考虑地层多相性条件下大型地下结构地震反应机理研究

对地下结构同样需要认真考虑其抗震设计，特别是对浅埋大型地下结构，如地铁结构。这在目前已成为工程界的共识。但因以往地下空间开发规模较小，再加上认识及研究水平的限制，对地下结构抗震研究甚少，现用设计方法过于简化。为提高地下结构的抗震设计水平，需认真研究地层与地下结构共同作用体系的地震反应机理。现有研究多视地层为线性单相体，而实际上地层土体中往往含有水，地震作用会使土中孔隙水压增长，甚至液化。更符合实际的分析应考虑土体的多相性及非线性。本项目将地层土体视为多相体并考虑其非线性来分析大型地下结构的地震反应性态，要在已有研究基础上，通过理论分析、编程计算及模型试验，研究相应的计算模型和计算方法，研究影响地下结构地震反应的一些主要影响因素，如地层构造、土－结构相对刚度、地下水位分布、地震输入特性等等，进而提出改进的抗震设计方法及准则。这在理论及工程应用方面无疑均有重要意义。 2100433B

考虑震源-传播径路-场地的全过程抗震是随着对活动断层的认识而发展起来的研究理念，依据活动断层开展工程抗震研究更具有合理性和确切性。大部分城市所处的堆积盆地本身即由活动构造所形成，因此，城市地下结构通常受到其地下或周边潜在地震的直接威胁。目前，国家组织的关于城市地区的活动断层探测与精确定位研究已经取得很大进展，本课题拟将基于活动断层的地震动场模拟与地下结构的地震反应分析作为一个整体开展研究。首先研究建立包括典型中强度地震的发震断层在内的广域模型中耦合包括地下结构在内的详细土-结分析模型的综合地震分析模型，并建立基于断层的长周期地震动理论计算方法与短周期统计学格林函数法的复合宽频带地震动模拟方法，在此基础上，开展基于活动断层产生的地震动场计算，研究分析地下结构在三维地震动场中的时-空地震反应过程，把握地下结构的地震反应特征与规律。通过研究把基于断层的城市地下工程抗震研究推进一步。

我国水利水电大型地下厂房多建在地震高发的西南地区，研究地下结构柔性支护地震动响应特性，对地下厂房运行的安全评估具有重要意义。本项目依托已建大型地下厂房设计资料，采用实验模拟、理论分析、数值分析相结合的研究方法，研究地下结构柔性支护的地震动响应特性，围绕柔性支护的作用机理、力学模型、地震动响应、高效算法和安全评价等方面展开研究。经历四年的努力，取得的主要成果有：（1）基于柔性支护加固围岩的作用机理，建立了锚杆的复合锚固单元模型，揭示了地震动荷载在围岩与柔性支护的相互作用机理。建立了锚杆和围岩协同变形的力学模型，建立了考虑锚杆沿程应力、锚杆受剪切作用和岩锚吊车梁涂沥青段的数值分析模型。（2）提出“开源节流”的高效计算优化思路，构建了基于计算机集群和CPU/GPU异构的高效并行平台。针对柔性支护与围岩的相互作用特性，构建地下洞室柔性支护抗震计算数值分析平台。（3）研究了地震作用下锚杆应力的响应过程，及锚杆和围岩的接触界面、锚头界面的损伤过程，揭示地震灾变中柔性支护和围岩的损伤演化规律。（4）研究了不同的锚固参数组合下，柔性支护的地震动破坏机制、破坏过程及破坏形式，揭示了柔性支护加固围岩的抗震机理，提出了柔性支护抗震设防的建议。在本项目资助下，在《Computers and Geotechnics》、《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》、《Shock and Vibration》、《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》等期刊上发表学术论文22篇，其中SCI收录8篇，EI收录14篇。培养博士研究生13人，硕士研究生15人。取得的相关研究成果完善了地下结构抗震计算基本理论，同时为地下结构柔性支护的抗震设计提供理论支撑。 2100433B

本项目将基于活动断层的地震动场模拟与地下结构的地震反应分析作为一个整体开展研究。按照研究计划，开展了具有典型活动断层、典型场地和典型地下结构的综合地震评价模型的构建方法研究，提出了地震动场计算广域模型与结构地震反应分析详细模型的耦合模型构建方法；研究改良了建立基于活动断层的三维地震动的复合计算方法，可以评价活动断层破裂过程、地震波传播过程和场地效应；建立了在对工程有意义的频带范围内将三维地震动场输入地下结构分析模型的方法；开展了三维地震动场作用下地下结构的地震反应和行为分析；开展了典型地下结构在不同震源和场地条件下的地震反应结果比较。 实现了预期研究目标，取得了预期研究成果，主要研究进展如下：提出了考虑震源-传播径路-场地的全过程的地震反应分析方法体系，包括基于活动断层进行地下结构地震反应分析的理论与方法以及基于活动断层进行地下结构地震反应分析的综合模型与构建方法。研究提出了基于三维地震动场下的地下结构地震反应特征和规律。深入研究了两个关键的科学问题，（1）地下结构抗震分析时地震输入不明确的问题；（2）地下结构在三维地震场作用（地震）时反应行为过程不明确的问题。 依据活动断层开展工程抗震研究更具有合理性和确切性，通过本项目的研究，提出了考虑震源-传播径路-场地全过程的地震反应分析思路与理论方法，将地下工程抗震研究和应用推进了一步。 2100433B