第3章-地下工程抗震原理课件.ppt

1、地下结构灾害与防护地下结构灾害与防护第三章第三章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理内容提要内容提要概述概述地下结构地震危害机理地下结构地震危害机理地下结构抗震分析地下结构抗震分析地下结构抗震对策与设计地下结构抗震对策与设计0 0第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理概述概述我国震区分布我国震区分布地震的危害地震的危害地下结构的震害地下结构的震害地下工程抗震的意义地下工程抗震的意义 1 1第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理我国震区分布我国震区分布我国地处于环太平洋地震带上，地震活动性非常频我国地处于环太平洋地震带上，地震活动性非常

2、频繁，是世界上最大的一个大陆浅源强震活动区。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。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多个城市中，有一半位于地震基本烈度为7度度乃至乃至7度以上的地震区。度以上的地震区。23个百万以上人口的特大城市中，有个百万以上人口的特大城市中，有70属属7度和度和7度以上的地区，像北京、天津、西安等大城市都度以上的地区，像北京、天津、西安等大城市都位于位于8度的高烈度地震区，南京也位于度的高烈度地震区，南京也位于7度区内度区内。1.11.1第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理我国震区分布我国震区分布

3、1.11.1第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理我国震区分布我国震区分布我国六个地震活动区我国六个地震活动区：台湾及其附近海域台湾及其附近海域 喜马拉雅山脉地震活动区喜马拉雅山脉地震活动区 南北地震带南北地震带 天山地震活动区天山地震活动区 华北地震活动区华北地震活动区 东南沿海地震活动区东南沿海地震活动区1.11.1第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地震的危害地震的危害世界上多次强破坏性地震都集中在城市世界上多次强破坏性地震都集中在城市：1906年美国旧金山大地震（年美国旧金山大地震（M8.3）1923年日本关东大地震（年日本关东大地震（M8.2）1960年智利南部大地

4、震（年智利南部大地震（M8.5）1964年美国阿拉斯加大地震（年美国阿拉斯加大地震（M8.4）1968年日本十胜冲大地震（年日本十胜冲大地震（M8.0）1976年中国唐山大地震（年中国唐山大地震（M7.8）1989年美国洛马普里埃地震（年美国洛马普里埃地震（M7.0）1994年诺斯雷奇地震（年诺斯雷奇地震（M6.7）1995年日本阪神地震（年日本阪神地震（M7.2）1.21.2第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地震的危害地震的危害(1)地面?(2)地下?1.21.2第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构的震害地下结构的震害1.31.3 地震可造成多种地下结构的破坏。

5、主要有哪些破坏呢？桩基础桩基础桥梁桥梁基础基础地下地下车库车库地下街地下街地下地下管道管道地铁地铁车站车站各种各种隧道隧道地下地下结构结构第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地铁车站的震害地铁车站的震害地铁车站的震害地铁车站的震害地铁车站的震害地铁车站的震害1.3.11.3.11.3.1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？第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下管道的震害地下管道的震害地下管道的震害地下管道的震害地下管道的震害地下管道的震害1.3.21.3.

6、21.3.21906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。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下工程抗震的意义地下工程抗震的意义1.21.2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

7、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。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构地震危害机理地下结构地震危害机理对地下结构震害的新认识对地下结构震害的新认识地下结构震害概况地下结构震害概况地下结构地震破坏特征地下结构地震破坏特征土体的振动液化土体的振动液化结构本身抗震性能问题结构本身抗震性能问题2 2第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理对地下结构震害的新认识对地下结构震害的新认识2.12.1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第二章

8、地下工程抗震原理地下工程抗震原理老观点老观点老观点老观点老观点老观点2.1.12.1.12.1.1老观点（老观点（19951995年前）：地下结构一直被认为年前）：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。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。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理老观点老观点老观点老观点老观点老观点2.1.12.1.12.1.1客观现象客观现象：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

9、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。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理老观点老观点老观点老观点老观点老观点2.1.12.1.12.1.1理论依据理论依据：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。第二章第二章 地

10、下工程抗震原理地下工程抗震原理老观点老观点老观点老观点老观点老观点2.1.12.1.12.1.1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。第二章第二章 地下工程抗

