第3章 地下工程抗震原理

第二章 地下工程抗震原理
2.3.2 地下结构地震破坏的两大类型
2. 结构自身薄弱导致破坏
在周围土体并未因地震作用失稳的条件下，结构自 身强度低、柔性差，抗震能力不够，不敌地震作用下产 生的位移和地震力，产生地震应力和变形，最终结构破 坏。
第二章 地下工程抗震原理
2.3.3 地下结构地震时的破坏特征
构物的抗震设计规范；对地下结构的地震破坏却知之不多，地下 结构的抗震研究才刚刚开始，现在还没有地下结构抗震设计的规 范。国内除了对地下管线的抗震作过一些分析外，对于像地铁车 站及区间隧道等这样的大型地下结构很少涉及[1]。 3. 在地下工程抗震方面，国外主要是美国和日本走在前列，有少量 研究成果和规范。1969年美国海湾地区快速运输系统(BART)提出 了地下铁道的抗震设计标准[2] 。
第二章 地下工程抗震原理
1.2 地下工程抗震的意义
▪地铁隧道、车站：百万人口以上的城市都有建设地铁的需求。 ▪铁路隧道：岩石隧道等。 ▪公路隧道：岩石隧道、土层隧道、越江隧道。 ▪市政隧道：电信（电缆）隧道、输水隧道。 ▪市政管线：水管、气管。
地下结构的震害在大地震中已有发生，已成为工程设计必须考虑的问题。 随着地下空间开发和地下结构建设规模的不断加大，地下结构的抗震设 计及其安全性评价的重要性、迫切性愈来愈明显。
阪神地震对地铁结构造成的破坏为世界地 震史上大型地下结构在地震中遭受严重破坏的首 例。在神户市内2条地铁线路的18座车站中，有6 个站均发生严重的破坏。 为什么？
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1.3.2 地下管道的震害
▪ 1906年美国旧金山大地震（M8.3），三条主要输水管 道破坏，上千处破裂，消防水断绝，火灾无法扑灭，大 火燃烧三天三夜，造成800余人死亡，损失财产4亿美元。 ▪ 1976年中国唐山大地震（M7.8），唐山市给水系统全 部瘫痪，径一个月抢修才勉强恢复供水；秦京输油管道 发生5处破坏。 ▪ ……
第二章 地下工程抗震原理
2.2 地下结构震害概况
从破坏最严 重的几种地下结 构看……
桩基础
地下 车库
各种 隧道
地下 结构
地下街
地铁 车站
地下 管道
第二章 地下工程抗震原理
2.2.1 地铁车站的破坏
1995年阪神大地震
线路 神户高速铁路 市营地下铁道 山阳电气化铁道
车站 大开站 长田站 其他站 新长田站 上泽站 三宫站 西代站 板宿站
第二章 地下工程抗震原理
1.1 我国震区分布
第二章 地下工程抗震原理
1.1 我国震区分布
我国六个地震活动区： ▪ 台湾及其附近海域 ▪ 喜马拉雅山脉地震活动区 ▪ 南北地震带 ▪ 天山地震活动区 ▪ 华北地震活动区 ▪ 东南沿海地震活动区
第二章 地下工程抗震原理
1.2 地震的危害
世界上多次强破坏性地震都集中在城市：
客观现象：
1. 1995年阪神大地震发生之前，虽然发生过很多大型地 震，却很少有大型地下结构在地震中遭受严重破坏；
2. 在多次大地震中，地面破坏严重，但地下结构免遭损 伤的例子众多。
▪ 在唐山大地震（1976，ML7.8）时，天津地铁基本无恙[1]。 ▪ 许多矿山井巷在地震中基本无损。
3. 虽然有许多地下管道地震破坏的例子，但被认为是管 道自身的特殊性，与普通地下结构不能混为一谈。
2.2.4 地铁隧道破坏的主要特点
第二章 地下工程抗震原理
2.2.5 地下铁道震害影响因素
第二章 地下工程抗震原理
2.2.6 地下管道的破坏
▪ 供水管、排水管、输油管、输气管、共同沟均有震害 现象。
▪ 地下管道地震破坏可能导致各种次生灾害：
• 共同沟、燃气管道破裂可能导致火灾。 • 供水管道破坏无法提供消防用水，火灾失控。
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2.3.1 地下结构地震时的运动特征
地震时地下结构与地层是共同作用的， 地层在震动中起主导作用，地下结构主要 是在地层的约束下运动。
第二章 地下工程抗震原理
2.3.2 地下结构地震破坏的两大类型
1. 地层破坏导致结构破坏
地层断裂、砂土液化、软化震陷等现象引起的地层 位移、错动、滑移，使地下结构失去周围土体的约束保 护、受力失去平衡，产生过大变形，最终导致破坏。
侧壁上角、中柱上下端混凝土裂缝
