粉質(zhì)黏土—非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)地震變形特性

唐柏贊，陳 蘇，李小軍，莊海洋，吳旺成，苗 雨

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；3.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 深圳分院，廣東 深圳 518034；4.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，建設(shè)場地條件越趨復(fù)雜，地鐵車站結(jié)構(gòu)形式也復(fù)雜多樣，呈現(xiàn)不規(guī)則特征。地震災(zāi)害現(xiàn)象表明，粉質(zhì)黏土地基震陷是引起地基失效造成地鐵車站結(jié)構(gòu)地震破壞的主要原因之一，是當(dāng)前地下結(jié)構(gòu)抗震分析領(lǐng)域的重要研究課題。因此，開展粉質(zhì)黏土—非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)動力學(xué)行為與地震損傷演變過程研究，具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價值。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用振動臺試驗及數(shù)值模擬對粉質(zhì)黏土—地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性開展了廣泛深入的研究[1-7]。IWATATE等[8]通過振動臺試驗研究了箱型框架地鐵結(jié)構(gòu)的破壞過程，指出地鐵車站結(jié)構(gòu)的倒塌是由于結(jié)構(gòu)中柱水平側(cè)向剛度無法抵御地震動產(chǎn)生的剪切荷載作用；JAFARZADEH等[9]對埋地管線在均質(zhì)和非均質(zhì)場地中的地震反應(yīng)進行了振動臺試驗研究。TANG等[10]開展了飽和軟黏土地下結(jié)構(gòu)在振動荷載作用下的動力反應(yīng)和變形特性研究。MA等[11]采用振動臺試驗研究了軟土層埋深對典型地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性的影響，并給出了地鐵車站和隧道連接部位的損傷趨勢。WANG等[12]基于等效慣性力方法進行了軟土地基地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震計算。周燦朗等[13]采用反應(yīng)位移法和時程分析法對地鐵車站結(jié)構(gòu)進行了抗震性能分析。楊林德等[14]通過軟土地鐵車站結(jié)構(gòu)的振動臺模型試驗，得到了軟土地鐵結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)規(guī)律。陳國興等[2-3,15-16]以南京地鐵車站結(jié)構(gòu)建設(shè)背景，進行了一系列軟土場地中地鐵車站結(jié)構(gòu)的大型振動臺試驗和數(shù)值模擬研究，系列試驗與數(shù)值模擬相互驗證并分析了不同結(jié)構(gòu)形式地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性。趙伯明等[17]采用ANSYS-FLAC3D相結(jié)合的方法對2層3跨軟土典型地鐵車站結(jié)構(gòu)進行強震響應(yīng)的三維數(shù)值模擬。權(quán)登州等[18]針對黃土場地兩層兩跨地鐵地下車站結(jié)構(gòu)進行了振動臺試驗，研究了模型地基的豎向沉降和水平位移。然而，這些既有研究中，地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式通常比較簡單規(guī)整，未涉及非規(guī)則截面結(jié)構(gòu)形式的地鐵車站。

本文以粉質(zhì)黏土場地中蘇州星海廣場站及上海南浦大橋站為對象，設(shè)計縮尺比例為1∶30上下層不等跨數(shù)(上層5跨下層3跨)地鐵車站結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗。為滿足振動臺試驗中多種類型物理量的有效測試，將陣列式位移計應(yīng)用于模型試驗中，實現(xiàn)土體變形測量；采用基于機器視覺研發(fā)的非接觸性動態(tài)位移測試技術(shù)實現(xiàn)地鐵車站結(jié)構(gòu)損傷演變過程的可視化及數(shù)據(jù)化。根據(jù)實測數(shù)據(jù)歸納分析粉質(zhì)黏土—非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)體系的震陷、變形規(guī)律及失效機理，為地鐵地下車站結(jié)構(gòu)、地下商業(yè)街的科學(xué)設(shè)計、防震減災(zāi)提供支撐。

