荷载包括:结构本身的惯性力,洞顶上方土柱的惯性力以及主动侧向土压力增量。主动侧向土压力的增量可以用物部-冈部法计算。结构的水平惯性力,作用在构件或结构的重心处,表示为:F = ( a / g)Q = KcQ (1) 式中: a为作用于结构的地震加速度; g为重力加速度; Q为构件或结构的重量; Kc为与地震加速度有关的地震系数。洞顶上方土柱的水平惯性力,由式(2) 计算:F2 = hcKhm g (2) 式中: hc为综合影响系数,与工程重要性、隧道埋深、地层特性等有关; Kh为水平地震系数; m 为结构上方土柱的质量。2.1.2 沿隧道纵轴方向地震荷载的计算 地震动的横波与隧道纵轴斜交或正交,或地震动的纵波与隧道纵轴平行或斜交, 都会沿隧道纵向产生水平惯性力,使结构发生纵向拉压变形,尤以横波产生的纵向水平惯性力为主。孙钧院士在地下结构中建议计算纵向水平惯性力时,对区间隧道可以按半个波长的结构重量考虑,即：T = hcKhLW /2 (3) 式中: hc为综合影响系数,与工程重要性、隧道埋深、地层特性等有关; Kh为水平地震系数; L为地震波横波波长;W为结构每延米的重量。 地震系数法是我国目前工程设计中通用的方法,在设计时,一般把等效地震力并入静荷载中,在截面衬砌设计时一起考虑。但是此种方法是从应用于一般地上结构的地震系数法类比而来,不能反映地下结构地震反应的特点,在概念上存在根本性的错误。根据式(2) ,作用在地下结构的水平惯性力随埋深而增加,这显然与震害的实际情况是不相符合的。2.2 不考虑相互作用的拟静力法 这种方法由Newmark等在20世纪60年代提出,它忽略了地下结构和周围土介质因为刚度不同而在变形协调时所存在的相互作用,将地震波作用下自由场土介质的应变直接作为结构在地震作用下的反应变形进行计算。在概念上,这种方法反映了地下结构地震反应的主导因素是其周围地基反应这一根本特点,比地震系数法更为合理,在很多情况下可以给出地下结构地震反应应变的大致估计。此方法的结果一般作为考虑相互作用的拟静力法的理论基础,若要直接应用于设计实践,则需要根据当地的地震环境和岩土介质特点进行简化。BART系统的抗震设计准则就是一个很好的例子,它包括抗震特点、变形限制、土体不连续影响、内部构件、附属构件、细部结构、土压力、临时结构等抗震设计内容。这种方法假定土体并不因地震作用而丧失其整体稳定性,地震作用只引起地下结构的振动效应。其震害机理是由于土体的地震变形而作用于地下结构所产生的,从而使结构产生应力和位移,最终导致地下结构的破坏。BART法就是针对地下结构的破坏特点,提出了地下结构应具有吸收强变形的延性,并且不散失承受静载的能力,而不是抵御惯性力的新的地下结构抗震设计思想。2.2.1地层的剪切变形 地铁结构设计过程中,必须考虑地铁结构变形能适应于土体的剪切变形。地层剪切变形的大小由下式确定。 (4)式中: Ys /h为剪切变形角度; H为基岩以上的地层深度;V为土壤中剪切波的传播速度。2.2.2 地层的弯曲变形 地铁结构设计还需满足地层弯曲所强加的变形,结构的最大单元应变应根据波与地下结构斜交传播的情况得出。这种斜向传播的波包括一个产生弯曲变形的横向分量以及一个产生压缩膨胀变形和应变的纵向分量。最大拉伸率: (5)曲率半径: (6)弯曲应变 (7)由斜向波产生的弯曲和拉伸应变之和为: (8) 式中: A 为正弦波的最大振幅;W为梁的厚度, 取为(L /6) cos;s为拉伸应变;b为弯曲应变; 为波的入射角;L为正弦波的波长; R为曲率半径。 