一种地下结构的隔震方法及隔震的地下结构与流程

本发明涉及工程结构隔震方法，特别是涉及到一种地下结构的隔震方法及该方法得到的地下结构。

背景技术：

地下结构周围土体的约束可以限制其变形的发生，当发生地震时，其自振特性表现的不很明显，因此在过去其震害往往容易被忽视。随着地下结构的广泛建设和人们对抗震认知的提升，地下抗震越来越被重视。

目前地上结构抗震领域常见的隔震措施是在建筑物上部结构与基础之间设置由隔震器或阻尼器组成的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期、增大阻尼、减小输入上部结构的地震作用。地下结构一般被岩土体包裹，所处力学环境明显与地上结构不同，因此上述隔震思路并不适用。对此，一些地下结构隔震减震技术被发明，如中国专利201510261556.0公开了一种层间剪切型地下结构隔震减震体系及其施工方法，使用了大量的支承桩为隔震垫提供刚性支承，造价高，实施困难；如中国专利201510353874.x公开了地下结构的抗震加固结构及方法，在周围土体与地下结构之间设置大量锚杆使得成本增加，在地震时隔震墙不能完全消除结构竖向的剪应力，隔震效果需要进一步论证。

因此，目前亟待发明一种地下结构的隔震方法，以减弱地震时产生的水平剪应力，隔断竖向剪应力的传递，消除结构面上下的位移差，减小结构的地震反应，保证结构的安全性。

技术实现要素：

本发明提供了一种地下结构的隔震方法，以解决现有的多种隔震发明中成本高，措施复杂，实际工程中难以应用的缺陷。该地下结构的隔震方法能够有效减少土体对结构产生的剪应力从而减少结构发生变形导致破坏。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种地下结构的隔震方法，包括以下步骤：

步骤1：进行基坑开挖和地基处理，在地基上铺设两层土工膜；

步骤2：在两层土工膜上部浇筑垫层，所述的垫层形成底板，对底板做防水处理，然后在所述底板上浇筑混凝土形成地下结构主体；对地下结构主体的侧墙及顶板做防水处理；

步骤3：基坑回填，在地下结构侧墙外回填刚度较大的回填材料，该部分回填材料整体形状为下宽上窄，且并不完全填满基坑；然后在该部分回填材料外侧与基坑之间回填柔性回填材料，并按设计要求压实；

步骤4：在地下结构主体的顶板上铺设两层土工膜。

进一步的，当覆土较深时且地下水水位较高时还可在两层土工膜之间铺设一层粒径为0.1mm左右厚度不大于5cm的细砂，并将两层土工膜焊接封闭。

一种隔震的地下结构，包括地下结构主体，在所述的地下结构主体的顶板上铺设两层土工膜，底板与地基之间铺设有两层土工膜，地下结构主体的侧墙外回填有刚度较大的材料；在刚度较大的材料与基坑之间回填有柔性回填材料。

进一步的，地下结构主体的侧墙、顶板和底板设有防水层。

进一步的，当覆土较深时且地下水水位较高时，在所述的两层土工膜之间还铺设一层细砂，且两层土工膜焊接封闭。

进一步的，所述细沙的粒径为0.1mm左右，厚度小于等于5cm。

本发明中，两层土工膜之间的剪应力f可近似认为f＝μn，其中μ为两层土工布之间的摩擦系数，n为作用在土工膜上的竖向荷载；而当不设土工膜时，是土体直接与地下结构顶板接触，而一般来说土工膜之间的摩擦系数μ小于土体与结构之间的摩擦系数，因此可以降低其土对结构产生的最大剪应力。

本发明中，下部回填刚性较大的土体，上部回填素土，土体横截面呈上小下大的梯形，底部采用弹性模量较大的刚性回填材料土，以限制底部位移，在顶部则采用弹性模量较小的柔性回填材料，以削弱其抵抗结构变形的能力。这样通过不同的回填材料形成的变刚度体系，控制可能造成结构的变形的周围土体变形，从而减小结构自身变形、层间位移角的形成，达到隔震的目的。

本发明中在地下结构顶面铺设两层土工膜，当地下水位较高时，若覆土较深(大于3m)，可在两层土工膜之间铺设一层粒径为0.1mm左右厚度不大于5cm的细砂，此时砂土处于饱和状态，由于砂土的内聚力，地震时产生的超静空隙水压力可以降低其有效应力，从而可以有效降低上层土体对地下结构产生的剪力。若发生液化现象，则几乎可以完全隔断剪力。

本发明提出的地下结构的隔震方法及结构，具有以下优点：

本发明一种地下结构的隔震方法可以消除地震时产生的水平剪应力，隔断竖向剪应力的传递，消除结构面上下的位移差，减小结构的地震反应。同时，本发明一种地下结构的隔震方法简单，成本低。与目前的地下结构隔震方法相比，能够产生明显的隔震效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-地面；2-基岩；3–双层土工膜；4–垫层；5-主体结构；6-上部隔震层；7-三七灰土；8-素土。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中目前地上结构抗震领域常见的隔震措施是在建筑物上部结构与基础之间设置由隔震器或阻尼器组成的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期、增大阻尼、减小输入上部结构的地震作用。地下结构一般被岩土体包裹，所处力学环境明显与地上结构不同，因此上述隔震思路并不适用。对此，一些地下结构隔震减震技术被发明，如中国专利201510261556.0公开了一种层间剪切型地下结构隔震减震体系及其施工方法，使用了大量的支承桩为隔震垫提供刚性支承，造价高，实施困难；如中国专利201510353874.x公开了地下结构的抗震加固结构及方法，在周围土体与地下结构之间设置大量锚杆使得成本增加，在地震时隔震墙不能完全消除结构竖向的剪应力，隔震效果需要进一步论证，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种地下结构的隔震方法及隔震的地下结构。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种地下结构的隔震方法，包括以下步骤：