11、震原理地下工程抗震原理老观点老观点老观点老观点老观点老观点2.1.12.1.12.1.1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。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理新现象新现象新现象新现象新现象新现象2.1.22.1.22.1.21995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

12、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。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理新观点新观点新观点新观点新观点新观点2.1.32.1.32.1.3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 第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理新观点新观点新观点新观点新观点新观点2.1.32.1.32.1.3新观点（1995年后）：地下结构具有不同于地面结构的抗

13、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。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构震害概况地下结构震害概况2.22.2从 破 坏 最 严从 破 坏 最 严重的几种地下结重的几种地下结构看构看桩基础桩基础地下地下车库车库地下街地下街地下地下管道管道地铁地铁车站车站各种各种隧道隧道地下地下结构结构第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地铁车站的破坏地铁车站的破坏地铁车站的破坏地铁车站的破坏地铁车站的破坏地铁车站的破坏2.2.12.2.12.2.11995年阪神大地震年阪神大地震线路线路车站车站覆土覆土/m/m结构形式结构形式主要破坏点主要破坏点神户

14、高速铁路神户高速铁路大开站大开站2 22 2层层4 4跨跨大部分中柱压坏大部分中柱压坏长田站长田站2 21 1层层2 2跨跨16/4116/41根中柱剪切破坏根中柱剪切破坏2 2层层4 4跨跨连续连续1616根中柱剪切破坏根中柱剪切破坏其他站其他站2 23 3轻微损坏轻微损坏市营地下铁道市营地下铁道新长田站新长田站3 34 42 2层层2 2跨跨车站东部大部分中柱剪切破坏车站东部大部分中柱剪切破坏上泽站上泽站3 34 42 2层层2 2跨非对称跨非对称上层几乎全部和中下层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4 46 63 3层层2 2跨跨三宫站三宫站3 34 43 3层层2 2

15、跨非对称跨非对称33/4233/42根中柱剪切破坏根中柱剪切破坏山阳电气化铁道山阳电气化铁道西代站西代站8 89 91 1层层2 2跨跨东侧上层东侧上层16/1716/17根中柱剪切破坏根中柱剪切破坏4 48 82 2层层4 4跨跨西侧上层西侧上层4/84/8根中柱，根中柱，9/149/14根侧柱剪切破坏根侧柱剪切破坏板宿站板宿站4 48 82 2层层4 4跨跨1 1根中柱裂缝根中柱裂缝第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点2.2.22.2.22.2.2地

16、铁车站破坏的主要特点有哪些呢？第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点2.2.22.2.22.2.2中柱破坏中柱破坏第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点地铁车站破坏的主要特点2.2.22.2.22.2.2中柱破坏中柱破坏第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地铁隧道的破坏地铁隧道的破坏地铁隧道的破坏地铁隧道的破坏地铁隧道的破坏地铁隧

17、道的破坏2.2.32.2.32.2.3线路线路区间区间长度长度/m/m覆土覆土/m/m结构形式结构形式主要破坏点主要破坏点阪神电气铁路阪神电气铁路春日野道岩屋春日野道岩屋100010002 23 3单层双跨单层双跨920920根中柱上下端混凝土保护层脱落根中柱上下端混凝土保护层脱落其他其他354035405 56 63540m3540m侧壁上角混凝土剥落侧壁上角混凝土剥落神户电气铁路神户电气铁路5 57 7单层单跨单层单跨侧壁上角、中柱上下端混凝土裂缝侧壁上角、中柱上下端混凝土裂缝单层双跨单层双跨神户高速铁路神户高速铁路新开地站以西新开地站以西2.52.55.55.5单层双跨单层双跨中柱、侧壁

18、震害明显中柱、侧壁震害明显新开地站以西东等地新开地站以西东等地侧壁拐角轻微裂缝侧壁拐角轻微裂缝神户阪急三宫等地神户阪急三宫等地侧壁轴向弯曲裂缝侧壁轴向弯曲裂缝西代站大开站西代站大开站709/810709/810根中柱弯裂或剪断根中柱弯裂或剪断长田站大开站长田站大开站940940249/375249/375根中柱弯剪破坏，根中柱弯剪破坏，495m495m区域区域纵向断裂，破坏严重纵向断裂，破坏严重大开站新开地站大开站新开地站纵向断裂，大变形纵向断裂，大变形神户市营地铁神户市营地铁6 61616单层双跨单层双跨175/1961175/1961根中柱破坏，楼板、侧壁部根中柱破坏，楼板、侧壁部分裂缝分

