大跨度地下结构震害特征及破坏机理探讨1文档格式.docx
- 文档编号:21099994
- 上传时间:2023-01-27
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:360.92KB
大跨度地下结构震害特征及破坏机理探讨1文档格式.docx
《大跨度地下结构震害特征及破坏机理探讨1文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大跨度地下结构震害特征及破坏机理探讨1文档格式.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
以来,世界上各大城市均先后修建了地铁和正在修
建地铁。
我国继北京、天津、上海和广州等大城市修
建地铁后,南京、深圳、杭州、大连和青岛等城市的地
铁也已在建设和筹建之中。
地铁是最典型的大跨度地下结构,也是城市重
要的生命线工程。
当城市发生强烈地震时,地下结
构的地基可能变形很大,会使结构的一些薄弱环节
遭受破坏。
同时,地下铁道延伸范围宽广,其间场地
土层的特性复杂多变,一些地区的土层在地震中可
能发生液化、震陷等现象,对地下铁道与建筑物的整
体造成直接或间接的影响,这就使抗震设计及抗震
收稿日期:
00916
基金项目:
中国地震局地震研究所所长基金(I200756047)
作者简介:
冯谦,男,1982年生,硕士,从事岩土工程及地下结构抗震方面的研究.E-mai:
fngqin@eqhb.gov.cn
OC
.
50
SSC
ai
ntte,im
t
itchhedu,htceinyyihotl
yfnhscfmhunhtna
o:
,yitsunhheheinhon
rhhtsohhnehusonnontlt
htuuenha.
:
st;
;
eitctnauutisesc
st
22
S
lea
增刊
冯谦等:
99
防灾问题凸显出来。
如何分析大跨度地下结构,保
证其安全运行,科学地估计当地震作用时所带来的
危害,尽可能地避免或减少地震时造成的破坏以及
带来的经济损失,提高我国城市抗震性能及综合抗
灾能力,已成为当前急需解决的问题。
回顾二十世纪国内外典型的大地震,如1976年
唐山地震,1995年日本阪神地震等。
唐山地震时,
唐山市的给水系统全部瘫痪,秦京输油管道遭破坏,
天津地铁在沉降缝部位出现施工面层局部脱落或裂
缝等;
阪神地震时,同样使神户市的地铁车站、区间
隧道、明挖隧道、盾构隧道和供水及排污系统遭到极
大的损坏。
本文根据板神地震中神户地铁的震害特
征,分析大跨度地下结构的震害特征及破坏机理,为
我国地下结构的抗震设计提供参考依据。
2 地铁车站及区间震害类型特征
利用1976年唐山地震和1995年日本阪神地震
的震害现象,得到地下铁道及地下管道这两种典型
的地下结构的破坏形式及特征如表1所示。
1)地铁车站的震害
1995年阪神地震对地铁结构、铁道车站造成了
严重的破坏,尤其是大开站和上泽站破坏最为严重,
混凝土中柱开裂倒塌,顶板断裂坍塌,侧墙开裂等破
坏现象随处可见(图1)。
地下铁道车站在地震时遭
受的破坏现象主要为:
(1)中柱的混凝土保护层开裂脱落,纵向钢筋
弯曲外凸,箍筋接头开脱,造成中柱纵向长度缩短,
严重的是一些中柱完全丧失了承载能力,导致其他
图1 神户大开站震害示意图
Fi.1 SlthofhyogokenanbuearhquakediaserofKo
beDakaisbwaysaton
构件承载能力不足而破坏,如顶板折弯、坍塌。
与混
凝土中柱损坏严重相比,钢管混凝土中柱基本上未
曾见到有震害现象;
(2)箱形结构的中柱与顶板相接部位的刚性节