中柱、侧壁震害明显 侧壁拐角轻微裂缝 侧壁轴向弯曲裂缝 709/810根中柱弯裂或剪断 249/375根中柱弯剪破坏，495m区域 纵向断裂，破坏严重 纵向断裂，大变形 175/1961根中柱破坏，楼板、侧壁部 分裂缝
基本没有损坏
300m区段楼板、侧壁布满裂缝
第二章 地下工程抗震原理
第二章 地下工程抗震原理
2.1.2 新现象
1995年，阪神地震对地铁结构造成的破坏为世界地 震史上大型地下结构在地震中遭受严重破坏的首例。
在神户市内2条地铁线路的18座车站中，有6个站和 多处隧道（神户高速铁道的大开站、高速铁道长田站及 它们之间的隧道部分，神户市营铁道的三宫站、上泽站、 新长田站、上泽站西侧的隧道部分及新长田站东侧的隧 道部分）均发生严重的破坏。
▪ 动荷载——地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及 爆破等。
▪ 地震——引起的大面积甚至深层的土体液化的危害性 最大，它具有面广、危害重等特点，常能造成场地的 整体性失稳。
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2.4.2 土体液化表现及其工程危害
1. 喷砂冒水(sand boiling)——液化上层中出现相当高的孔隙水压力， 会导致低洼的地方或土层缝隙处喷出砂、水混合物，喷出的砂粒 可能破坏农田，淤塞渠道。喷砂冒水的范围往往很大，持续时间 可达几小时甚至几天，水头可高达2—3m。
2. 震陷——液化时喷砂冒水带走了大量土颗粒，地基产生不均匀沉 陷，使建筑物倾斜、开裂甚至倒塌。
1. 1964年日本新泻地震时，有的建筑物结构本身并未损坏，却出地 基液化而发生整体倾侧。
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1.2 地震的危害
(1)地面? (2)地下?
第二章 地下工程抗震原理
1.3 地下结构的震害
▪ 地震可造成多 种地下结构的 破坏。主要有 哪些破坏呢？
桩基础
各种 隧道
桥梁 基础
地下 结构
地铁 车站
地下 管道
地下 车库
地下街
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1.3.1 地铁车站的震害
覆土/m 2
2
2～3 3～4 3～4 4～6 3～4 8～9 4～8 4～8
结构形式 2层4跨 1层2跨 2层4跨
2层2跨 2层2跨非对称
3层2跨 3层2跨非对称
1层2跨 2层4跨 2层4跨
主要破坏点 大部分中柱压坏 16/41根中柱剪切破坏 连续16根中柱剪切破坏 轻微损坏 车站东部大部分中柱剪切破坏
上层几乎全部和中下层部分中柱剪切破坏
33/42根中柱剪切破坏 东侧上层16/17根中柱剪切破坏 西侧上层4/8根中柱，9/14根侧柱剪切破坏 1根中柱裂缝
第二章 地下工程抗震原理
2.2.2 地铁车站破坏的主要特点
地铁车站破坏的主要特点有哪些呢？
第二章 地下工程抗震原理
2.2.2 地铁车站破坏的主要特点
2.4 土体的振动液化
▪ 土体液化现象及其工程危害 ▪ 液化机理 ▪ 液化的影响因素 ▪ 土体液化可能性的判别 ▪ 场地液化危害性防治措施简介
第二章 地下工程抗震原理
2.4.1 土体液化现象
▪ 土体液化——指饱和状态无黏性土（砂土或粉土）、 低塑性黏性土（黄土、粉煤灰等）在一定强度的动荷 载作用下表现出类似液体的性状，完全失去强度和刚 度的现象。
1. 地下结构震害主要来自结构的剪切破坏 日本阪神地震中大开地铁站的严重破坏，经分析主
要是由于地层的水平剪切振动导致其内结构的剪切破坏。
第二章 地下工程抗震原理
2.3.3 地下结构地震时的破坏特征
2. 其次是竖向地震力的破坏作用 竖向地震力一般约为水平地震力的1/3-2/3。
第二章 地下工程抗震原理
▪ 1906年美国旧金山大地震（M8.3） ▪ 1923年日本关东大地震（M8.2） ▪ 1960年智利南部大地震（M8.5） ▪ 1964年美国阿拉斯加大地震（M8.4） ▪ 1968年日本十胜冲大地震（M8.0） ▪ 1976年中国唐山大地震（M7.8） ▪ 1989年美国洛马普里埃地震（M7.0） ▪ 1994年诺斯雷奇地震（M6.7） ▪ 1995年日本阪神地震（M7.2）
第二章 地下工程抗震原理
2.1.3 新观点
反思：阪神大地震中，包括诸如地铁车站及 区间隧道等结构在内的大量大型地下结构出现严 重的破坏，使人们对地下结构的抗震安全性产生 怀疑。