19、裂缝7 79 9双层单跨双层单跨妙法寺板宿妙法寺板宿4004009 91414盾构隧道盾构隧道铸铁和铸铁和RCRC管片管片基本没有损坏基本没有损坏山阳电气化铁道山阳电气化铁道西代板宿西代板宿单层双跨单层双跨300m300m区段楼板、侧壁布满裂缝区段楼板、侧壁布满裂缝1995年阪神大地震年阪神大地震第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地铁隧道破坏的主要特点地铁隧道破坏的主要特点地铁隧道破坏的主要特点地铁隧道破坏的主要特点地铁隧道破坏的主要特点地铁隧道破坏的主要特点2.2.42.2.42.2.4第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下铁道震害影响因素地下铁道震害影响因素地下铁道

20、震害影响因素地下铁道震害影响因素地下铁道震害影响因素地下铁道震害影响因素2.2.52.2.52.2.5第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下管道的破坏地下管道的破坏地下管道的破坏地下管道的破坏地下管道的破坏地下管道的破坏2.2.62.2.62.2.6供水管、排水管、输油管、输气管、共同沟均有震害供水管、排水管、输油管、输气管、共同沟均有震害现象。现象。地下管道地震破坏可能导致各种次生灾害：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。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。供水管道破坏无法提供消防用水，火灾失控。第二章第二

21、章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下管道的破坏特点地下管道的破坏特点地下管道的破坏特点地下管道的破坏特点地下管道的破坏特点地下管道的破坏特点2.2.72.2.72.2.7第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理岩石隧道的破坏岩石隧道的破坏岩石隧道的破坏岩石隧道的破坏岩石隧道的破坏岩石隧道的破坏2.2.62.2.62.2.6断层、破碎带等地层软弱处易破坏。断层、破碎带等地层软弱处易破坏。隧道口易遭破坏。隧道口易遭破坏。例：例：2008年汶川特大地震年汶川特大地震第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构地震破坏特征地下结构地震破坏特征2.32.3 地下结构地震时的运动特征地

22、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破坏的两大类型 地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构地震时的运动特征地下结构地震时的运动特征地下结构地震时的运动特征地下结构地震时的运动特征地下结构地震时的运动特征地下结构地震时的运动特征2.3.12.3.12.3.1地震时地下结构与地层是共同作用的，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。是在地层的约束下运动。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构地震破坏的两大类

23、型地下结构地震破坏的两大类型地下结构地震破坏的两大类型地下结构地震破坏的两大类型地下结构地震破坏的两大类型地下结构地震破坏的两大类型2.3.22.3.22.3.21.地层地层破坏破坏导致结构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，最终导致破坏护、受力失去平衡，产生过大变形，最终导致破坏。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构地震破坏的两大类型地下结构地震破坏的两大类型地下结构地震破坏的两大

24、类型地下结构地震破坏的两大类型地下结构地震破坏的两大类型地下结构地震破坏的两大类型2.3.22.3.22.3.22.结构自身薄弱导致破坏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，最终结构破生的位移和地震力，产生地震应力和变形，最终结构破坏坏。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的

25、破坏特征地下结构地震时的破坏特征2.3.32.3.32.3.31.地下结构震害主要来自结构的剪切破坏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。要是由于地层的水平剪切振动导致其内结构的剪切破坏。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征地下结构地震时的破坏特征2.3.32.3.32.3.32.其次是竖向地震力的破坏作用其次是竖向地震力的破坏作用竖

