地下工程 080919

中国近30年发生的地震与震害情况
1556年中国陕西华县8级地震，死亡人数高达83万人。 1668年7月25日晚8时左右，山东郯城大地震震级为 8.5级郯城大地震，波及8省161县，是中国历史上地 震中最大的地震之一，破坏区面积50万平方公里以 上，史称“旷古奇灾” 。 1920年12月16日20时5分53秒，中国宁夏海原县发 生震级为8.5级的强烈地震。死亡24万人，毁城四座， 数十座县城遭受破坏。 1927年5月23日6时32分47秒，中国甘肃古浪发生震 级为8级的强烈地震。死亡4万余人。地震发生时， 土地开裂，冒出发绿的黑水，硫磺毒气横溢，熏死 饥民无数。

常见的地震震害
火山地震 ——由于火山作用，如岩浆活动、气体爆 炸等引起的地震称为火山地震。只有在火山活动区 才可能发生火山地震，这类地震只占全世界地震的 7%左右 塌陷地震 ——由于地下岩洞或矿井顶部塌陷而引起 的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小，次 数也很少，即使有，也往往发生在溶洞密布的石灰 岩地区或大规模地下开采的矿区。 诱发地震 ——由于水库蓄水、油田注水等活动而引 发的地震称为诱发地震。这类地震仅仅在某些特定 的水库库区或油田地区发生。
拟静力法是把地震作用以惯性力的形式施加到地下 结构上，然后采用静力学方法考虑地震荷载对地下 结构的影响。 ST．John方法根据柔度比的概念，区分是否考虑土 体与结构相互作用问题。 反位移方法把地下结构假设为弹性地基梁，将地震 时周围介质的变形通过地基弹簧以静荷载的方式加 到地下结构上，再根据静力学方法求得地下结构的 反应。 数值模拟分析方法可以模拟复杂的三维地下结构形 式，复杂的围岩介质地质条件，复杂的地下结构及 岩土动力本构关系以及不同的地震动输入形式，不 同的边界条件影响等等。

人工地震 ——地下核爆炸、炸药爆破等人为引起的 地面振动称为人工地震。 人工地震是由人为活动引 起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动； 在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地 壳的压力，有时也会诱发地震。 构造地震 ——由于地下深处岩石破裂、错动把长期 积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向 四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动称为构 造地震。这类地震发生的次数最多，破坏力也最大， 约占全世界地震的90%以上。

1975年2月4日19时36分6秒，中国辽宁省海城县发 生震级为7.3级的大地震。由于此次地震被成功预测 预报预防，使更为巨大和惨重的损失得以避免，它 因此被称为20世纪地球科学史和世界科技史上的奇 迹。 1976年7月28日3时42分54点2秒，中国河北省唐山 市发生震级为7.8级的大地震。死亡24.2万人，重伤 16万人，一座重工业城市毁于一旦，直接经济损失 100亿元以上，为20世纪世界上人员伤亡最大的地震。 2008年5月12日14时28分，四川汶川县（31.0°N， 103.4°E），发生震级为8.0级地震，直接严重受灾 地区达10万平方公里。截至7月4日12时，四川汶川 地震已造成遇难：69225人遇难，374640人受伤， 失踪18624人。

地下工程震害与地下地震动的位移 特征
地下工程与地面工程所处的环境不同决定了地震作 用对地下结构影响的特殊性,震害经验显示地震动的 位移是造成地下结构破坏的主要因素之一。 随着城市地下空间大规模开发建设和地下结构的日 益增多,地下工程的抗震安全性、经济性以及交通规 划研究已越来越受到人们的关注。由于地下工程埋 置或半埋置于土体或岩体之中,其动力特征与地面结 构存在明显差别,因此在过去较长时期内被认为具有 良好的抗震性能而未予以充分重视。 近些年来地震震害的积累,尤其是1995 年日本阪神地 震中地下工程震害的教训,使人们认识到地下工程结 构抗震安全的重要性和特殊性。

模型实验方法
模型实验方法是地下结构抗震研究的一种重要途径。 现有的模型实验方法主要包括人工震源实验、振动 台实验和离心机振动台实验。 人工震源实验由于一般情况下激震力相对较小，地 下结构不容易达到较高的应力状态，无法反应地下 结构非线性性质及周围土体破坏等因素对地下结构 动力反应的影响，目前此类实验相对较少。 离心机振动台模型试验与普通振动台试验相比优势 明显，通过增加模型的场加速度，可以模拟出与原 型相等或相近的真实应力水平，重现原型的物理特 性，再现地下结构的动力反应，在日本、欧美等国 家应用较为广泛。
地下工程抗震研究与分析
080919 胡雅靓
关于地震的术语
抗震设防烈度-按国家规定的权限批准作为一个地区 抗震设防依据的地震烈度。 抗震设防标准-衡量抗震设防要求的尺度，由抗震设 防烈度和建筑使用功能的重要性确定。 地震作用-由地震动引起的结构动态作用，包括水平 地震作用和竖向地震作用。 设计地震动参数-抗震设计用的地震加速度（速度、 位移）时程曲线、加速度反应谱和峰值加速度。 场地-工程群体所在地，通常具有相似的反应谱特征。 抗震构造措施-根据抗震概念设计原则，一般不需进 行计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细 部构造措施。

地下结构还可能受到双重的破坏作用,日本神户大开 车站在阪神地震中的破坏就属于这种情况,由于竖向 地震作用比较大,车站中部呈A 字形向上顶起,随之的 反作用力将车站顶板向下压,形成V 形沉陷,致使中柱 承受不了由此产生的荷载,同时又由于地震时地层产 生的水平振动,而车站顶、底板处的位移不一致,遂产 生相对位移,使中柱在剪切力和弯距的作用下剪切破 坏,综合作用使柱子丧失承载力,发生顶板塌陷.

