考慮地層多相性條件下大型地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)機(jī)理研究

對地下結(jié)構(gòu)同樣需要認(rèn)真考慮其抗震設(shè)計，特別是對淺埋大型地下結(jié)構(gòu)，如地鐵結(jié)構(gòu)。這在目前已成為工程界的共識。但因以往地下空間開發(fā)規(guī)模較小，再加上認(rèn)識及研究水平的限制，對地下結(jié)構(gòu)抗震研究甚少，現(xiàn)用設(shè)計方法過于簡化。為提高地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計水平，需認(rèn)真研究地層與地下結(jié)構(gòu)共同作用體系的地震反應(yīng)機(jī)理?，F(xiàn)有研究多視地層為線性單相體，而實際上地層土體中往往含有水，地震作用會使土中孔隙水壓增長，甚至液化。更符合實際的分析應(yīng)考慮土體的多相性及非線性。本項目將地層土體視為多相體并考慮其非線性來分析大型地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)性態(tài)，要在已有研究基礎(chǔ)上，通過理論分析、編程計算及模型試驗，研究相應(yīng)的計算模型和計算方法，研究影響地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的一些主要影響因素，如地層構(gòu)造、土－結(jié)構(gòu)相對剛度、地下水位分布、地震輸入特性等等，進(jìn)而提出改進(jìn)的抗震設(shè)計方法及準(zhǔn)則。這在理論及工程應(yīng)用方面無疑均有重要意義。 2100433B

考慮震源-傳播徑路-場地的全過程抗震是隨著對活動斷層的認(rèn)識而發(fā)展起來的研究理念，依據(jù)活動斷層開展工程抗震研究更具有合理性和確切性。大部分城市所處的堆積盆地本身即由活動構(gòu)造所形成，因此，城市地下結(jié)構(gòu)通常受到其地下或周邊潛在地震的直接威脅。目前，國家組織的關(guān)于城市地區(qū)的活動斷層探測與精確定位研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，本課題擬將基于活動斷層的地震動場模擬與地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析作為一個整體開展研究。首先研究建立包括典型中強(qiáng)度地震的發(fā)震斷層在內(nèi)的廣域模型中耦合包括地下結(jié)構(gòu)在內(nèi)的詳細(xì)土-結(jié)分析模型的綜合地震分析模型，并建立基于斷層的長周期地震動理論計算方法與短周期統(tǒng)計學(xué)格林函數(shù)法的復(fù)合寬頻帶地震動模擬方法，在此基礎(chǔ)上，開展基于活動斷層產(chǎn)生的地震動場計算，研究分析地下結(jié)構(gòu)在三維地震動場中的時-空地震反應(yīng)過程，把握地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征與規(guī)律。通過研究把基于斷層的城市地下工程抗震研究推進(jìn)一步。

我國水利水電大型地下廠房多建在地震高發(fā)的西南地區(qū)，研究地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動響應(yīng)特性，對地下廠房運(yùn)行的安全評估具有重要意義。本項目依托已建大型地下廠房設(shè)計資料，采用實驗?zāi)M、理論分析、數(shù)值分析相結(jié)合的研究方法，研究地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)的地震動響應(yīng)特性，圍繞柔性支護(hù)的作用機(jī)理、力學(xué)模型、地震動響應(yīng)、高效算法和安全評價等方面展開研究。經(jīng)歷四年的努力，取得的主要成果有：（1）基于柔性支護(hù)加固圍巖的作用機(jī)理，建立了錨桿的復(fù)合錨固單元模型，揭示了地震動荷載在圍巖與柔性支護(hù)的相互作用機(jī)理。建立了錨桿和圍巖協(xié)同變形的力學(xué)模型，建立了考慮錨桿沿程應(yīng)力、錨桿受剪切作用和巖錨吊車梁涂瀝青段的數(shù)值分析模型。（2）提出“開源節(jié)流”的高效計算優(yōu)化思路，構(gòu)建了基于計算機(jī)集群和CPU/GPU異構(gòu)的高效并行平臺。針對柔性支護(hù)與圍巖的相互作用特性，構(gòu)建地下洞室柔性支護(hù)抗震計算數(shù)值分析平臺。（3）研究了地震作用下錨桿應(yīng)力的響應(yīng)過程，及錨桿和圍巖的接觸界面、錨頭界面的損傷過程，揭示地震災(zāi)變中柔性支護(hù)和圍巖的損傷演化規(guī)律。（4）研究了不同的錨固參數(shù)組合下，柔性支護(hù)的地震動破壞機(jī)制、破壞過程及破壞形式，揭示了柔性支護(hù)加固圍巖的抗震機(jī)理，提出了柔性支護(hù)抗震設(shè)防的建議。在本項目資助下，在《Computers and Geotechnics》、《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》、《Shock and Vibration》、《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》、《巖土力學(xué)》等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，其中SCI收錄8篇，EI收錄14篇。培養(yǎng)博士研究生13人，碩士研究生15人。取得的相關(guān)研究成果完善了地下結(jié)構(gòu)抗震計算基本理論，同時為地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)的抗震設(shè)計提供理論支撐。 2100433B

本項目將基于活動斷層的地震動場模擬與地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析作為一個整體開展研究。按照研究計劃，開展了具有典型活動斷層、典型場地和典型地下結(jié)構(gòu)的綜合地震評價模型的構(gòu)建方法研究，提出了地震動場計算廣域模型與結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析詳細(xì)模型的耦合模型構(gòu)建方法；研究改良了建立基于活動斷層的三維地震動的復(fù)合計算方法，可以評價活動斷層破裂過程、地震波傳播過程和場地效應(yīng)；建立了在對工程有意義的頻帶范圍內(nèi)將三維地震動場輸入地下結(jié)構(gòu)分析模型的方法；開展了三維地震動場作用下地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和行為分析；開展了典型地下結(jié)構(gòu)在不同震源和場地條件下的地震反應(yīng)結(jié)果比較。 實現(xiàn)了預(yù)期研究目標(biāo)，取得了預(yù)期研究成果，主要研究進(jìn)展如下：提出了考慮震源-傳播徑路-場地的全過程的地震反應(yīng)分析方法體系，包括基于活動斷層進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的理論與方法以及基于活動斷層進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的綜合模型與構(gòu)建方法。研究提出了基于三維地震動場下的地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特征和規(guī)律。深入研究了兩個關(guān)鍵的科學(xué)問題，（1）地下結(jié)構(gòu)抗震分析時地震輸入不明確的問題；（2）地下結(jié)構(gòu)在三維地震場作用（地震）時反應(yīng)行為過程不明確的問題。 依據(jù)活動斷層開展工程抗震研究更具有合理性和確切性，通過本項目的研究，提出了考慮震源-傳播徑路-場地全過程的地震反應(yīng)分析思路與理論方法，將地下工程抗震研究和應(yīng)用推進(jìn)了一步。 2100433B