王苓舉 堵金濤

【摘 ?要】近幾十年來，地下結(jié)構(gòu)在城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、國防工程、水利工程等各個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，地下空間的開發(fā)利用已逐步向節(jié)省能源、解決城市交通、保護(hù)環(huán)境等方向發(fā)展，但其抗震分析的研究還存在著亟待解決的問題。

【關(guān)鍵詞】地下結(jié)構(gòu)工程;抗震分析;問題;措施

我國是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生地震的國家，近年來更是頻繁發(fā)生，而且震害相對(duì)來說都比較嚴(yán)重，因此分析地震作用下地下結(jié)構(gòu)工程的破壞機(jī)理以及如何提升結(jié)構(gòu)的抗震能力成為當(dāng)前研究的一個(gè)重要課題。但就目前的情況來說，建筑行業(yè)的一些設(shè)計(jì)人員沒有形成對(duì)地下結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的正確認(rèn)識(shí)，對(duì)建筑容易受地震損害的原因認(rèn)識(shí)不清楚，從而導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)各類問題。

1地動(dòng)產(chǎn)生時(shí)地下構(gòu)造項(xiàng)目奇特的反映

地面的建筑物在遭遇地震侵襲的時(shí)候反應(yīng)通常是建筑物自身的動(dòng)力反應(yīng)，導(dǎo)致建筑物倒塌或者變形，而地下結(jié)構(gòu)由于與土體緊密相連，當(dāng)遭遇地震的時(shí)候，建筑物會(huì)與四周的土體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)反應(yīng)。但發(fā)生地震的時(shí)候，基巖受地震波的影響，一點(diǎn)點(diǎn)的有軟土層滲透到結(jié)構(gòu)物上，從而使結(jié)構(gòu)物被破壞，而還有一些地震波經(jīng)過反射到土層，對(duì)土層又造成破壞，從而形成惡性循環(huán)，由此我們可以分析出地震發(fā)生時(shí)地下結(jié)構(gòu)工程獨(dú)特的反應(yīng)：

（1）地下結(jié)構(gòu)在遭受地震的時(shí)候由于四周土質(zhì)的制約，自身的動(dòng)力反應(yīng)不強(qiáng)烈。

（2）地下結(jié)構(gòu)的存在有效的減少了地動(dòng)對(duì)四周地基的影響（特指相對(duì)于地震波長(zhǎng)來講，地下結(jié)構(gòu)物的尺寸較?。?。

（3）地震波入射方向?qū)τ诘叵陆Y(jié)構(gòu)的形態(tài)產(chǎn)生很到的振動(dòng)效果，及時(shí)地震波的入射方向發(fā)生微小的變化，地下結(jié)構(gòu)也將受到嚴(yán)重的變形。

（4）地下結(jié)構(gòu)相比地面結(jié)構(gòu)，在接受振動(dòng)的時(shí)候各點(diǎn)的相位差比較顯著。

（5）地下構(gòu)造在振動(dòng)中的應(yīng)變受地動(dòng)加速度的快慢的影響比較小。

（6）地下構(gòu)造的地動(dòng)反應(yīng)大小不分深基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)。

2地下布局抗震剖析的有效途徑

2.1采取地動(dòng)原型觀察的方式

地震原型觀測(cè)的方法具體實(shí)施手段是結(jié)合地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的動(dòng)力特殊屬性，并進(jìn)行合理的觀測(cè)，從而達(dá)到掌握地下結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)反應(yīng)的目的。首先根據(jù)長(zhǎng)期以來對(duì)地震的觀測(cè)，把各個(gè)地區(qū)地震裂度有效的劃分，并進(jìn)行科學(xué)的復(fù)核和校訂，同時(shí)結(jié)合實(shí)際需要建立一個(gè)適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。這種做法的本質(zhì)就是根據(jù)對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，對(duì)地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)特性有個(gè)充分的掌握，這樣對(duì)于研究地下結(jié)構(gòu)物抗震、減震問題有個(gè)很好的參考，在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中可收入引起結(jié)構(gòu)物破壞的地震動(dòng)參數(shù)，同時(shí)對(duì)這些參數(shù)的選擇上，要充分考慮其與震級(jí)、距離、場(chǎng)地條件三者之間的聯(lián)系，之后對(duì)地震動(dòng)有個(gè)科學(xué)的估計(jì)，結(jié)合綜上所訴的計(jì)算分析從而得出地下結(jié)構(gòu)抗震減震設(shè)計(jì)方案。當(dāng)下采用地震原型觀測(cè)的方法也存在一定的局限性，一方面是由于觀測(cè)技術(shù)的有限，這樣強(qiáng)震觀測(cè)所收集的地震動(dòng)資料不全面，主要體現(xiàn)在收集的資料大都來源于地表面，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)以及地下深處的觀測(cè)上缺乏技術(shù)性，導(dǎo)致不能收集到完善的資料。另一方面，雖然采用地震原型觀測(cè)的方法對(duì)于研究地下結(jié)構(gòu)抗震分析有一定的優(yōu)勢(shì)，即比較直觀，參考價(jià)值也較高，但由于目前對(duì)于我們還不能準(zhǔn)確、及時(shí)的預(yù)見地震，這樣對(duì)于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的周期我們很難把握等待周期，有時(shí)會(huì)等很久才能實(shí)施觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，這樣對(duì)于觀測(cè)資料的收集上就存在一定的局限性。七十年代初，日本出現(xiàn)了松化群發(fā)地震，日本地震專家根據(jù)觀測(cè)地下管線動(dòng)態(tài)變化，收集一些數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析得出：在地震中管線與四周的地基一起發(fā)生振動(dòng)。之后，人們根據(jù)對(duì)沉埋的隧道、盾構(gòu)的隧道與山嶺隧道等進(jìn)行了地震觀測(cè)，慢慢的掌握了地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特殊屬性，最后總結(jié)出地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與地基變形有著密切的關(guān)系，而與地下結(jié)構(gòu)慣性力幾乎沒有關(guān)系。