步骤1：在地面1下方进行基坑开挖和地基处理，在地基上铺设两层土工膜(对应图中的双层土工膜3)；

步骤2：在两层土工膜上部浇筑垫层4，所述的垫层4形成底板，对底板做防水处理，在底板上浇筑混凝土形成地下结构主体5；对地下结构主体5的侧墙及顶板做防水处理；

步骤3：基坑回填，在地下结构侧墙外回填刚度较大的材料，该部分材料下宽上窄，并不完全填满基坑，在该部分回填材料外侧与基坑之间回填柔性回填材料，并按设计要求压实；

步骤4：在地下结构顶板上铺设两层土工膜；进一步的，当覆土较深时且地下水水位较高时还可在两层土工膜之间铺设一层粒径为0.1mm左右厚度不大于5cm的细砂，并将两层土工膜焊接封闭。图中的上部隔震层6表示土工膜或夹砂土工膜。

本实施例中，刚度较大的土可选择三七灰土、水泥石屑等，例如图中的所述的三七灰土7；

本实施例中，柔性回填材料选用素土8。

本实施例中两层土工膜之间的剪应力f可近似认为f＝μn，其中μ为两层土工布之间的摩擦系数，n为作用在土工膜上的竖向荷载；而当不设土工膜时，是土体直接与地下结构顶板接触，而一般来说土工膜之间的摩擦系数μ小于土体与结构之间的摩擦系数，因此可以降低其土对结构产生的最大剪应力。

本实施例中的步骤3中，回填刚度较大的土，回填土的横截面呈上小下大的梯形，反应位移法认为地下结构在地震时的反应主要取决于周围土体的变形，将土体在地震作用下产生的变形通过地基弹簧以静载的形式作用在结构上，同时考虑结构周围剪力及结构自身惯性力。

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》土层位移值的计算公式为：

其中，u是土层水平位移；z是需要计算水平位移的结构和地面之间的距离；h是基岩和地面之间的距离；u(max)是发生在地表的土层最大水平位移。

对z取一阶导数，随深度变化的剪应变为：

若g为剪切模量，剪应力计算公式应为：

由(2)可知，随着z的增大，剪应变越小，由(3)可知剪力也越小。所采用的回填方法正是在底部采用弹性模量较大的刚性回填材料，以限制底部位移，在顶部则采用弹性模量较小的柔性回填材料，以削弱其抵抗结构变形的能力。这样通过不同的回填材料形成的变刚度体系，控制可能造成结构的变形的周围土体变形，从而减小结构自身变形、层间位移角的形成，达到隔震的目的。

步骤4在结构顶面铺设两层土工膜，其作用原理与步骤1相同，当地下水位较高时，若覆土较深(大于3m)，可在两层土工膜之间铺设一层粒径为0.1mm左右厚度不大于5cm的细砂，此时砂土处于饱和状态，由于砂土的内聚力，地震时产生的超静空隙水压力可以降低其有效应力，从而可以有效降低上层土体对地下结构产生的剪力。若发生液化现象，则几乎可以完全隔断剪力。根据《建筑抗震设计规范》，液化的主要危害是震陷，有趋势采用震陷量来评价液化的危害程度。而对于4层民用建筑，当震陷量不大于5cm时，可不采取抗液化措施。因此采用薄层的双层夹砂土工膜可以起到有效的隔震效果，同时较厚的覆土层也隔离了一般工况下荷载造成的振动，从而保证了上层结构的稳定。

此外，本发明还公开了一种隔震的地下结构，包括地下结构主体，在所述的地下结构主体的顶板上铺设两层土工膜，底板与地基之间铺设有两层土工膜，地下结构主体的侧墙外回填有刚度较大的材料；在刚度较大的材料与基坑之间回填有柔性材料。地下结构主体的侧墙、顶板和底板均做防水处理。

两层土工膜之间的剪应力f可近似认为f＝μn，其中μ为两层土工布之间的摩擦系数，n为作用在土工膜上的竖向荷载；而当不设土工膜时，是土体直接与地下结构顶板接触，而一般来说土工膜之间的摩擦系数μ小于土体与结构之间的摩擦系数，因此可以降低其土对结构产生的最大剪应力。

进一步的，当覆土较深时且地下水水位较高时还可在两层土工膜之间铺设一层粒径为0.1mm左右厚度不大于5cm的细砂，并将两层土工膜焊接封闭，此时砂土处于饱和状态，由于砂土的内聚力，地震时产生的超静空隙水压力可以降低其有效应力，从而可以有效降低上层土体对地下结构产生的剪力。若发生液化现象，则几乎可以完全隔断剪力。

根据《建筑抗震设计规范》，液化的主要危害是震陷，有趋势采用震陷量来评价液化的危害程度。而对于4层民用建筑，当震陷量不大于5cm时，可不采取抗液化措施。因此采用薄层的双层夹砂土工膜可以起到有效的隔震效果，同时较厚的覆土层也隔离了一般工况下荷载造成的振动，从而保证了上层结构的稳定。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。