广东建设职业技术学院 广东广州 510440
摘要：滨海地下工程处于复杂的海域环境，受到的震害耦合了地震荷载、海流荷载及软土刚度变化等作用的影响，其破坏机理更为复杂、震害后果更为严重。本文通过对比分析目前地下结构抗震性能分析的主要研究方法，结合滨海地下结构的特殊场地条件，提出了一种实验分析与理论分析相结合的研究方法，有助于揭示滨海地下工程的动力特性和震害机理，提高我国滨海或海域地下工程的设计水平。
关键词：地下工程；滨海工程；抗震性能
1 滨海地下工程震抗性能的重要性
广东沿海地区经济发达，基础工程建设从未停歇，适逢“一带一路”海上丝绸之路的深化及粤港澳大湾区世界级城市群的进一步建设，更多滨海、跨海重大工程将逐渐建成或规划建设，但无论是陆地上的建筑物还是滨海、海域上的构筑物，都必将面临滨海或海域中复杂的岩土工程问题。加之沿海经济区城市人口稠密，可用土地紧张，交通拥挤，催生出更多大型地下工程的兴建，典型的工程如联通香港、澳门与内地交通运输的港珠澳大桥，其海底隧道工程部分长达6.7公里。更为普遍的地下商场、地铁和隧道等地下工程正处于加速建设中。
然而工程经验表明地下结构在地震中也会遭受严重破坏，比如2008年汶川8.0级大地震，造成了我国都汶公路、国道213线、剑青公路以及宝成铁路等路段上的多条隧道的严重损毁，出现了包括洞身衬砌环向、纵向、斜向开裂错台，局部掉块、垮塌，拱顶整体掉落并渗水；钢筋扭曲、断裂，锚杆垫板脱落；路面仰拱隆起、沉陷等程度不同的震害[1]。另一方面，由于工程场地条件的限制，地下结构和一些公用设施，如地铁，穿江隧道，生命线地下管线和大型地下商场等，往往要穿越地质条件复杂的场地，而这些地区往往含有软弱或可液化土层，这类土层在地震荷载作用下可能发生刚度软化，使地基土体发生较大的变形，对地下结构的抗震能力将产生很大影响，可能会威胁到地下结构的地震安全。加之我国沿海地区处于环太平洋地震带上，广东省则位于东南沿海地震区，再考虑到沿海地区人口众多，一旦发生地震灾害，人民的生命财产必将损失惨重，后果不堪设想。因此，滨海地下工程的建设已成为现今工程建设中的重要内容，由于其规模和重要性日益增大，由此提出的科学和技术问题更是愈来愈得到人们的关注。
2 地下结构震抗性能研究方法的对比分析
地下结构的地震反应问题属于土体和地下结构的动力相互作用问题，响应机理复杂，涉及影响因素非常多，如今仍然没有找到有效合理的方法能够完全模拟及解释地下结构地震响应和抗震性能。目前地下结构抗震性能的主要研究方法主要可归纳为三类，即：原型观测、实验研究以及理论分析[2]~[5]。三类方法各成一体、彼此不能相互代替，但它们却又相互联系、密不可分，只有通过三者结合使用才能够科学和合理的对地下结构抗震性能进行有效研究。归纳起来，地下结构的抗震研究方法大体分类如下图1所示：
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图1 地下结构抗震研究方法
2.1 原型观测法
原型观测即指通过实测地震作用下的地下结构动力特性反应及震害情况，揭示地下结构的响应特点、抗震性能以及灾害机理的研究方法，主要形式包括地震观测和震害调查。
地震观测也称地震测量，主要是指在地震来临前先在地下结构的关键部位和支护系统中布置测量仪器，以便当地震发生时能记录整个过程中地下结构的地震反应。但由于地震的随机性以及不确定性，通过这种被动的方法得到的观测资料依然十分有限。震害调查是指在地震结束后对地下结构进行观测和分析。这种方法能够间接的提供地下结构的某些地震信息，从而推断地下结构的地震动反应，进而分析和总结地下结构的地震响应规律，最终为揭示地下结构的震害机理和认识地下结构抗震性能提供了重要价值的研究资料，但震害调查只能间接的揭示震害机理，难以做到实时准确。
