摘 要

随着我国城市对地下空间的推进开发，地下结构与地表结构距离越来越近，二者间的相互影响已不可忽视，地下结构、周围地基土及地表结构构成了一个复杂的相互作用体系，本文将其作为一个整体，建立整体的计算模型，探讨地下结构与地表结构地震时的相互影响，分析整体体系的地震响应规律。

首先根据振动台试验建立了四种有限元模型，即自由场模型、土-框架模型、土-隧道模型及隧道-土-框架模型，通过对试验结果的数值拟合，验证了有限元模型的合理性；然后，分别将三种地震波（EL-Centro波、Taft波及武汉人工波）依次输入至各工况进行计算，并根据计算结果对比分析各工况的加速度响应变化规律，得出地下结构与地表结构对周围场地土的影响规律、地下结构对地表结构的影响规律及地表结构对地下结构的影响规律。结果表明：（1）所建立的四种有限元模型的数值结果与试验结果一致，可以据此进一步计算分析；（2）地下结构的存在对周围土体的动力反应有放大的作用，而地表结构则起着衰减的作用；（3）地表结构的存在对地下结构的地震响应起着衰减的作用；（4）地下结构的存在对地表结构的地震响应的影响，对于结构基础的响应影响是放大作用，对于结构低层的响应影响是衰减作用，对结构高层影响不明显。

论文的研究方法和结果对进一步分析地表结构与地下结构在地震时的相互影响有重要的意义。

关键词：地下结构；地表结构；振动台试验；地震响应；

Abstract

As China's cities to promote the development of underground space, underground structures and surface structures getting closer, mutual influence between the two has not be ignored, underground structures, and surface soil around the foundation structure composing of a complex interaction system. In this paper, a integral computation model was established to explore the interaction between the underground structure and the above ground structure during the earthquake, analyzing seismic response laws of the overall system.

Firstly, four kinds of finite element models, namely free-field model, soil-frame model, soil-tunnel model and tunnel-soil-frame model, are established according to the vibration table test. Through the numerical fitting of the test results, the finite element model rationality. Then, three kinds of seismic waves (EL-Centro wave, Taft wave and Wuhan artificial wave) are respectively input into each model to compute, and according to the computed results, the acceleration response of each model is compared and analyzed. The laws of the influence of underground structure and above ground structure on surface soil around the foundation, and the mutual influence between underground structure and above ground structure, are obtained. The results show, (1)The numerical results of the four finite element models are consistent with the experimental results, which can be further computed and analyzed; (2)The presence of underground structures exerts an enlarged effect on the dynamic response of the surrounding soil, while the surface structure acts as an attenuation; (3)The existence of the surface structure plays a role in decaying the seismic response of the underground structure; (4)The influence of the existence of the underground structure on the seismic response of the above ground structure is that, the effect of the response to the structural basis is the amplification effect, while the response to the lower layer of the structure is the attenuation effect, and the structural impact of the upper layer is not obvious.

The methods and results of this paper have important significance for further analysis of the interaction between above ground structure and underground structure during earthquakes

Key words: Underground structure; Above ground structure; Shaking table test; Seismic response;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3研究内容 3