26、向地震力一般约为水平地震力的竖向地震力一般约为水平地震力的1/3-2/3。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体的振动液化土体的振动液化2.42.4 土体液化现象及其工程危害土体液化现象及其工程危害 液化机理液化机理 液化的影响因素液化的影响因素 土体液化可能性的判别土体液化可能性的判别 场地液化危害性防治措施简介场地液化危害性防治措施简介第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化现象土体液化现象土体液化现象土体液化现象土体液化现象土体液化现象2.4.12.4.12.4.1土体液化土体液化指饱和状态无黏性土（砂土或粉土）、指饱和状态无黏性土（砂土或粉土）、低塑性黏性土（

27、黄土、粉煤灰等）在一定强度的动荷低塑性黏性土（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。度的现象。动荷载动荷载地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及爆破等爆破等。地震地震引起的大面积甚至深层的土体液化的危害性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整体性失稳。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程

28、危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害2.4.22.4.22.4.21.喷砂冒水喷砂冒水(sand boiling)液化上层中出现相当高的孔隙水压力，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，水头可高达可达几小时甚至几天，水头可高达23m。2.震陷震陷液化时喷砂冒水带走了大量土颗粒，地基产生不均匀沉液化时喷砂冒水带走了大量土

29、颗粒，地基产生不均匀沉陷，使建筑物倾斜、开裂甚至倒塌。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。基液化而发生整体倾侧。2.1976年唐山地震时，天津某农场高年唐山地震时，天津某农场高10m左右的砖砌水塔，因其西左右的砖砌水塔，因其西北角处地基土喷砂冒水，水塔整体向西北倾斜了北角处地基土喷砂冒水，水塔整体向西北倾斜了6。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表

30、现及其工程危害土体液化表现及其工程危害2.4.22.4.22.4.23.滑坡滑坡在岸坡或坝坡中的饱和砂粉土层，由于液化而丧失抗剪在岸坡或坝坡中的饱和砂粉土层，由于液化而丧失抗剪强度，使土坡失去稳定，沿着液化层滑动形成大面积滑坡。强度，使土坡失去稳定，沿着液化层滑动形成大面积滑坡。1.1971年美国加州年美国加州SanFernendo坝在地震中即发生上游坝坡大滑动。坝在地震中即发生上游坝坡大滑动。研究证明这是因为在地震振动即将结束时，在靠近坝底和粘土心墙研究证明这是因为在地震振动即将结束时，在靠近坝底和粘土心墙上游面处广阔区域内砂土发生液化的缘故。上游面处广阔区域内砂土发生液化的缘故。2.196

31、4年美国阿拉斯加地震中，海岸的水下溜滑带走了许多港口设年美国阿拉斯加地震中，海岸的水下溜滑带走了许多港口设施，并引起海岸涌浪，造成沿海地带的次生灾害。施，并引起海岸涌浪，造成沿海地带的次生灾害。4.上浮上浮贮罐、管道等空腔埋置结构可能在周围土体液化时上浮，贮罐、管道等空腔埋置结构可能在周围土体液化时上浮，对于生命线工程来讲，这种上浮常常引起严重的后果。对于生命线工程来讲，这种上浮常常引起严重的后果。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害土体液化表现及其工程危害2.4.

32、22.4.22.4.2第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化机理土体液化机理土体液化机理土体液化机理土体液化机理土体液化机理2.4.32.4.32.4.3土体在往复剪应力作用下，颗粒排列将趋于密实土体在往复剪应力作用下，颗粒排列将趋于密实（剪缩性），孔隙水一时间来不及排出，从而导致孔隙（剪缩性），孔隙水一时间来不及排出，从而导致孔隙水压力上升，有效应力减小。当积聚起来的孔隙水压力水压力上升，有效应力减小。当积聚起来的孔隙水压力等于总应力时，有效应力就变为零。等于总应力时，有效应力就变为零。根据有效应力原理，饱和砂土抗剪强度为：根据有效应力原理，饱和砂土抗剪强度为：当孔隙水压力当

33、孔隙水压力 等于总应力等于总应力，即，即 时，当有效应时，当有效应力等于零，即力等于零，即 时，没有粘聚力的砂土的强时，没有粘聚力的砂土的强度就完全丧失。度就完全丧失。tgtgf0第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素2.4.42.4.42.4.41.土类土类土体液化的内在条件：土体液化的内在条件：c0，当，当，才可能，才可能 f0 黏性土：有粘聚力黏性土：有粘聚力c，即使孔隙水压力等于全部有效，即使孔隙水压力等于全部有效应力，抗剪强度也不会全部丧失，因而不具备液化的内应力，抗剪