点可见贯穿顶板的垂直裂缝,严重之处,混凝土脱
落,钢筋外漏;
(3)侧墙混凝土表面有龟状裂缝,严重部位表
层混凝土脱落,可见内部钢筋;
(4)对于多层箱形结构,顶层构件的震害数量
比底层或下层要多,且损坏程度也更为严重。
调查发现,在遭受震害的各结构构件中,混凝土
中柱破坏现象最为突出。
虽然各车站震害程度不
同,但具体到某个车站,混凝土中柱损坏程度总比其
他构件的破坏更为严重。
可见,箱形地铁车站的混
凝土中柱结构是抗震结构中的最薄弱环节。
2)区间隧道的震害
尚木舜三、吉川惠等[3]对124个隧道震害实例
分析后指出:
地震产生的破坏,主要有因施工缝相互
表1 典型地下结构震害类型分类统计表
Tab.1 Clsiidsatsitblofeartquakediasertpeoftpialundergroundsructres
地下结构类型
震害实例
震害部位(位置)
地铁车站
震害类型(表现形式及特征)
中柱开裂倒塌、顶板和楼板断裂坍塌、侧墙开裂,混凝土
剥落、钢筋弯曲(破坏概率高)
发生在地质条件变化较大区域;
穿越如断层、砂土液化
区间隧道
区等地质不良地带;
结构断面形状及刚度发生明显变化
部位;
主要形式:
弯曲裂缝、竖向裂缝及混凝土脱落、钢
地下铁道结构
1995年日本阪神地震
明挖隧道
盾构隧道
筋外露等。
同上但受灾程度较车站轻。
浅埋段严重,区间段接缝部
位有垂直裂缝,与车站相连区间段,顶板与底板相对位
移大(破坏概率高)
隧道段不均匀沉降。
管片接头处混凝土脱落,渗漏。
衬
砌表面有环、纵向裂缝(破坏概率低)
1976年唐山地震
天津地铁
仅在沉降缝部位出现施工面层局部脱落或裂缝
地下管道(含
长距离输油、
输气及输水
管道)
1995年阪神地震
1976年唐山地系统全部瘫痪,秦京输油管道5处破坏
gectst
uti
fetitcaehstyyct
100
29卷
撞击而使衬砌工程坍塌,出现断裂缝,防水层喷涂得
太薄,防水灰浆层剥落等。
地铁区间隧道属于线性
结构,在地震荷载的作用下,其震害部位主要表现
在:
(1)地铁区间隧道的震害多发生在地质条件有
较大变化的区域,如土质由硬质到软质的过渡地带。
反之,如果地质条件均匀,即便震级较大,结构相对
也较安全。
(2)地铁区间隧道如果穿过地质不良地带,如
断层、裂隙非常发育的地区以及砂土液化区等,极易
(3)地下结构断面形状及刚度发生明显变化的
部位,如隧洞的进出口,隧洞转弯部位及两洞相交部
位等,均为抗震的薄弱环节,易受破坏。
(4)区间隧道的破坏形式主要是弯曲裂缝、竖
向裂缝及混凝土脱落、钢筋外露等。
3)明挖隧道的震害
神户地铁明挖区间隧道的典型结构形式为单层
双跨箱形结构,因而震害表现形式与地铁车站有很
多相似之处,如大量的中柱弯曲、剪切破坏,但总体
受灾程度比车站要轻。
同时,在隧道区间段接缝部
位震害较严重,造成这种破坏的原因可能是隧道纵
向变形过大或由于场地土液化造成其在纵向上有不
均匀沉降发生。
此外,与震害严重的车站相接区段
内的震害也比较严重,这种现象可能是车站与隧道
间在接头地方为应力迁移而提供了通道,造成相邻
结构受到附加荷载作用,使其承载能力不足而加剧
了其破坏程度。
总之,阪神地震时,明挖隧道的震害
特征有以下几点:
(1)隧道覆土较浅区段震害较为严重。
如阪种
电铁一段覆土较浅,厚仅2~3m,其区间内约有920
根中柱上下端部位处的混凝土保护层脱落,在线路
内可见由脱落的混凝土堆成的土堆。
(2)随道中柱受灾程度比其他构件严重,尤其
是在与灾害严重车站相接区间隧道内,如在高速长
田站和大开站间靠近大开一侧,约2/的中柱出现
剪切破坏,破坏现象非常集中。
(3)区间段接缝部位有明显垂直裂缝出现,部分
混凝土剥落,可见内部钢筋,且漏水现象也十分严重。
