可液化土層對地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響研究

劉春曉,陶連金,邊 金,陳向紅,張 倍

(北京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

關(guān)于地鐵車站在非液化場地下的地震反應(yīng)分析，許多學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，并提出了多種抗震設(shè)計(jì)方法[1-3]。

近年來伴隨著大規(guī)模的軌道交通建設(shè)，地鐵車站結(jié)構(gòu)不可避免穿越可液化土層，砂土液化產(chǎn)生大變形會對地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，逐漸引起人們重視。劉華北[4-6]等采用軟件DIANA SWANDYNE-Ⅱ?qū)梢夯鼗蠁螌与p跨矩形斷面地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了初步的研究，得到了一些液化地基上簡單結(jié)構(gòu)形式的地下結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)規(guī)律，分析了地震液化情況下地下結(jié)構(gòu)埋深對于結(jié)構(gòu)上浮、加速度、水平位移以及響應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，討論了非液化土中地鐵地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)隨埋深的影響；王剛[7]等對阪神地震中破壞的大開車站進(jìn)行分析，研究飽和砂土層在不同液化程度時對地層的動力響應(yīng)以及車站動力響應(yīng)的影響，說明考慮液化變形的土與地下結(jié)構(gòu)動力相互作用分析方法及其有效性。莊海洋[8]等對埋有雙層三跨島式大型地鐵車站的周圍場地進(jìn)行了地震反應(yīng)規(guī)律數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了可液化地基上車站結(jié)構(gòu)上浮、車站結(jié)構(gòu)周圍地基的液化區(qū)分布特性及位移矢量特性。龍慧[9]等對可液化地基上兩層三跨島式地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震動反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析，得出了地基土液化規(guī)律以及地下車站結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)制。何劍平[10-12]等應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行自由場典型液化數(shù)值模擬試驗(yàn)、剛性結(jié)構(gòu)對液化場影響試驗(yàn)、液化場淺埋地下結(jié)構(gòu)動力特性試驗(yàn)、碎石排水層地下結(jié)構(gòu)非自由場液化對比數(shù)值試驗(yàn)，驗(yàn)證了液化的隔振作用和碎石排水層方法的抗液化效果。

文獻(xiàn)[14]使用FLAC3D研究不同位置的液化土層對地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，總結(jié)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(jié)構(gòu)的位移及差異沉降規(guī)律，但是對車站完全位于液化土層時，初始液化到液化大變形產(chǎn)生不同時刻，地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的規(guī)律研究不足。本文將以此為重點(diǎn)，對比研究液化場地和非液化場地條件下土層及車站結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，以期對類似車站穿越可液化土層的抗震性能評價提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 模型尺寸

模型尺寸及網(wǎng)格劃分以及孔隙水壓力分布見文獻(xiàn)[14]。

1.2 參數(shù)選取

計(jì)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(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)模型尺寸參數(shù)見文獻(xiàn)[14]。

1.3 地震波輸入

地震波輸入同文獻(xiàn)[14]。

2 土體液化情況分析

2.1 液化土層破壞的位置

當(dāng)結(jié)構(gòu)完全位于液化土層中時，模型在地震波輸入峰值為0.1g的第11 s時網(wǎng)格出現(xiàn)畸形無法計(jì)算下去，參考文獻(xiàn)[14]中的判據(jù)，認(rèn)為土體發(fā)生了破壞，此時已經(jīng)過了地震波峰值。

紅色標(biāo)注位置處為土體產(chǎn)生液化大變形破壞位置，如圖1所示?？芍?，當(dāng)車站整體位于飽和砂土中時，液化產(chǎn)生大變形區(qū)域多位于車站底板以下及底部兩側(cè)位置；車站平行兩側(cè)未見大變形的產(chǎn)生。

圖1 液化大變形土體破壞時刻網(wǎng)格變形

2.2 液化場對比非液化場位移矢量

由文獻(xiàn)[14]所監(jiān)測土體產(chǎn)生液化大變形位置處的超孔壓比以及孔隙水壓力可以近似判斷，土層在第4.5 s時刻地震動峰值時刻出現(xiàn)初次液化，第9 s時刻再次發(fā)生液化且液化比較嚴(yán)重，第11 s時刻，土體出現(xiàn)液化大變形，土體破壞。因此選取了第5 s、9 s和第11 s三個時刻所對應(yīng)液化區(qū)域土體的位移矢量變化圖，并與11 s時刻非液化場地位移矢量圖進(jìn)行對比(圖2)。