第2章 隧道-土-地表框架结构振动台试验简介 5

2.1 模型试验的类型 5

2.2 模型箱的设计与制作 5

2.3 模型土的设计与制作 6

2.4 结构模型的制作 6

2.5 监测方案 7

2.5.1自由场振动台模型试验 7

2.5.2 土体-框架结构振动台模型试验 8

2.5.3 隧道-土体振动台模型试验 10

2.5.4 隧道-土体-框架结构振动台模型试验 10

2.6 加载制度 10

2.7 小结 11

第3章 基于振动台试验的数值计算模型 13

3.1 计算范围及边界条件 13

3.2 本构模型及计算参数 14

3.3 阻尼设置 15

3.4地震波输入 15

3.5 小结 15

第4章 数值计算结果与试验结果的对比分析 16

4.1 自由场模型结果对比 16

4.2 土-隧道模型结果对比 16

4.3 土-框架模型结果对比 17

4.4 隧道-土-框架模型结果对比 18

4.5 小结 20

第5章 对振动台试验的拟合计算结果及分析 21

5.1 模态分析 21

5.2 瞬态分析 21

5.2.1 自由场模型瞬态分析 21

5.2.2 地下结构对周围场地土的影响分析 22

5.2.3 地表结构对周围场地土的影响分析 25

5.2.4 地表结构对地下结构的影响分析 27

5.2.5 地下结构对地表结构的影响分析 29

5.2.6 地表结构竖向加速度响应 32

5.3 小结 33

第6章 结论与展望 34

6.1 结论 34

6.2 展望 34

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

1.1 引言

随着我国城市进程的快速推进以及局限于有限的城市地下空间资源，地下结构(超)近距离穿越地表结构的工程必将越来越多。现行抗震设计规范中，地表建筑物的抗震设计没有考虑地下结构的影响，而地下结构抗震计算分析时一般考虑一个20kPa的地面超载，而没有考虑地表结构的影响。地下结构的存在一方面会影响地震波的传播，另一方面会改变地基土的刚性，从而影响土体和地表临近结构地震响应；此外临近地表结构的存在也会影响地震波的传播。即地下结构、周围地基土以及地表临近建筑物则构成了一个复杂的相互作用体系。然而，影响该体系地震响应的因素较多，导致目前的相关研究不够完善。目前单独针对地下结构和地表结构的抗震研究十分丰富，但将二者综合起来作为一个整体的研究相对较少。本文拟将地下结构、土体以及地表结构作为一个整体，建立整体的计算模型，探讨地下结构与地表结构地震时的相互影响，分析整体体系的地震响应规律。本文研究成果可为地下结构与地表建筑物的抗震设计提供依据。

1.2 国内外研究现状

地下结构与地表结构地震响应相互影响包含了两个方面的内容，一方面是地下结构的存在对地表结构地震响应的影响；另一方面是地表结构对地下结构地震响应的影响。

地下结构的对地表结构地震响应的影响，是由于大型地下结构的存在，结构界面对地震波的散射和反射改变了地震波的传播，周围自由场的动力反应将发生改变，在软弱场地中，地下结构对场地地震动的改变将更加明显^[1]。根据国内目前的研究状况，对于地下结构对地表地震动的影响，从解析推导到数值计算有较为全面的研究，如梁建文等^[1-2]探究了地下结构为圆形衬砌隧道的情况，分解析部分与数值部分，最终得到了对入射平面P波和SV波散射问题的级数解，并据此对相关的影响因素如入射波长、隧道直径等进行了定量分析，结果表明应考虑地下隧道对沿线设计地震动的影响；梁建文、张浩等^[3]探究了地下结构为洞室群的情况，利用数值方法得到了平面SV波入射时的影响规律，结果表明地下洞室群对地表的地震动响应有较为明显的放大作用，放大程度与无洞室情况相比约1.5~8.8倍；何伟等^[4]研究了地下结构开发在地震动时对地表的影响，分为地表加速度和加速度反应谱两个方面，数值计算结果表明隧道的存在对于场地地震反应有较大影响，并与地震波频谱特性有关；陈国兴等^[5]则探究了地下结构为软弱地基浅埋隧洞的情况，利用等效线性化模型考虑了土体非线性，采用二维有限元整体分析法进行数值模拟，结果表明浅埋隧洞所产生的影响很大，并给出了一些初步规律；于品清等^[6]研究了地下结构为软弱地基上地铁车站的情况，对地铁车站建设前和地铁车站建设后，用有限差分法分别计算场地地震响应，并对产生的变化进行了分析，对地铁车站的抗震设计提出了建议。相关的研究开始加深，杨书燕等^[7]针对成层软土地基的情况，建立了非线性完全有限元计算模型，整个模型包括结构、基础、土、隧道四个部分，探究了不同基础形式所带来的影响；傅玉勇等^[8]建立了层状场地的有限元计算模型，探究了地下结构为地铁隧道时对临建建筑物产生的影响，结果表明在水平地震输入下该影响为放大水平位移幅值，而竖向地震输入下影响不明显。尽管以上研究已有较一致的结论，但所建立的计算模型尺度相对较小。