(4)隧道侧壁中央和靠近上下两拐角部位,有
多条沿纵向延伸的明显裂缝,最大延伸距离长达
100m,裂缝最大宽度12~17mm,出现在靠近大开
站一侧。
另外,在一些区段内还可见侧墙内鼓现象。
(5)与受灾严重车站相连的区间隧道段内,顶
板与底板间的相对位移较大。
如在高速长田站和大
开站间,在靠近大开站一侧,长约140m的范围内,
顶底板间相对位移达6cm以上,最大可达20cm;
而
在高速长田站一侧,相对位移不足2cm。
4)盾构隧道的震害
神户市盾构地铁隧道仅长0.4km,覆土厚9~
14m,主要在洪积砂砾层中穿过,采用混凝土管片,
在内表面喷射250mm的混凝土作为二次衬砌。
震
后,盾构隧道很快就投入了营运,从行驶的电车内观
察,基本上没有发现有震害现象。
由于这段盾构隧
道修建于20世纪80年代,投入运营时间较短,且穿
越地层状况良好,延伸距离也较短,表面上看,地震
时未遭受破坏,但是不能完全说明盾构隧道的抗震
性能。
为了对盾构隧道的抗震能力提供借鉴,归纳
其震害特点为:
(1)建在冲积粘土与冲积砂土地基上的盾构隧
道,震害明显严重,隧道段有不均匀沉降出现。
在震
后几天内,由于管片间裂缝导致漏水现象加剧。
(2)混凝土管片接头处混凝土脱落,渗漏现象
严重,有些部位因防水材料老化而震落,亦导致漏水
现象发生。
(3)采用钢制管片隧道内,可见混凝土二次衬
砌表面有环向和纵向裂缝,环向裂缝间距一般为管
片长度的整数倍,纵向裂缝沿隧道全长出现,在隧道
横断面上,这些裂缝位于与弧顶夹角±
60°
和弧底夹
角±
30°
裂缝处,并出现漏水现象(图2)。
图2 盾构隧道震害示意图
Fi.2 Skethofearhquakediaserofsiltnnel
(4)混凝土内衬和钢制管片间柔性不同,导致混
凝土内衬出现裂缝和在管片接头部位发生漏水现象。
(5)在与其他结构相接部位、混凝土管片的震
害程度相对严重。
从上述震害特征可说明,盾构隧道中的混凝土
管片间连接部位螺栓强度和防水层的柔性对于提高
盾构隧道的抗震性能是非常关键的。
3 地铁车站中柱震害机理分析
据文献[2],混凝土中柱的震害主要为:
弯曲破
坏、剪切破坏和弯剪联合作用下的破坏。
1)弯曲破坏
大开和上泽等地铁车站建设年代较早,虽然设
3
gctsthedu
101
计的抗弯强度很高,但仍然低于弹性理论中遭遇到
预期地震烈度所需的强度,也就是弯曲延性不足。
延性不足就意味着中柱在地震载荷作用下,经过周
期变形后强度下降,塑性铰区域内的混凝土压应力
大于其无侧限抗压应力,造成混凝土保护层剥落,搭
接的箍筋失去约束作用,不能控制核心混凝土的横
向变形,从而导致压碎区向核心区域扩展,使纵向钢
筋屈曲,最后,中柱无力承载而遭受破坏(图3)。
图3 中柱弯曲破坏过程
Fi.3 Prcesofmiilrbendigfiur
2)剪切破坏
造成中柱剪切破坏的因素十分复杂,如混凝土
的剪切传递、沿弯曲切斜缝处骨料咬合程度及箍
筋水平连接产生的桁架机制等,均可影响混凝土中
柱载面的抗剪强度,最后导致破坏[2](图4)。
图4 中柱剪切破坏过程
Fi.4 Prcesofmiilrsearfiur
3)弯剪联合作用破坏
在强烈地震作用下,由于中柱纵向钢筋过早被
切断或抗弯强度低,在离中柱固定端一定的位置处
形成塑性较低区域,在此区域内,容易产生弯曲
切破坏。
4 地下铁道震害破坏机理分析
4.1 地铁震害的主要原因
通过分析日本阪神地震对地铁车站及区间破坏
的资料,发现地下铁道震害形态的差异与地震强度、
震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地质条
件、衬砌的构造条件、隧道与围岩的相对刚度及施工
