可液化土層的位置對土層地下結構地震反應的影響

劉春曉+陶連金+邊金+王會勝+張恒

摘 要：為了研究不同位置的液化土層對地下結構地震反應的影響，采用PL-Fin土體液化本構模型，使用FLAC3D進行了研究，總結了液化土層發(fā)生液化大變形時刻液化區(qū)分布、孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力比變化規(guī)律及差異、地下結構的位移及差異沉降規(guī)律，并與非液化場地下的地下結構地震反應進行了對比.主要結論有：當結構底部存在液化土層時，引起的結構位移最大，使結構下沉；結構兩側的土體液化會引起結構上浮，并使側墻水平向向層間位移和頂底板豎向層間位移增加；結構整體位于液化土層中時，土體位移、結構位移和結構層間位移差都不是最大值，僅研究結構整體位于液化土層的規(guī)律存在不足；結構周圍、兩側、底部、底部45°位置、左右兩側和底部45°位置以及底部和底部45°位置存在液化土層（B+C）位置共計6種工況下結構頂板y向層間位移變化規(guī)律基本一致，但車站不同位置存在液化土層，土層液化的反應和對結構的影響存在一定差異；液化大變形發(fā)生在孔隙水壓力和超孔壓比突增后的1～3 s后，因此可由孔隙水壓力和超孔壓比的突變判斷是否發(fā)生液化大變形.

關鍵詞：液化；地下結構； PL-Fin模型；地震反應

中圖分類號：TU 93 文獻標志碼：A

文章編號：1674-2974（2017）05-0143-14

Abstract：In order to study the seismic response of underground structures when liquefied soil layer is located in different positions， the PL-Fin constitutive model proposed and developed in FLAC3D was used in this paper. The time when large deformation occurred， liquefied area distribution， the law and difference of pore water pressure and excess pore water pressure ratio， the law of the displacement characteristics， and differential settlement of structure were summarized. Their differences were also compared and analyzed when the structure is on non-liquefied soil layer. The primary conclusions are as follows： the displacement of structure was the largest when liquefied soil layer was under structure and caused the structure sink； the liquefied soil on both sides of the structure caused the structure float upward， and increased the displacement between the layers of side walls in the horizontal direction as well as between the roofs and floors in the vertical direction； the soil displacement and the displacement and differential settlement of structure were all not the largest when structure was all located over the liquefied soil， so it was not enough to only study the law when structure was embedded in liquefied soil； the law of the y-displacement of story drift on top plate was similar when the liquefied soil was located at six different positions including around the structure， on its two sides， in its bottom， in 45 degrees at the bottom of the location， on its two sides and 45 degrees at the bottom of the location， and in its bottom and 45 degrees at the bottom of the location， but the response of liquefied soil and the influence on the structure performance were different； and the large deformation caused by liquefaction occurred in 1 to 3 seconds after the jump of pore water pressure and the excess pore water pressure ratio， so their mutation can be considered as judgement on whether the large deformation occurred or not.

Key words：liquefaction； underground structure； PL-Fin model； seismic response

許多學者對地下結構在非液化場地下的地震反應分析作了研究[1-4].大規(guī)模的軌道交通建設，使地鐵車站結構不可避免地穿越可液化土層，也有許多學者對此作了研究.劉華北等[5-6]采用軟件DIANA SWANDYNE-Ⅱ對可液化地基上單層雙跨矩形斷面地下結構的地震反應進行了初步的研究；王剛等[7]對阪神地震中破壞的大開車站進行了分析；陳蘇等[8]對可液化場地上三拱立柱式地鐵地下結構的地震反應特性進行了振動臺試驗研究.

以上研究基本都把結構置于全液化場地中，實際工程中，液化土層有可能位于地下結構的任意部位，對于地下結構不同位置存在液化土層的影響目前研究較少，對地震作用下結構在液化土層和非液化土層中的不同反應差異研究也不多.

基于此，本文設計將非液化土層作為對比工況，分析地下結構完全位于液化土層、底部位于液化土層、兩側位于液化土層、底部45°位置處存在液化土層、左右兩側和底部45°位置存在液化土層以及底部和底部45°位置存在液化土層6種典型情況.考慮液化后大變形，通過FLAC3D軟件，采用陳育民[9]提出并在FLAC3D中開發(fā)的PL-Fin本構模型進行數值模擬，研究地下結構在6種不同液化條件下的地震反應規(guī)律，并設計非液化場地作為對比工況進行比較.

1 FLAC計算模型的建立

1.1 模型尺寸

本次試驗以典型單層雙跨地鐵區(qū)間結構來確定模型的尺寸和內部結構.其中頂底板和側墻的厚度分別為900 mm，900 mm和750 mm，中板厚度為420 mm，結構模型長為19.92 m，高度為9 m，結構模型的具體尺寸如圖1所示.

