城市大型地下工程结构抗震安全理论研究

本项目拟以修建在各种土层中的城市地铁车站、地下综合商业街、地下变电站、共同沟、跨越江河的交通隧道等为代表的各类城市大型地下工程为研究对象，将强震环境下此类大型地下结构与周围土体视为多层次三维非线性大系统，以揭示该系统的震动相互作用规律为核心，着眼于震动破损机理和安全调控对策研究，着力突破海量数据处理可视化技术、大规模并行仿真技术、物理与模型试验结合模拟技术、多尺度多层次分析技术等四项关键支撑技术，着重展开五个方面的基本理论研究：1）复杂加载条件下大型地下结构与土体界面静动力学特性与破损本构理论； 2）大型复杂地下工程结构-土体系统的静动力学相互作用机理与分析理论；3）大型复杂地下结构系统震动灾变过程和时空分布效应模拟理论；4）大型复杂地下结构系统的破损模式与安全评价理论及方法； 5）大型复杂地下结构抗震优化设计与安全调控理论及方法，以期对提高我国城市大型地下工程结构抗震安全性能有所助益。

本项目对城市大型地下工程结构抗震安全理论进行研究，取得了一系列成果，主要包括：.（1）开发了土与结构接触面动力测试设备与技术，揭示了土与结构接触面动力特性，提出了针对地下结构系统特点的动三维弹塑性接触面本构模型。在研制三维多功能接触面试验机等设备，开发整机真三维接触面加载技术、高精度接触面法向控制技术和柔性接触面技术等测试技术的基础上，对结构与粗粒土接触面的三维静动力学响应进行系统的研究。建立了新的三维弹塑性接触面本构模型，能统一描述单调和循环加载、二维和三维响应、共轴和非共轴变形、切向与法向耦合效应等接触面静动力学行为及本构关系。.（2）发展了砂土动力测试技术，总结了砂土主要动力特性规律，建立了统一的砂土弹塑性动本构模型。结合大量系统砂土动力试验，研究了砂土三维强度特征和规律、各向异性、可逆性与不可逆性剪胀等动本构规律。建立了能够统一描述不同状态砂土在单调和循环荷载作用下液化前后力学行为的三维砂土液化后大变形统一本构理论与模型。.（3）建立了可合理地考虑地基辐射阻尼的地震动输入机制。研究了饱和两相介质中基于柱面波的时域高阶人工边界条件的构建，形成了有效的地下结构系统计算域边界的处理和模拟方法。建立了基于波函数组合法的一种非一致地震动位移输入方式，为地震动输入提供理论和技术依据。.（4）开发了地下结构系统的动力离心模拟成套技术。在清华大学50g-t土工离心模型试验机和振动台上，开发了可模拟地震条件下可液化地基桩基础的离心模型试验及测量技术。包括根据离心模型试验相似律，选用合适的地下结构模拟材料，制作桩基础模型；设计叠环式模型，从而消除模型箱边界效应，有效地模拟无限水平地基；实现了离心模型试验过程中实时测量地下结构和地基的位移、加速度和孔压变化过程的测量系统，再现了可液化地基中地下结构的震动变形现象。.（5）揭示了地下结构地震响应规律，发展了地下结构抗震安全性评价理论及方法。结合动力离心模型试验和三维数值仿真平台，重点研究了可液化地基中地下结构动力响应的影响因素和基本规律。总结了已有的地下结构设计方法，发展了可液化地基中地下结构三维弹塑性有限元动力时程设计分析方法。.在完成本项目的过程中，培养了2名博士后、12名博士生和6名硕士生，发表SCI论文和EI论文共25篇。本课题所研究的大型结构与土体接触面力学试验系统的研制及应用已获国家技术发明一等奖。