方法、施工的难易程度等均有密切的关系。
根据地
下结构在地震时所表现的行为可知,地震的主要或
次要效应均可使地下铁道结构遭受破坏,该效应主
要包括:
1)围岩失稳
围岩失稳主要指围岩的变形、差异位移、震陷和
液化等。
由于围岩变位,在地铁结构中产生强制变
形而引起破坏。
该类型的破坏多数发生在岩性变化
较大、断层破碎带、浅埋地段或隧道结构刚度远大于
地层刚度的围岩之中。
2)地震惯性力
地震惯性力主要指强烈的地层运动在结构中所
产生的惯性力所造成的破坏。
该类型的破坏多数发
生在浅埋或明挖的车站结构中。
围岩失稳和地震惯性力作用是地铁震害的两种
主要原因[4,5],相比较而言,而往往是前者起控制作
用。
4.2 地铁结构的横向震害机理分析
区间隧道结构遭受地震惯性力破坏的发生概率
较低,而处于地层约束较弱的车站和浅埋结构,破坏
发生的概率一般较高。
据日本阪神地震隧道震害调
查表明,区间隧道结构之所以有惯性力破坏的现象
发生,主要是由于隧道结构与地层之间出现了较大
的空隙而削弱了地层的约束作用,即实际上相当于
提高了衬砌结构的相对质量密度,造成其分担的地
震惯性力超过了极限。
因此,试验和实测都表明回
填密实有利于地下结构抗震。
在土质地层中,由于
地铁结构的刚度一般比地层大,往往形成对地层变
形的约束。
因此,衬砌刚度越大,其吸收的变形能就
越大,因此,地铁的震害往往表现为由于地层的地震
动变形所致。
由此得出结论,衬砌越柔,越有利于抗震。
但
是,围岩自身的地震稳定性往往成为控制因素。
因
此,只检算地铁结构本身的抗震稳定性是不够的,在
检算结构抗震稳定性的同时,也要检算围岩自身的
地震稳定性。
4.3 地铁结构的纵向震害机理分析
地铁是一种长线形结构的建筑物,地震波的相
位衍生应力和变形在地铁轴线方向上会发生很大变
化。
从日本阪神地震隧道震害调查知,地下铁道表
现为埋深越浅,破坏作用越显著。
该变化可解释为,
假设地铁结构和围岩在地震波通过时一起运动,且
随着地震波的形状,振动能量沿地铁轴线从一点移
动到另一点,则在地铁结构内部同时产生纵向的拉
压和横向的剪切两种作用,如果这两种作用的结果
超过地铁结构本身的抗力极限,那么结构自然就会
产生破坏。
需要特别强调的是该地震破坏作用往往与惯性
力的相关性不明显,以往的研究表明,地铁结构抵抗
这种相位衍生应力和变形的能力,并不因结构体的
godplaale
剪
godplahle
102
加强而有很大改变。
所以,地铁结构的抗震设计原
和弯剪联合作用破坏。
则应当考虑这种破坏作用,使设计的结构应有足够
的韧性以吸收地震时所产生的相位衍生应力和强制
参
考
文
献
变位,同时又不损害其承受静载的能力。
一味加强
结构,试图让结构去抵抗相当大的强制变位所产生
的内力是不现实的。
5 结语
1)日本阪神地震隧道震害现象说明,浅埋结构
的地震破坏比深埋结构发生破坏的频度和程度都要
高出许多。
因为,在浅埋地段可能同时受到围岩失
稳和地震惯性力的破坏作用;
2)混凝土中柱震害主要有弯曲破坏、剪切破坏
(上接第78页)
4 讨论
1)伸缩仪的年变趋势和月变趋势中出现的突
降现象,是在强降水影响下,山体岩石体积发生膨
胀,产生不均匀变形,进而影响伸缩仪的变化趋势。
2)伸缩仪NS分量曲线也受强降水影响,但程
度不如EW分量大,其原因可能与地形有关。
安装
仪器的山洞开凿在NNE-SSW走向山脊中,强降水
可能对EW向的影响更大。
3)临海台站在进行地形变观测时面临的最大
干扰就是海潮。
在理论上,将海潮的影响从地形变
观测资料中剔除,即所谓的“海潮效应改正”问题已
经得到根本的解决[14,15]。
强降水有季节性,不象海
潮那样持续,规律性也不强,它对伸缩仪的影响达到
什么量级?