34、强度也不会全部丧失，因而不具备液化的内在条件。在条件。粗砂或中砂土：由于透水性好，孔隙水压力易于消散，粗砂或中砂土：由于透水性好，孔隙水压力易于消散，在周期荷载作用下，孔隙水压力不易积累增长，因而一在周期荷载作用下，孔隙水压力不易积累增长，因而一般也不会产生液化。般也不会产生液化。tgtgccf第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素2.4.42.4.42.4.41.土类土类可见，仅当没有粘聚力或粘聚力相当小、土体渗透系可见，仅当没有粘聚力或粘聚力相当小、土体渗透系数比较小，不足以

35、在第二次荷载施加之前把孔隙水压力数比较小，不足以在第二次荷载施加之前把孔隙水压力全部消散掉，才具备积累孔隙水压力并使强度完全丧失全部消散掉，才具备积累孔隙水压力并使强度完全丧失的内部条件。的内部条件。因此，土的粒径大小和级配是一个重要因素。试验和因此，土的粒径大小和级配是一个重要因素。试验和实测资料表明：粉、细砂土和粉土比中、粗砂土容易液实测资料表明：粉、细砂土和粉土比中、粗砂土容易液化；级配均匀的砂土比级配良好的砂土容易发生液化。化；级配均匀的砂土比级配良好的砂土容易发生液化。在地震作用下发生液化的饱和土的平均粒径一般在地震作用下发生液化的饱和土的平均粒径一般d500.7时，即使时，即使8度

36、地度地震也不易发生液化。震也不易发生液化。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素2.4.42.4.42.4.43.土的应力状态土的应力状态在地震作用下，土中孔隙水压力等于固结压力是初在地震作用下，土中孔隙水压力等于固结压力是初始液化的必要条件。固结压力越大，则越不易发生液化。始液化的必要条件。固结压力越大，则越不易发生液化。固结压力随埋深和地下水位深度而直线增加。而地固结压力随埋深和地下水位深度而直线增加。而地震引起的动剪应力随深度的增加不如固结压力的增加来震引起的动剪应力随深度

37、的增加不如固结压力的增加来得快。得快。可见，埋深和地下水位深度越大，越不易液化。可见，埋深和地下水位深度越大，越不易液化。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素土体液化的影响因素2.4.42.4.42.4.44.地震强度地震强度、地震持续时间地震持续时间地震强度大，动应力大（加速度大），易液化；地震强度大，动应力大（加速度大），易液化；地震时间长，振动次数多，易液化。地震时间长，振动次数多，易液化。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理土体液化可能性的判别土体液化可能性的判别土体液化可能性

38、的判别土体液化可能性的判别土体液化可能性的判别土体液化可能性的判别2.4.52.4.52.4.51.动剪应力对比法（基于室内试验计算对比方法）动剪应力对比法（基于室内试验计算对比方法）2.抗液化强度的确定抗液化强度的确定3.场地液化危害性的评价场地液化危害性的评价4.现场试验的经验对比方法现场试验的经验对比方法5.剪切波速法剪切波速法6.场地液化可能性判别的场地液化可能性判别的规范规定规范规定第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理场地液化危害性防治措施简介场地液化危害性防治措施简介场地液化危害性防治措施简介场地液化危害性防治措施简介场地液化危害性防治措施简介场地液化危害性防治措施简介2

39、.4.52.4.52.4.51.加强基础加强基础 主要是采用桩基、全补偿筏板基础、箱形基础等深主要是采用桩基、全补偿筏板基础、箱形基础等深基础。基础。场地液化危害性的评价场地液化危害性的评价2.消除或减轻液化可能性消除或减轻液化可能性 有换土、加密、胶结和设置排水系统等方法。有换土、加密、胶结和设置排水系统等方法。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理结构本身抗震性能问题结构本身抗震性能问题2.42.4结构材料强度、柔性结构材料强度、柔性结构强度结构强度结构形式及其稳定性结构形式及其稳定性结构连接部位的柔性结构连接部位的柔性第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构抗震分析

