地下结构抗震研究现状综述

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：ASummaryofthepresentstatesforanti-seismicanalysisofundergroundstructuresWANGXiaoyu(NortheasternUniversity,InstituteofCivilEngineeringinLiaoningprovince,Shenyang110004)Abstract:Undergroundstructureengineeringdeveloprapidlyinourcountry,butundergroundstructureseismicresearchstillexistmanyproblemstobesolved.Thispaperexpoundsthreekindsofmethodsaboutundergroundstructureseismicanalysisandtheprincipleofspecificmethodsandacademicresearchinrecentyears.ThenSimplyexpoundstheundergroundstructureseismicdesignmethodatpresentstage,briefcommentsontheadvantagesanddisadvantagesofthevariousofmethods,putsforwardthemainproblemsexistingintheseismicresearchofundergroundstructures.Throughtheanalysisofundergroundstructureseismicmeasuresandmethod,thecharacteristicsoftheundergroundstructuredamage,seismicshockabsorptionmeasuresandpost-earthquakerestorationtechnologyhascarriedontheinductionsummary.Keywords:undergroundstructure,anti-seismic,analysismethod,designmethod,shockabsorptionmeasures,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；St．John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