2.2貫穿福季耶娃法

前蘇聯(lián)學(xué)者福季耶娃對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)有自己獨(dú)特的見解，關(guān)于P波及S波波長(zhǎng)和隧道洞徑的關(guān)系上作出了細(xì)致的分析，如果隧道埋深比洞徑大3倍，隧道長(zhǎng)度比洞徑大5倍，那么地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，可通過圍巖荷載的彈性力學(xué)來有效的解決。如果基巖土體呈現(xiàn)線彈性變形，那么地震作用時(shí)產(chǎn)生的對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力和襯砌內(nèi)力的計(jì)算，可根據(jù)線彈性理論動(dòng)力學(xué)問題來解決。

2.3運(yùn)用反應(yīng)位移法

1970年，日本地震研究專家根據(jù)對(duì)地震觀測(cè)，分析出了地下線狀結(jié)構(gòu)物有效抗震的方案，這也就是我們所說的反應(yīng)位移法。這種方法的基本原則選用具有彈性的地基梁來模仿地下線狀結(jié)構(gòu)物，通過對(duì)地震發(fā)生時(shí)地基的移動(dòng)，作為已知條件來解決彈性地基上所承受的動(dòng)力，這樣可以清晰的了解地基梁上所承受的應(yīng)力，這樣可方便計(jì)算地下結(jié)構(gòu)所承受的地震反應(yīng)力，例如隧洞、各種管道、豎井等等產(chǎn)生地震反應(yīng)力的計(jì)算。這類方案的關(guān)鍵步驟在于確定地動(dòng)變位與抗力系數(shù)Ks，一般來講把抗力系數(shù)Ks呈現(xiàn)對(duì)角陣，在這里K或者Ks就可以看作文克爾彈簧常數(shù)或地基土介質(zhì)的彈簧常數(shù)。反應(yīng)位移法的理論基礎(chǔ)是根據(jù)地震時(shí)地下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的反應(yīng)進(jìn)行研究，地下結(jié)構(gòu)對(duì)于地震反應(yīng)在地基變形上，而不是說對(duì)于結(jié)構(gòu)物的自身的慣性力，這種方法對(duì)于沉埋隧道的抗震設(shè)計(jì)中是十分有效的。

在反應(yīng)位移法之外，日本地震研究人員還結(jié)合對(duì)地震的長(zhǎng)期觀測(cè)，從收集的地震中地下結(jié)構(gòu)波動(dòng)理論分析的結(jié)果上看，研究出可其他兩種有效果的抗震分析方法：一是運(yùn)用圍巖應(yīng)變傳遞的方法。這種方法主要依據(jù)地震波動(dòng)場(chǎng)分析的基本思想，對(duì)各種管道、海底的隧道、地下的油庫等等地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震分析，從觀察地震波形和周圍巖土介質(zhì)地震應(yīng)變的波形，我們可以總結(jié)出兩種波形在原理上幾乎完全相似，這樣對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的地震應(yīng)變與周圍巖土介質(zhì)的地震應(yīng)變的關(guān)系我們就可以清晰的分析出來。這類方案的關(guān)鍵在于對(duì)地動(dòng)強(qiáng)度相符合的圍巖應(yīng)變的肯定和設(shè)計(jì)。二是選用地基抗力系數(shù)方案。應(yīng)多點(diǎn)緊縮彈簧和剪切彈簧舉行摹擬四周巖土介質(zhì)的作用，利用梁元素來舉行摹擬地下結(jié)構(gòu)。這類方案大抵分三個(gè)步調(diào)來完成：比較四周的巖土介質(zhì)彈簧常數(shù);計(jì)算圍巖地震變位;比較地下結(jié)構(gòu)地動(dòng)反應(yīng)。這類方法在日本核電廠耐震設(shè)計(jì)技術(shù)中被有效的利用。

2.4采用模型實(shí)驗(yàn)法

模型試驗(yàn)專研可分兩部分，一是人工震源試驗(yàn)，二是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。依據(jù)不同的施加動(dòng)力類型，可以把振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)可分為三部分，即簡(jiǎn)諧的振動(dòng)、模擬地震的振動(dòng)和天然的振動(dòng)。但不適用非線性階段疊加原理，因此要選用模擬地震振動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)。此外，由于起震力很小，人工震源實(shí)驗(yàn)法有一定的弊端，即對(duì)于建筑物的非線性性質(zhì)和地基斷裂等因素導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響反應(yīng)不明顯，所以此方法不適合在類型地震研究分析中運(yùn)用。

3結(jié)束語

總體來說，由于方法在應(yīng)用范圍上有一定的局限性，所以在分析方法的選擇上要有目的性。目前在對(duì)于地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究方面還存在許多不足，一方面它們對(duì)于不規(guī)則的地震波，在周期方向傳播上考慮還不是很全面，這樣就導(dǎo)致問題過于簡(jiǎn)單化了，另一方面，對(duì)于衰減的靜力解考慮不周到。然而，實(shí)際上的地基變形與時(shí)間的變化是成比例的，我們對(duì)于動(dòng)力輸入的影響應(yīng)該做好思考。所以，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的準(zhǔn)確地反映，我們首要的任務(wù)就是做好數(shù)據(jù)的采集與分析，這樣運(yùn)用合理的方法才能準(zhǔn)確的反映地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

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