40、地下结构抗震分析 地下结构地震反应特点地下结构地震反应特点 地下结构抗震分析方法地下结构抗震分析方法3 3第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构地震反应特点地下结构地震反应特点3.13.1 地下结构的振动变形受周围地基土体的约束作用显著，对地下地下结构的振动变形受周围地基土体的约束作用显著，对地下结构地震反应起主要作用的因素是地基的运动特性，结构的动结构地震反应起主要作用的因素是地基的运动特性，结构的动力反应一般不明显表现出自振特性（结构形状、质量、刚度等）力反应一般不明显表现出自振特性（结构形状、质量、刚度等）的影响。的影响。地下结构振动形态受地震波入射方向变化的影响很大。入

41、射方地下结构振动形态受地震波入射方向变化的影响很大。入射方向发生不大的变化时，结构变形和应力可以发生较大的变化。向发生不大的变化时，结构变形和应力可以发生较大的变化。地下结构在振动中的主要应变与地震加速度的联系不明显，但地下结构在振动中的主要应变与地震加速度的联系不明显，但与周围岩土介质的应变和变形关系密切。与周围岩土介质的应变和变形关系密切。地下结构的地震反应随埋深的变化很明显地下结构的地震反应随埋深的变化很明显（书中有误（书中有误1）。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构抗震分析方法地下结构抗震分析方法3.23.2抗震研究的重点：抗震研究的重点：地面结构地面结构结构自振特

42、性结构自振特性地下结构地下结构地基地震运动特性地基地震运动特性第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构抗震分析方法地下结构抗震分析方法3.23.2地下结构和地面结构的地震动力反应特点不同，地下结构和地面结构的地震动力反应特点不同，决定了其抗震分析方法的不同。决定了其抗震分析方法的不同。上世纪上世纪70年代前，地下结构抗震设计沿用地面方年代前，地下结构抗震设计沿用地面方法。法。地下结构抗震研究的先驱：地下结构抗震研究的先驱：1969年代美国制定年代美国制定BART隧道抗震设计标准隧道抗震设计标准70年代后期日本进行深入研究年代后期日本进行深入研究前苏联也对地铁结构抗震计算进行了研究

43、前苏联也对地铁结构抗震计算进行了研究我国只有零星研究，不成系统我国只有零星研究，不成系统第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构抗震分析方法地下结构抗震分析方法3.23.2阎盛海（阎盛海（1989）在）在地下结构抗震地下结构抗震中介绍了中介绍了有理论有理论解的几种地下结构类型解的几种地下结构类型:岩体隧洞岩体隧洞非圆形隧洞的衬砌：门拱形、马蹄形非圆形隧洞的衬砌：门拱形、马蹄形圆形隧洞衬砌：单层、多层衬砌。圆形隧洞衬砌：单层、多层衬砌。土体隧道土体隧道开挖混凝土衬砌；沉埋（沉管）隧道开挖混凝土衬砌；沉埋（沉管）隧道 地下管线地下管线 第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地

44、下结构抗地下结构抗震研究方法震研究方法原型观测原型观测模型试验模型试验理论分析理论分析振动台试验人工震源试验解析法半解析法数值法地下结构抗震分析方法地下结构抗震分析方法3.23.2第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理解析法解析法地震系数法地震系数法反应位移法反应位移法围岩应变传递法围岩应变传递法纵向反应位移法纵向反应位移法横向反应位移法横向反应位移法等代地震荷载法等代地震荷载法波动拟静力法波动拟静力法地下结构抗震分析方法地下结构抗震分析方法3.23.2第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地震系数法地震系数法地震系数法地震系数法地震系数法地震系数法3.2.13.2.13.2.