是否可以改正?
有待在以后的工作中继
续研究。
1 胡聿贤.地震工程学[M].北京:
地震出版社,1988.
2 季倩倩,杨林德.地下铁道震害与震后修复措施[J].灾害
学,2001,16(2):
31-36.
3 郭美贤,王洋.城市地铁车站及隧道结构的震害分析及其
对策[J].广州建筑,2006,6:
24-27.
4 何海健,刘维宁,王霆.地下铁道抗震研究的现状与探讨
[J].中国安全科学学报,2005,8:
3-7
5 王秀英,刘维宁,张弥.地下结构震害类型及机理研究
[J].中国安全科学学报,2003,11:
55-58.
地磁观测与研究,1999,20(6):
45-50.
4 中国地震局监测预报司.地壳形变数字观测技术[M].北
京:
地震出版社,2003.
5 朱金芳,等.闽台地区城市活动构造与地震[M].北京:
科
学出版社,2008.
6 张远城,熊先保,黄晓华.数字化形变台站观测资料质量
跟踪分析[J].大地测量与地球动力学,2003,23(4):
125
-128.
7 熊先保,等.厦门地倾斜观测资料中海潮干扰的综合特征
[J].大地测量与地球动力学,2009,29(2):
43-47.
8 熊先保,等.从三次地震来讨论厦门台地形变仪器的监测
能力[J].地震研究,2009,32(1):
31-35.
9 李杰,等.利用小波变换方法分析形变观测资料的正常背
景变化特征[J].地震学报,2005,27(1):
33-41
10 杨婕.厦门地震台数字化仪器零点台阶产生原因探讨
[J].地震地磁观测与研究,2009,30(1):
98-102.
11 王梅,等.数字化形变观测干扰识别[J].大地测量与地
球动力学,2004,24(1):
94-98.
12 陈素盆,黄翠仙.厦门连续性暴雨天气气候特征[J].河
南气象,2004,4:
13-15.
13 黄晓华,陈智勇,林立峰.数字化形变观测典型曲线畸变
1 国家地震局科技监测司.地震地形变观测技术[M].北
地震出版社,1995.
2 张晶,等.数字化形变观测提取的地震短临异常特征[J].
地震,2003,23(1):
70-76.
3 郝建国.地震及其前兆的观测研究与地震预测[J].地震
分类与说明[J].华南地震,2008,28(4):
141-148.
14 熊先保,等.海水加载引起的厦门台地倾斜变化[J].大
地测量与地球动力学,2006,26(4):
76-81.
15 李瑞浩.重力学引论[M].北京:
地震出版社,1998.
感谢您试用AnyBizSoftPDFtoWord。
试用版仅能转换5页文档。
要转换全部文档,免费获取注册码请访问
打开车站标准断面破坏示意图
打开车站中柱破坏情况1
打开车站中柱破坏情况2
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 跨度 地下 结构 特征 破坏 机理 探讨