計算模型長為180 m，高度為50 m，根據規(guī)范[10]，地面以下15～20 m范圍內土層的液化，可能引起地下車站結構和區(qū)間的嚴重破壞或上浮，因此對地面以下20 m土層進行液化判別是非常必要的.本計算模型中把液化地層取到地表以下20 m處，如圖2所示，其中所標注A，B，C區(qū)域為液化區(qū)范圍.針對本文所研究的6種工況所對應的液化分布為地下結構完全位于液化土層（A+B+C）、底部位于液化土層（C）、兩側位于液化土層（A）、底部45°位置處存在液化土層（B）、左右兩側和底部45°位置存在液化土層（A+B）以及底部和底部45°位置存在液化土層（B+C）.模型的動力邊界為FLAC3D中的自由場邊界[11]，確定計算模型共8 968個節(jié)點，4 329個單元.網格劃分如圖3所示，圖4所示為可液化土層中的孔隙水壓力分布.

1.2 參數選取

計算模型中，非液化區(qū)域的土采用黏土，液化區(qū)域的土采用飽和砂土，其物理力學參數及結構模型尺寸參數見表1和表2.

1.3 地震波輸入及工況設置

本文采用水平向（模型中的X向）振動，圖5選取峰值為0.1g的某液化場場地波.

2 不同工況下土體液化情況分析

FLAC3D中的拉格朗日元方法遵循連續(xù)介質的假定，允許大變形，能夠反映幾何的非線性特性.在大變形計算過程中，節(jié)點坐標會隨時步自動，當位移較大時會導致網格畸形而無法進行下去，本文以此作為判據，認為網格畸形處土體產生液化大變形后的破壞，對此時刻不同工況下的地震反應進行分析.

2.1 液化土層破壞的位置

圖6中土體網格區(qū)域里黑色斑點處為土體產生液化大變形破壞位置.由圖6可知， 當車站底部存在液化土層時，發(fā)生液化大變形土體距離車站最近，兩側存在液化土層時，液化大變形位置處土體距離車站最遠，因此車站底部存在液化土時，地鐵受液化大變形影響較大，需引起重視.

2.2 液化場對比非液化場位移矢量

圖7為各工況研究區(qū)域土體位移矢量圖.由圖7可見，對于非液化土層，土體的運動以水平向為主，而液化土層中，土體存在上下方向的運動，所以土體運動方向不僅局限于水平向，土體最大位移為6.693×10-3 m，液化土層6種工況下土體位移最大值分別為1.352 m，1.054 m，1.693 m，1.807 m，1.70 5 m，1.684 m.可見，僅A區(qū)存在液化土層時，土體位移最小，液化程度也最輕微，這與結構緊鄰兩側土體孔隙水壓力容易消散有關；結構底部即C區(qū)存在液化土層時，土體位移最大；當除了B區(qū)之外的其他區(qū)域存在液化土層時，土體的位移反而會減小，當A區(qū)域和其他區(qū)域存在液化土層時，往往靠近底部的土體首先出現較大位移，A區(qū)域土體位移較小.從土體位移情況可判斷需要引起人們重視的液化區(qū)域位置為C區(qū)>B區(qū)>A區(qū).

2.3 液化區(qū)分布

與之相對應時刻液化區(qū)分布如圖8所示.對應于上文所述位移矢量圖，土體液化的位置對應于土體發(fā)生較大位移的位置.當存在液化土層時，可以用土體的位移簡單判斷土體的液化情況；且土體變形畸形時刻正對應當前液化狀態(tài)，此處也處在液化后區(qū)域，即網格大變形產生位置處土體曾發(fā)生過液化，后期液化再次產生的時刻伴隨著大變形，即為液化后大變形.可以簡單證明，液化大變形是在液化產生后的一段時間內才發(fā)生的，這與國內外許多地震震害調查結果表明的，液化引起的地基或者建筑物破壞通常發(fā)生在地震結束后幾分鐘甚至幾天后的結論相一致.

2.4 超孔壓比和孔隙水壓力變化

圖9所示為各工況土體大變形破壞時刻孔隙水壓力分布云圖.對應于圖8和圖6，當前液化區(qū)域孔隙水壓力都會比較高，且此處也是土體大變形破壞區(qū)域.

在數值計算中[12]，由于計算精度的影響，常用超孔壓比的概念來描述液化.

當計算過程中單元的平均有效應力為零即超孔壓比達到1時，可簡單判斷飽和砂土發(fā)生液化.本文也以此為依據，選取產生液化大變形位置的監(jiān)測點，即圖6所示土體網格中黑色斑點處，調取其超孔壓比時程曲線，觀察其從初始液化狀態(tài)到產生液化大變形狀態(tài)期間，超孔壓比和孔隙水壓力的變化情況，如圖10和圖11所示.可見土體孔隙水壓力的變化和超孔壓比的變化規(guī)律基本一致，隨著時間的增長逐漸增加且在液化大變形產生的前1～3 s會出現突增，由此可判斷液化大變形的產生.