然而在历次地震中, 仍有一些地下结构, 特别是地下 线形结构遭到破坏, 如1948 年的阿什哈巴德地震[1 、 1966 年的塔什干地震、1976 年的唐山地震和加兹 里地震、1985 年的墨西哥地震及1995 年的阪神地 震等。 地下结构的震害形式大多受周围地基相对变形控制, 同时也与地下结构自身的特点及尺寸等有关。主要 包括—地下管道、地铁和地下隧道的震害。 地震不仅直接破坏地下结构的正常功能, 而且可产生 次生灾害, 如水灾、火灾和爆炸等, 给国家带来重大 损失和人员伤亡。

地下工程震害与经验教训
地下工程主要分为单纯地下结构、地面结构的地下 部分、地下管线、地铁等地下交通道。历史震害资 料显示,不同的地下结构类型在地震作用下的破坏现 象存在明显差异。这种差异与地震强度、震源距、 地震作用方向、地质条件、场地条件、衬砌条件、 结构尺寸、埋深、结构与围体的相对刚度、施工情 况等都有密切关系。一般来讲,尺寸较小的单体或复 体式地下结构的震害较小,整体性好、刚度大的单体 和复体式结构的抗震性能高;岩石或坚硬土层围体中 的结构抗震性能优于软弱土层中的结构。 地下结构的主要动力响应一般与地震动加速度的关 系不明显,但地基的运动和变形是影响动力响应的主 要因素。地下结构的震害形式大多受周围地基相对 变形控制,同时与地下结构自身的特点及尺寸等有关。

地铁震害
地下铁道主要由区间隧道和地铁车站两部分组成, 破 坏形式可分为区间隧道、地铁车站及其连接部分的 破坏。从现有资料看,地铁震害以地铁车站最为严重, 地铁车站的破坏形式主要有: 中柱开裂、坍塌, 顶板 开裂、坍塌, 以及侧墙开裂等。 地震的强烈水平运动产生的剪力和弯矩, 是边墙产生 沿地铁方向(纵向) 裂缝的根本原因。 现有资料中尚无因地基土失稳破坏而导致地铁破坏 的记载, 但在理论上, 由地铁周围土体失稳破坏导致 地铁破坏是完全可能的。例如上海市区普遍存在粉 砂地层, 必须引起重视。

原型观测方法

原型观测方法是指通过实测地震作用下地下结构的动力反 应及震害情况，揭示地下结构地震响应特点、抗震性能、 震害机理的方法。主要包括地震观测和震害调查两种途径。 地震观测方法需要地震发生前在所观测的地下结构内部关 键部位及围岩中埋设加速度计等测量装置。 通过大量的地震观测资料，进一步了解了地下结构的振动 特性，逐渐认识到对地下结构地震反应起决定作用的是周 围土体的变形而不是地下结构的惯性力，后来根据这一结 论提出了反应位移法。 震害调查是最真实的“原型试验”结果，因此一直受到人 们的重视，1995年日本阪神地震后收集到的大量的地下 结构方面的震害资料对于揭示地下结构的震害机理，认识 地下结构的抗震性能等方面有着重要的研究价值。


从地震作用的角度看,地震作用下产生的位移差异和 惯性力是结构破坏的主要原因,它们造成的两种破坏 类型为:一种是由于围体变位而在地下结构中产生强 制变形所引起的破坏,即剪切破坏,多发生在岩性变化 较大、断层破碎带、浅埋地段或隧道结构刚度远大 于地层刚度的围体中;另一种是结构在惯性力作用下 产生的破坏,这种破坏多发生在洞口附近,此时地震惯 性力的作用表现比较明显,地下结构洞身遭受地震惯 性力破坏的发生概率较低,而处于地层约束较弱的洞 口及浅埋地段,破坏发生的概率较高。
地震动位移沿深度的变化特征
地震作用下,地下结构产生的竖向或水平向的相对位 移差是产生剪力和弯矩的主要原因,地下结构的抗震 设计应充分考虑地下空间相对位移的影响。 深度对位移幅值的影响明显,地震动位移幅值随深度 的增加而减小,幅值在浅层的变化速度比深层快。 场地条件和分量方向对位移幅值产生明显的影响,随 深度增大,地震动的水平分量比竖向分量的幅值变化 快,土层/ 基岩场地的位移幅值比土层场地的幅值变化 快,地下地震动的位移幅值大体上按指数形式衰减。 震级和位移幅值的大小对台阵地震动的位移幅值变 化也有明显影响,震级或地表位移幅值增大,地下地震 动的位移幅值沿深度的变化幅度减小。

地下工程抗震研究现状
地下结构的振动特性与地面结构有很大不同，针对 于地下结构特点的抗震分析方法日益受到重视，近 年来取得了很大的进展。 如今地下结构已经在水利水电、交通、通讯及国防 工程等多领域得到了广泛的应用，地下结构在地震 时的安全对于保障人民生命财产以及城市生活的正 常运行有着极为重要的作用 。 地下结构抗震问题已，成为近些年地震工程领域的 研究热点。现有的地下结构抗震研究方法主要可分 为：原型观测、理论分析和模型实验3个大的类别。