45、1地震系数法地震系数法（大房森吉，（大房森吉，1899）又称静力法、惯性力法或拟静）又称静力法、惯性力法或拟静力法。力法。原理原理：假设地面结构与地震有相同的振动，结构上只作用着地：假设地面结构与地震有相同的振动，结构上只作用着地面运动加速度产生的惯性力（面运动加速度产生的惯性力（地震惯性力地震惯性力），把惯性力视作静力作），把惯性力视作静力作用于结构作抗震计算。用于结构作抗震计算。式中式中Q结构重量；结构重量；作用于结构的地震加速度；作用于结构的地震加速度；g重力加速度；重力加速度；Kc地面运动加速度峰值与重力加速度的比值，即地面运动加速度峰值与重力加速度的比值，即地震系数地震系数，由地震烈

46、度确定。，由地震烈度确定。QKQgFc第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地震系数法地震系数法地震系数法地震系数法地震系数法地震系数法3.2.13.2.13.2.1地面结构地面结构中，将地震力用等代的静地震荷载或静地层位移代替，中，将地震力用等代的静地震荷载或静地层位移代替，然后再用静力计算模型分析地震作用。然后再用静力计算模型分析地震作用。该法计算的结构内力值一般大于结构动力相应分析值。该法计算的结构内力值一般大于结构动力相应分析值。地下结构地下结构中，对于某些结构的横断面抗震计算也可用此方法。中，对于某些结构的横断面抗震计算也可用此方法。但是，作为但是，作为地震荷载地震荷载，不仅

47、要考虑结构的惯性力，还要考虑覆土的，不仅要考虑结构的惯性力，还要考虑覆土的惯性力、地震时的动土压力、动水压力。惯性力、地震时的动土压力、动水压力。地下结构地震系数法适用的结构形式：地下结构地震系数法适用的结构形式：纵向尺寸远大于横向的线形结构；纵向尺寸远大于横向的线形结构；刚度特大、变形甚小的结构。刚度特大、变形甚小的结构。第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理反应位移法反应位移法反应位移法反应位移法反应位移法反应位移法3.2.23.2.23.2.2反应位移法反应位移法（Response displace）又称响应位移法、）又称响应位移法、反应变位法或响应变位法。反应变位法或响应变位法

48、。原理原理：地下结构变形受周围地层变形的控制，地层：地下结构变形受周围地层变形的控制，地层变形的一部分传给结构，使之产生应变和应力。变形的一部分传给结构，使之产生应变和应力。该法可分为：该法可分为：纵向反应位移法纵向反应位移法横向反应位移法（地基抗力系数法）横向反应位移法（地基抗力系数法）第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理围岩应变传递法围岩应变传递法围岩应变传递法围岩应变传递法围岩应变传递法围岩应变传递法3.2.33.2.33.2.3原理原理：地下结构地震时的应变波形与周围岩土介质地震波形：地下结构地震时的应变波形与周围岩土介质地震波形几乎完全相似。地下结构地震应变为：几乎完全相似

49、。地下结构地震应变为：式中式中 s地下结构地震应变；地下结构地震应变；0周围岩土介质的地震应周围岩土介质的地震应变；变；应变传递系数，与地震动的频率和波长无关，只随地下应变传递系数，与地震动的频率和波长无关，只随地下结构形状、刚度以及周围岩土介质的刚度而变化，通过静力有限元结构形状、刚度以及周围岩土介质的刚度而变化，通过静力有限元分析确定。分析确定。0s第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构抗震对策与设计地下结构抗震对策与设计地下结构抗震设计思想地下结构抗震设计思想地下结构抗震设计原则地下结构抗震设计原则 地下结构抗震设计计算方法地下结构抗震设计计算方法日本土木工程抗震设计特点

50、日本土木工程抗震设计特点 地下结构抗震的工程对策地下结构抗震的工程对策4 4第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理地下结构抗震设计思想地下结构抗震设计思想4.14.1设计成柔性结构设计成柔性结构考虑水平、竖向荷载叠加作用考虑水平、竖向荷载叠加作用第二章第二章 地下工程抗震原理地下工程抗震原理设计成柔性结构设计成柔性结构设计成柔性结构设计成柔性结构设计成柔性结构设计成柔性结构4.1.14.1.14.1.1地下结构抗震设计应遵循使结构尽可能适应地震时地下结构抗震设计应遵循使结构尽可能适应地震时地层变形的能力而又不失去静力稳定的原则。这就是说，地层变形的能力而又不失去静力稳定的原则。这就是说