隨著地震動的輸入，車站兩側(cè)土體最初以水平向運(yùn)動為主，見圖2(a)；之后液化程度加深，見圖2(b)，車站底部右側(cè)土體擾動明顯，失去承載力，結(jié)構(gòu)右傾和孔壓作用下土體上浮產(chǎn)生的空間由兩側(cè)土體補(bǔ)充，引起結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步上浮和傾斜，同時加劇了兩側(cè)土體向底部的運(yùn)動。對應(yīng)于位移矢量變化，車站底部右側(cè)位置處首先出現(xiàn)明顯的位移，帶動底部兩側(cè)土體的位移，導(dǎo)致大范圍的土體擾動，最終引起部分網(wǎng)格畸形，土體破壞，如第11 s時刻。而非液化場地土體位移主要以水平向?yàn)橹?，所以車站結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，土體沒有破壞，結(jié)構(gòu)也以水平向變形為主。對比液化場地和非液化場地的土體運(yùn)動來看，液化場地中，底部土體液化導(dǎo)致基礎(chǔ)不穩(wěn)，承載力降低，傾斜上浮，同時引起兩側(cè)土體向基礎(chǔ)底部的運(yùn)動是導(dǎo)致土體大變形破壞的主要原因。

圖2 研究區(qū)域位移矢量圖

2.3 液化區(qū)分布

由圖3液化區(qū)的分布可知，對應(yīng)于上述位移矢量圖，液化區(qū)的發(fā)展是從底部逐漸擴(kuò)展到底部兩側(cè)范圍，而結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)土體是不易液化的，即底部的液化區(qū)引起了底部兩側(cè)土體的液化。因此實(shí)際工程中，車站結(jié)構(gòu)穿越可液化層，底部土體是一定要進(jìn)行液化處理的，驗(yàn)證了文獻(xiàn)[14]中的結(jié)論。

圖3 液化區(qū)分布

2.4 孔隙水壓力變化

圖4為不同時刻孔隙水壓力分布云圖。對應(yīng)于圖3不同時刻的液化區(qū)分布圖，同一時刻液化區(qū)域及土體位移較大區(qū)域孔隙水壓力都會比較高，這與此處土體結(jié)構(gòu)破壞有關(guān)，而且隨著液化的發(fā)展，孔隙水壓力消散比較快。

圖4 孔隙水壓力分布云圖

3 結(jié)構(gòu)位移變形分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移矢量

圖5 結(jié)構(gòu)位移矢量圖

比較車站結(jié)構(gòu)整體位于液化土層中土體破壞時刻和同一時刻非液化土層中，結(jié)構(gòu)的位移矢量情況，如圖5所示。液化土層中，隨著液化的發(fā)展，結(jié)構(gòu)受周圍液化土的影響，由水平向的位移逐漸轉(zhuǎn)為上浮運(yùn)動；非液化場地中，結(jié)構(gòu)只呈現(xiàn)水平向的運(yùn)動。且從位移矢量方向判斷，結(jié)構(gòu)左側(cè)墻上浮大于右側(cè)墻，對應(yīng)前述土體液化發(fā)展可知，結(jié)構(gòu)右側(cè)底部土體首先液化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去承載力，結(jié)構(gòu)右傾，結(jié)構(gòu)左側(cè)抬高，土體同時流入結(jié)構(gòu)左側(cè)，進(jìn)一步加速了結(jié)構(gòu)的傾斜。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的反應(yīng)位移法中，把結(jié)構(gòu)的水平向位移作為影響結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的主要因素，但是在液化場地下，由于結(jié)構(gòu)底部土體的液化，地基失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)上浮和傾斜變化，此時結(jié)構(gòu)的變形可能不僅僅存在于水平向，豎向也有位移，這也從一方面說明目前抗震設(shè)計(jì)中的反應(yīng)位移法并不適用于液化場地的分析。

3.2 結(jié)構(gòu)變形組合

結(jié)合文獻(xiàn)[14]中液化場地結(jié)構(gòu)處于一個xyz三向位移疊加的狀態(tài)，以及本文液化不同時刻結(jié)構(gòu)變形的變化圖示(圖6)，更驗(yàn)證了此結(jié)論。為了便于分析，將圖例的變形放大至實(shí)際變形的1 000倍。

4 結(jié)構(gòu)周圍土體應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力(圖7、圖8)

隨著埋深的增加，結(jié)構(gòu)附近土體內(nèi)的應(yīng)力會增大，在結(jié)構(gòu)底板處的應(yīng)力最大，這說明在結(jié)構(gòu)底板附近的土體產(chǎn)生的動應(yīng)力要比頂板附近的動應(yīng)力大很多，這點(diǎn)在液化和非液化場地中都能體現(xiàn)出來；非液化場地中，隨著埋深的增加，土體最大最小主應(yīng)力增加都較均勻，且隨著時間的變化呈波動趨勢；液化場地中，隨著液化程度的加深，孔隙水壓力的增加，從第7 s開始應(yīng)力逐漸增大，且在液化大變形即將發(fā)生的前1 s(10 s)，應(yīng)力突增后減小，對應(yīng)圖9孔隙水壓力變化，10 s時刻孔隙水壓力也突增；越靠近結(jié)構(gòu)底部土體(監(jiān)測點(diǎn)見文獻(xiàn)[14])應(yīng)力變化幅度明顯增大，這與結(jié)構(gòu)底部孔隙水壓力變化比較明顯有關(guān)。