3 結構位移變形分析

3.1 結構位移矢量

土體破壞時刻結構的位移矢量情況如圖12所示.從量值上來看，非液化土層中結構的最大位移為6.2 mm，6種液化工況對應最大結構位移分別為26.1 mm，8.3 mm，18 mm，19.9 mm，29.8 mm和20.4 mm.

從結構運動方向來看，非液化場地中，結構只呈現水平左右向的運動.結構兩側的液化土層會導致結構的上浮運動，但是位移量較小，結構底部的液化土層會引起結構的下沉，且結構底部存在液化土層時，結構的整體位移較大.結構整體位于液化土層中時，結構的位移并非最大，結構產生最大位移是在B區(qū)和C區(qū)都存在液化土層時，因此僅研究結構整體位于液化土層中地下結構的反應規(guī)律是存在不足的.

3.2 結構變形

3.2.1 結構變形圖

圖13所示為各個工況下結構變形圖，為了便于分析，將圖例的變形放大至實際變形的1 000倍.

由圖13可知，結構在液化后土體中處于三向受力的狀態(tài)，且頂底板、左右側墻之間存在差異，不同于結構處于非液化場地中時，結構主要產生x向的層間位移.下面對結構的層間位移差進行分析.

3.2.2 結構層間位移差

結構層間位移監(jiān)測點布置圖見圖14.結構x向、z向層間位移見圖15.

由圖15可知，結構處于液化和非液化地層中時，側墻從上到下距離頂部x向位移差和頂底板從左到右距離左端的z向的層間位移差變化狀態(tài)基本上保持一致，側墻相對頂部位移從上到下隨位置變化呈梯度的增加，頂板相對于左端從左到右隨位置變化呈梯度的增加.即可以把左右側墻的x向運動以及頂底板的z向運動視為整體運動.

從圖15不同工況下側墻層間位移差曲線圖可以發(fā)現，局部存在液化土層時，結構的x向和z向層間位移差為A區(qū)>B區(qū)>C區(qū)，說明結構兩側存在液化土層是引起結構的x向、z向層間差異變形大于非液化土層的主要原因，底部的液化土層導致了結構的整體位移.結構整體位于液化土層中時，結構的以上2種層間位移差都不是最大值.

對比左右兩圖可知，結構處于全液化場地時，結構頂底板、左右側墻位置y向位移差異很大；非液化場地下，結構頂底板、左右側墻位置y向位移基本保持一致而且變動數值是很微小的，可以忽略不計.下面對液化場地各工況下結構頂底板、左右側墻y向層間位移差進行匯總比較，見圖17.

由圖17可知，6種工況下結構頂板y向層間位移變化規(guī)律基本一致， B區(qū)存在液化土層時，其量值最大，而C區(qū)液化土層的存在會導致頂板出現彎曲，即頂板y方向位移變化方向不一致.

B區(qū)、C區(qū)存在液化土層會導致底板彎曲，C區(qū)存在液化土層對應工況4時，底板y向層間位移差最大.

B區(qū)存在液化土層時，左側墻會彎曲，B區(qū)、C區(qū)同時存在液化土層時，結構左右側墻y向層間位移差最大；A 區(qū)、B區(qū)存在液化土層時，左右側墻y向層間位移差值都很小.

4 結 論

本文分析了車站不同位置處存在液化土層，產生液化大變形網格畸形時刻，土和結構的地震反應規(guī)律，并同非液化場地下的反應進行對比，得出的主要結論如下：

1）根據土體位移情況可判斷需要引起人們重視的液化區(qū)域位置為C區(qū)>B區(qū)>A區(qū)；不同區(qū)域液化引起的結構整體位移也為C區(qū)>B區(qū)>A區(qū)，當B區(qū)和C區(qū)同時存在液化土層時，結構整體位移最大.

2）結構兩側的液化土層會加大結構左右側墻x向層間位移和頂底板z向層間位移，是引起結構這兩種層間位移差的主要原因.結構整體都位于液化土層中時，土體位移、結構位移和結構層間位移差都不是最大值，因此平時只研究結構整體位于液化土層的規(guī)律是存在不足的.

3）6種工況下結構頂板y向層間位移變化規(guī)律基本一致， B區(qū)存在液化土層時，其量值最大，而C區(qū)液化土層的存在會導致頂板出現彎曲；B區(qū)、C區(qū)存在液化土層會導致底板彎曲，C區(qū)存在液化土層對應工況4時，底板y向層間位移差最大；B區(qū)存在液化土層時，左側墻會彎曲，B區(qū)、C區(qū)同時存在液化土層時，結構左右側墻y向層間位移差最大；A 區(qū)、B區(qū)存在液化土層時，左右側墻y向層間位移差值都很小.