通过以上各式计算得到地震引起的地层剪切变形和地层弯曲变形, 使设计者能确定地震引起的地层振动特征,从而为地下结构的抗震设计提供理论依据。2.3 考虑相互作用的拟静力法 这种方法是把地下结构和周围土介质的刚度以适当的形式加以考虑, 根据二者的相对大小, 以自由场的变形为基础而得到结构变形。这类方法也是目前应用最为广泛的简化设计方法。此类方法有多种形式, 例如反应位移法、围岩应变传递法、地基抗力法等。2.3.1反应位移法 这种方法的基本原理就是用弹性地基梁来模拟地下线状结构物, 把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上, 以求解在梁上产生的应力和变形, 从而计算地下结构(隧洞、管道、竖井等) 地震反应, 公式可以简化为拟静力计算公式: K U = Ks ug。式中的矩阵K包括地下结构的刚度Kt和地基抗力Ks。本方法的关键是确定地震变位 ug 和抗力系数Ks。通常将Ks取为对角阵, 则Ks相当于文克尔弹簧常数或地基土介质的弹簧常数。这种方法的理论基础是基于地震时地下结构反应分析的研究成果, 即支配地下结构地震响应的是地基变形而不是结构物的惯性力, 并首先将反应位移法用于深埋隧道的抗震设计中。2.3.2 围岩应变传递法 根据地震波动场分析的基本思想以及管道、海底隧道、地下油库等的地震观测结果表明地下结构地震时应变的波形与周围岩土介质地震应变波形几乎完全相似, 因而可以建立关系式: s = ag。式中: s 为地下结构的地震应变;g 为没有洞穴地下结构影响的周围岩土介质的地震应变; a为应变传递系数, 可以把a 看作是一个静态系数, 它和地震动的频率和波长无关, 只随地下结构的形状、刚度以及周围岩土的刚度而变化, 可通过静力有限元法分析确定。其中关键的问题是确定与设计地震强度相符的围岩应变,日本浜田政等人将地震波进行反演, 从地表面300 m以下输入, 剪切应变yz由地震波的水平分量求得, 上下方向正应变zz按地震波的竖向分量推求, 水平方向正应变yy可模拟表面波的处理方法, 将地震波水平分量产生的洞穴中心位置上的速度反应值除以围岩的P波波速得出。2.3.3 地基抗力系数法 这是将相互作用的计算模型应用于地下结构横断面地震反应分析的一种方法, 适用于埋设的地下结构。周围岩土介质的作用以多点压缩弹簧和剪切弹簧进行模拟, 结构可用梁元素进行模拟。方法包括3个基本步骤: 周围岩土介质弹簧常数的计算; 围岩地震变位的计算; 地下结构地震反应的计算。围岩抗力弹簧常数采用静力有限元法进行近似计算, 围岩地震变位近似计算采用分段一维模型或平面有限元模型。尽管以上3种方法求解方式略有不同, 但基本原理和思路是一致的, 有着共同的理论基础: 地下结构和周围土介质之间的相互作用以运动相互作用为主; 地下结构的存在对周围土介质的地震反应影响不大; 结构的应变与相应自由场土体分布相似, 但大小不同。2.4 动力有限元法 动力有限元方法可以模拟复杂边界条件, 以及从初始应力场的形成直到结构在地震荷载下的破坏的全过程, 具有有很好的开放性, 比较容易与其他相关的最新科学和技术相结合。如采用适当的材料本构模型, 可以模拟结构和周围土介质在复杂荷载条件下的材料特性; 采用适当的接触面模型或者接触算法, 则可以模拟结构- 土介质之间局部脱开、滑动、错位、张闭等非连续变形现象。由于动力有限元法的这些特点, 它已经成为研究结构- 土介质相互作用机理、揭示地铁地下结构地震灾变规律的强大工具。