人们开始研究……
第二章 地下工程抗震原理
2.1.3 新观点
新观点（1995年后）：地下结构具有不同于 地面结构的抗震性能和破坏特征，在某些情形下， 同样会发生严重甚至强于地面结构的破坏。
地下结构灾害与防护
第三章 地下工程抗震原理
第二章 地下工程抗震原理
0 内容提要
▪ 概述 ▪ 地下结构地震危害机理 ▪ 地下结构抗震分析 ▪ 地下结构抗震对策与设计
第二章 地下工程抗震原理
1 概述
▪ 我国震区分布 ▪ 地震的危害 ▪ 地下结构的震害 ▪ 地下工程抗震的意义
第二章 地下工程抗震原理
第二章 地下工程抗震原理
2.1.1 老观点
警钟敲响：
1. 地下结构没有震害事例的原因：当时大型地下结构 为数甚少，遇到地震者更少。
2. 1995年以前，抗震工程学者曾指出：关于地下结构， 虽然迄今尚无严重震害事例，但从地上结构受震害 破坏经验来看，可以设想这类结构今后仍有出现震 害的可能，设计时对此应有必要的充分准备。
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2 地下结构地震危害机理
▪ 对地下结构震害的新认识 ▪ 地下结构震害概况 ▪ 地下结构地震破坏特征 ▪ 土体的振动液化 ▪ 结构本身抗震性能问题
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2.1 对地下结构震害的新认识
▪ 老观点：地下结构不会发生严重震害 ▪ 新现象：地下结构发生严重震害 ▪ 新观点：地下结构震害严重
第二章 地下工程抗震原理
2.1.1 老观点
理论依据：
1. 和地面结构相比，面波随着埋深的增加急剧衰减， 对地下结构的影响较小；
2. 地下结构周围的岩土介质把从震源传来的地震波能 量中的高频成分吸收，使地下结构受到的地震荷载 大大减小。
第二章 地下工程抗震原理
2.1.1 老观点
局面：
1. 地下结构抗震研究严重滞后于地面结构抗震研究。 2. 地面结构的抗震研究也达到实用阶段，各国已制订了各种地面结
1.1 我国震区分布
▪ 我国地处于环太平洋地震带上，地震活动性非常频 繁，是世界上最大的一个大陆浅源强震活动区。
▪ 我国大部分地区为地震设防区。 ▪ 300多个城市中，有一半位于地震基本烈度为7度
乃至7度以上的地震区。 ▪ 23个百万以上人口的特大城市中，有70％属7度和
7度以上的地区，像北京、天津、西安等大城市都 位于8度的高烈度地震区，南京也位于7度区内。
中柱破坏
第二章 地下工程抗震原理
2.2.2 地铁车站破坏的主要特点
中柱破坏
第二章 地下工程抗震原理
2.2.3 地铁隧道的破坏
1995年阪神大地震
线路 阪神电气铁路
区间 春日野道～岩屋
其他
长度/m 1000 3540
神户电气铁路
神户高速铁路
新开地站以西 新开地站以西东等地 神户～阪急三宫等地
西代站～大开站
第二章 地下工程抗震原理
2.2.7 地下管道的破坏特点
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2.2.6 岩石隧道的破坏
▪ 断层、破碎带等地层软弱处易破坏。 ▪ 隧道口易Hale Waihona Puke Baidu破坏。 ▪ 例：
• 2008年汶川特大地震
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2.3 地下结构地震破坏特征
▪ 地下结构地震时的运动特征 ▪ 地下结构地震破坏的两大类型 ▪ 地下结构地震时的破坏特征
第二章 地下工程抗震原理
2.1.1 老观点
老观点（1995年前）：地下结构一直被认为 具有良好的抗震条件，震害甚少，地下结构在地 震时是安全稳固的。
工程界只片面强调地下结构受四周地层制约、 抗震性能较好的一面，人们简单认为地下结构在 地震时是安全稳固的。
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2.1.1 老观点
长田站～大开站
940
大开站～新开地站
神户市营地铁
妙法寺～板宿
400
山阳电气化铁道
西代～板宿
覆土/m 2～3 5～6 5～7
2.5～5.5
6～16 7～9 9～14
结构形式 单层双跨 单层单跨 单层双跨
单层双跨
单层双跨 双层单跨 盾构隧道 铸铁和RC管片 单层双跨
主要破坏点 920根中柱上下端混凝土保护层脱落 3540m侧壁上角混凝土剥落