圖6 結(jié)構(gòu)位移組合

圖7 左側(cè)墻相鄰?fù)馏w最大主應(yīng)力

圖8 左側(cè)墻相鄰?fù)馏w最小主應(yīng)力

圖9 液化場地左側(cè)墻相鄰?fù)馏w孔隙水壓力

由圖10～圖18可知，對于結(jié)構(gòu)而言，無論最大最小主應(yīng)力，液化場地都大于非液化場地結(jié)構(gòu)應(yīng)力，且在監(jiān)測點(diǎn)5，即結(jié)構(gòu)側(cè)墻和底板相連接位置處最大主應(yīng)力大于C40混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的1.71 MPa，即結(jié)構(gòu)在此處都會出現(xiàn)拉伸破壞，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

對于液化場地，由于液化導(dǎo)致土體流動，所以結(jié)構(gòu)底部的土體應(yīng)力比較一致，沒有層次變化，土體受拉也受壓，其中中柱底部土體在液化大變形發(fā)生時刻由于孔隙水壓力的突增，呈現(xiàn)明顯的受拉狀態(tài)；對于非液化場地，由于土體的結(jié)構(gòu)性較完整，各點(diǎn)之間的應(yīng)力變化差異較大，中柱底部土體受壓最明顯，土體整體受壓。

圖10 結(jié)構(gòu)左側(cè)墻最大主應(yīng)力

圖11 結(jié)構(gòu)左側(cè)墻最小主應(yīng)力

圖12 底板結(jié)構(gòu)相鄰?fù)馏w最大主應(yīng)力

圖13 底板相鄰?fù)馏w最小主應(yīng)力

圖14 液化場地結(jié)構(gòu)底板孔隙水壓力

圖15 底板結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力

圖16 底板結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力

圖17 頂板結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力

圖18 頂板結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力

結(jié)構(gòu)底板最大主應(yīng)力，非液化和液化場地呈現(xiàn)的趨勢基本一致，底板左右兩側(cè)臨近側(cè)墻位置一直處于受拉狀態(tài)且液化發(fā)生后的4 s時刻出現(xiàn)拉伸破壞。液化場地中柱底部位置某些時刻會出現(xiàn)拉應(yīng)力，但大部分時刻呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，這與底部土體有時受拉有時受壓有關(guān)，非液化場地中柱底部一直處于拉伸狀態(tài)，對應(yīng)于中柱底部的土體受壓。

液化和非液化場地結(jié)構(gòu)頂板中柱和右邊跨位置一直受壓縮，且變化幅度不明顯，這與上覆土較淺且都為非液化土有關(guān)；對于非液化土層，結(jié)構(gòu)頂板一直受拉，而處于液化土層中的結(jié)構(gòu)，頂板有時受壓有時受拉，這與底部土層的液化導(dǎo)致應(yīng)力變化不同有關(guān)；無論液化土層還是非液化土層，頂板兩側(cè)和側(cè)墻相接處容易受拉破壞。

5 結(jié)論

本文分析了車站整體位于液化土層，產(chǎn)生液化大變形計(jì)算網(wǎng)格畸形時刻，對比與非液化土層、液化土層和結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律，主要結(jié)論如下。

(1)由于底部的液化逐漸引起兩側(cè)土體的移動和結(jié)構(gòu)的傾斜上浮，所以液化場地中底部土體的液化最應(yīng)受到重視。

(2)液化和非液化場地中左側(cè)墻土體和結(jié)構(gòu)上應(yīng)力表現(xiàn)一致，液化場地結(jié)構(gòu)左側(cè)墻應(yīng)力大于非液化場地。

(3)液化導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)破壞使液化土層中結(jié)構(gòu)底部土體各點(diǎn)應(yīng)力大小變化不明顯，結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈現(xiàn)不同的受壓受拉狀態(tài)，液化大變形時刻中柱出現(xiàn)明顯的受拉，結(jié)構(gòu)頂板有時受壓有時受拉；非液化土層中的結(jié)構(gòu)底板臨近土體一直處于受壓狀態(tài)，中柱底部一直處于受拉伸狀態(tài)，結(jié)構(gòu)頂板一直受拉。兩種場地中，結(jié)構(gòu)頂?shù)装迮c兩側(cè)墻相鄰位置處容易受壓破壞。

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