3 地下结构抗震减震措施研究现状 目前我国工程界对地下结构抗震设计中结构构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识，各相关规范对计算方法、抗震措施等规定也不统一。在实际工程中主要采取三种措施进行减震19-20：3.1 加固围岩 通过对围岩进行注浆等方法，提高围岩的整体性和强度等，使围岩刚度相对于衬砌刚度发生变化，从而使衬砌在地震中的响应减小。在周岩条件较差的地方，加固围岩也是常规设计中较常用的工程措施。在以后的研究中，应结合常规设计。调整围岩加同、初期支护、二次衬砌等具体设计的参数及施作方法，削弱地下结构在地震中的响应。3.2改变地下结构本身的性能 主要是通过改变地下结构的刚度、质鼍、强度、阻尼等动力特性来减轻地震对地下结构的影响。主要措施为：减轻地下结构的整体质萤；利用柔性管片接头和采用钢筋混凝土材料等措施，增加地下结构的延性和阻尼；尽量采用圆顺的结构形状，避免尖角，或采用抗震缝、仰拱等构造措施；减小结构的刚度使结构的延性增大，在满足正常使用的情况下，结构能随着围岩的变形而变形。3.3 设置减震系统 减震系统就是对结构本体施加结构控制。由控制机构与结构共同承受地震作用，以协调和减轻结构的地震反应。对于高层建筑。结构控制已得到了应用取得了实际的效果。而在目前的地下结构工程中，结构控制几乎没有得到大范围的应用。地下结构的地震减震研究最早始于盾构隧道。在衬砌与地层之间设置减震层。隔断周围地层对隧道的约束力，并用减震层吸收隧道结构与地层之间的应变和相对位移。减震材料可采用压注方式注入到衬砌与围岩之间的孔隙内，从而形成减震层。减震层的材料须有一定的弹性，使其在地震中不被塑性化。 对于一般地下结构，可以在保证其刚度的情况下，在地下结构与围岩之间设置减震装置，减震装置的刚度可以进行调节，并具有一定的阻尼。地震时，减震装置可以消耗大量的能量。减弱传向地下结构的能量，从而使得地下结构的地震反应也大大减小。4地下结构震后修复技术 地下结构往往都是很蘑要的生命线工程。地震发生后，如何尽快有效地修复震害，使结构尽早投入使用，对救灾的顺利开展有着非常霞要的意义。在阪神地震后，神户对地下结构进行了修复，下面简单介绍一下修复措施21-22。4.1 混凝土中柱震后修复 在地震中，地铁车站的混凝土中柱损害严重。对其进行修复加固是车站震后修复工作的主要内容，一般采取的方法为：1)出现轻微裂缝。注入环氧树脂进行加固；2)内部核心混凝土完好，表层混凝土脱落，箍筋和纵向筋出现弯曲外凸现象。在修复时先除去破碎的混凝土，向钢筋笼内填加H型钢然后用钢板围护，焊接钢板，向钢板与中柱混凝土之问填充无收缩水泥砂浆；3)箍筋脱落，纵向钢筋断裂，丧失了承载能力的中柱，采用钢管混凝土复合中柱替代原有中柱。由于震后修复工作的紧迫性，修复只能根据一般抗震设计计算结果和经验型的加大安全系数的方法进行，总体的原则是。避免中柱发生脆性坍塌；修复后的中柱比原中柱有更好的延性和抗剪强度，以确保其在以后的地震时保持完好。4.2 盾构隧道震后修复 采用钢管片来加同修复，对于没有严重损伤的混凝土管片，可以在损坏部位的内侧安装特制钢环管片来加固修复。但是这种做法会使隧道内径变小，为管理和维护留有隐患。所以对盾构管片的接头和防水橡胶层抗震性能进行研究并制定日常的检修和维护管理措施。参考文献1 郑永来，杨林德，李文艺，等地下结构抗震M上海：同济大学出版社，20052 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 Hamada H，Ki