4）結構兩側的液化土體會引起結構的上浮，結構底部的液化土體會引起結構的下沉.

5）土體位移較大區(qū)域對應當前液化區(qū)域，也是液化后區(qū)域，且此處孔隙水壓力會比較高，孔隙水壓力和超孔壓比突增后的1～3 s會有液化大變形的產生，可以由孔隙水壓力和超孔壓比的變化判斷液化大變形的發(fā)生.

參考文獻

[1] 楊林德，王國波，鄭永來，等.地鐵車站結構振動臺試驗及地震響應的三維數值模擬[J].巖土力學與工程學報，2007，26（8）：1439-1445.

YANG Linde， WANG Guobo， ZHENG Yonglai， et al. Shaking table test on metro-station structure and 3D numerical simulation of seismic response[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2007，26（8）：1439-1445.（In Chinese）

[2] 莊海洋，龍慧，陳國興.復雜大型地鐵地下車站結構非線性地震反應分析[J].地震工程與工程振動，2013，33（2）：192-199.

ZHUANG Haiyang， LONG Hui， CHEN Guoxing. Analysis of the nonlinear earthquake response of a large complicated subway underground station[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2013，33（2）：192-199.（In Chinese）

[3] 劉晶波，王文暉，趙冬冬.地下結構橫截面抗震設計分析方法綜述[J].施工技術， 2010，39（6）： 91-95.

LIU Jingbo， WANG Wenhui， ZHAO Dongdong. Review of methods for seismic design and analysis of underground structure cross-section[J]. Construction Technology， 2010，39（6）： 91-95. （In Chinese）

[4] 谷音， 鐘華，卓衛(wèi)東.地震作用下大型地鐵車站結構三維動力反應分析[J].巖石力學與工程學報， 2013，32（11）： 2290-2299.

GU Yin， ZHONG Hua， ZHUO Weidong. Analysis of dynamic interaction between soil and large subway station structure under seismic excitation based on 3D model[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013，32（11）： 2290-2299. （In Chinese）

[5] 劉華北，宋二祥. 可液化土中地鐵結構的地震響應[J].巖土力學，2005，26（3）：381-386.

LIU Huabei， SONG Erxiang. Earthquake induced liquefaction response of subway structure in liquefiable soil[J]. Rock and Soil Mechanics， 2005， 26（3）： 381-386.（In Chinese）

[6] 劉華北，宋二祥.埋深對地下結構地震液化響應的影響[J]. 清華大學學報：自然科學版， 2005，45（3）： 301-305.

LIU Huabei， SONG Erxiang. Effects of burial depth on the liquefaction response of underground structures during an earthquake excitation[J]. Journal of Tsinghua University： Science & Technology， 2005， 45（3）： 301-305. （In Chinese）

[7] 王剛， 張建民，魏星.可液化土層中地下車站的地震反應分析[J].巖土工程學報， 2011，33（10）： 1623-1627.

WANG Gang， ZHANG Jianmin，WEI Xing. Seismic response analysis of a subway station in liquefiable soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33（10）： 1623-1627. （In Chinese）

[8] 陳蘇， 陳國興，戚承志，等.可液化場地上三拱立柱式地鐵地下車站結構地震反應特性振動臺試驗研究[J].巖土力學， 2015，36（7）： 1899-1914.

CHEN Su， CHEN Guoxing， QI Chengzhi， et al. A shaking table-based experimental study of seismic response of three-arch types underground subway station in liquefiable ground[J]. Rock and Soil Mechanics，2015，36（7）： 1899-1914. （In Chinese）

[9] 陳育民.砂土液化后流動大變形試驗與計算方法研究[D].南京：河海大學巖土工程研究所，2007：73-87.

CHEN Yumin. Study of experimental and calculation method on large deformation of sand after liquefaction[D]. Nanjing： Institute of Geotechnical Engineering， Hohai University，2007：73-87. （In Chinese）

[10]GB 50909—2014 城市軌道交通結構抗震設計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2014：121-122.

GB 50909—2014 Code for seismic design of urban rail transit structures[S]. Beijing： China Planning Press，2014：121-122.（In Chinese）

[11]潘旦光，樓夢麟，董聰. 土層地震行波反應分析中側向人工邊界的影響[J].巖土工程學報， 2005，27（3）： 308-312.

PAN Danguang， LOU Menglin，DONG Cong. Effect of vertical artificial boundary on seismic response of soil layer under traveling wave excitations[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2005，27（3）： 308-312. （In Chinese）

[12]陳育民，徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M]. 北京：中國水利水電出版社，2013：303-305.

CHEN Yumin， XU Dingping. The foundation and engineering examples of FLAC/FLAC3D[M]. Beijing： China Water Power Press，2013：303-305.（In Chinese）