2.2 实验研究法
实验研究方法是科学研究的重要途径，也是地下结构抗震性能研究的重要途径。原位观察毕竟是地震之后的结果，难以了解地下结构从地震开始到结束的整个变化过程，而通过实验手段则能在一定程度上再现地下结构受震的整个过程，从而弥补了原位观测的缺陷，同时实验结果也可以作为对理论分析的一种验证，因此实验研究同样是研究地下结构抗震性能不可或缺的部分。目前地下结构抗震性能的实验研究方法主要有人工震源实验、离心机实验以及振动台实验。
2.3 理论分析法
理论分析方法主要可以分为解析法与数值模拟法两类。
解析法就是在简化工程对象的基础上，运用经典的或现有的动力学理论来研究建筑结构的运动规律和受力情况。比如采用静力法或拟静力法对地下结构进行的抗震分析。尽管目前有各类的商业分析软件以及自行开发的计算程序，但仍需针对已有震害观测、材料试验、模型试验，抓住分析对象的主要特性，并在工程允许的范围内进行简化。
数值模拟法是随着计算机工业的迅速发展应运而生的，强大的计算机运算能力成为了各行各业数值模拟分析的有力支撑。因此数值模拟方法成也为了研究地震反应分析的有效途径。与通常需要做较多的假定和简化的解析法相比，通过合理的采用数值模拟方法求解地下结构地震反应时，可以得到更多量化的结论。目前数值方法主要包括边界元法、有限差分法、离散元法、有限元法等等，其中以动力有限元法应用最广泛。
3 滨海地下结构震抗性能的研究方法
通过对地下结构抗震性能不同分析方法的对比研究，本文结合工程实际和工程理论提出一种全新的滨海地下结构震抗性能的研究方法，即实验分析与理论分析相结合的研究方法，具体研究方法的实现路线如图2所示。
（1）通过实验分析，研究滨海工程场地的影响，主要包括地形变化和刚度变化对地下结构地震反应影响的规律，分析在两种场地中地下结构及场地土体的动力反应规律；
（2）基于有限元软件进行二次开发，把适合地震工程的土动力本构模型及人工边界嵌入有限元计算中，形成一种有效考虑土结构相互作用的地下结构地震反应数值模拟分析手段；
（3）对比实验和数值模拟结果，在实验分析验证的基础上，完善分析模型和有限元计算方法；并进一步通过修正的有限元数值模拟法研究滨海场地不规则地形和土体刚度变化对地下结构地震反应的影响。
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图2 滨海地下结构抗震性能研究方法的技术路线
4 结语
鉴于滨海及海域的复杂工程环境，引起了滨海地下结构产生不同的破坏机理和破坏模式，因此滨海环境下的地下工程抗震性能研究越来越受到工程和科研人员的关注。本文通过对比分析目前地下结构抗震性能分析的主要研究方法，提出了一种实验分析与理论分析相结合的研究方法，希望有助于揭示滨海地下工程的动力特性和震害机理，提高我国滨海或海域地下工程的设计水平。
参考文献：
[1]王文沛. 浅埋地下结构地震反应分析及设计方法研究[D].北京工业大学，2012.
[2]楼梦麟，殷琳，康帅.地下工程结构抗震分析方法与研究现状[J].防护工程，2012（05）：72-78.
[3]陈卫忠，宋万鹏，赵武胜，杨典森，赵坤，盛谦.地下工程抗震分析方法及性能评价研究进展[J].岩石力学与工程学报，2017，36（02）：310-325.
[4]马韦韦.地下工程抗震分析的研究现状及展望[J].中国科技信息，2011（24）：69+75.
[5]叶建忠，滨海深厚软土区公路明挖隧道关键技术研究. 浙江省，浙江省交通规划设计研究院，2017-04-22.