1 試驗簡介

1.1 土—地鐵車站結(jié)構(gòu)體系相似比設(shè)計

在南京工業(yè)大學(xué)振動臺實驗室進行縮尺模型試驗。電液伺服地震模擬振動臺主要技術(shù)指標(biāo)：臺面長×寬為4 860 mm×3 360 mm，最大載重量為15 t，水平最大振動加速度為±1.00g。采用疊層剪切型土箱填裝地基土及地鐵車站模型結(jié)構(gòu)，土箱凈尺寸為3 500 mm(振動方向)×2 000 mm(縱向)×1 700 mm(豎向)，該疊層剪切模型土箱能有效保證土體的剪切變形特性，較好地消除邊界上地震波的反射或散射效應(yīng)[19]?；贐uckingham-π定理，模型結(jié)構(gòu)選取長度相似比Cl=1∶30、彈性模量相似比CE=1∶5、振動加速度相似比Ca=1∶2作為基礎(chǔ)相似比，推導(dǎo)得其余量的相似比，分別為應(yīng)力Cσ=1∶5，密度Cρ=1∶0.33，質(zhì)量Cm=1∶9 000，時間Ct=1∶7.69，頻率Cf=1∶0.13，速度Cv=1∶3.85。地基土選取剪切波速、密度、振動加速度為基本物理量，并在線彈性范圍內(nèi)分別推導(dǎo)出相似比關(guān)系。由于地鐵車站模型縮尺較大，人工質(zhì)量的設(shè)置難以實現(xiàn)，而基于忽略重力的模型，試驗結(jié)果的適用性又大受限制，因此采用欠人工質(zhì)量模型[20]。在模型結(jié)構(gòu)每層樓板上均勻布置配重鉛塊以實現(xiàn)附加人工質(zhì)量。

1.2 模型結(jié)構(gòu)和地基土制作

本試驗以蘇州地鐵1號線的星海廣場站及上海地鐵4號線南浦大橋站為原型結(jié)構(gòu)，設(shè)計了縮尺比例為1∶30上下層不等跨數(shù)(上層為5跨，下層為3跨)的地鐵車站結(jié)構(gòu)模型，非規(guī)則截面上層5跨總寬為1 193.3 mm，下層3跨總寬666.7 mm，車站長1 333.3 mm，高467.4 mm，車站結(jié)構(gòu)柱截面尺寸為20 mm×200 mm，柱間距為266.7 mm。按照原型與模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力(彎矩、剪力)等效及施工可操作性原則，確定模型結(jié)構(gòu)鋼筋布置。車站模型采用微?；炷梁湾冧\鋼絲制作，在試驗前對微?；炷恋牟牧衔锢硖匦赃M行了室內(nèi)測定，其彈性模量平均值為7.8 GPa，立方體抗壓強度平均值為4.4 MPa。模型地基土由1 350.0 mm厚的粉質(zhì)黏土層與150.0 mm厚的黏土覆蓋層構(gòu)成，采用分層夯實法制備。模型結(jié)構(gòu)制作過程如圖1所示。

1.3 傳感器布置

根據(jù)本次振動臺試驗?zāi)康?，結(jié)合前期對地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)開展的振動臺試驗與數(shù)值模擬研究結(jié)果[21]，選取非規(guī)則截面中間跨為數(shù)據(jù)主觀測面，規(guī)則截面中間跨為數(shù)據(jù)次觀測面，非規(guī)則與規(guī)則截面轉(zhuǎn)換交界面為輔助觀測面，在觀測面上布置傳感器，如圖2所示。圖中：傳感器編號D為激光位移計，共設(shè)5個；P為壓阻土壤壓力傳感器，共設(shè)8個；PLT為動態(tài)位移標(biāo)靶，共設(shè)11個；SAA為陣列式位移計，由8個可防止扭轉(zhuǎn)變形的剛性段組成，段與段之間通過柔性接頭相聯(lián)結(jié)，7個普通剛性段集成MEMS振動加速度傳感器及雙軸重力振動加速度傳感器，通過角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成變形數(shù)據(jù)；在模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻頂部布設(shè)防水燈帶，結(jié)構(gòu)底板及中板處分別布置2臺高清USB攝像頭模組，共設(shè)4臺，傳感器編號為C，成對角分布，實現(xiàn)地震動作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件失效過程的實時、無死角監(jiān)測及視頻資料采集；同時，在結(jié)構(gòu)柱布設(shè)3～5個紅色標(biāo)靶圓(直徑10 mm)?；谧灾餮邪l(fā)的非接觸性動態(tài)位移測試方法，獲得結(jié)構(gòu)柱的側(cè)向相對位移反應(yīng)。

1.4 地震動選取及試驗加載

試驗選取Wolong地震記錄(EW向)作為輸入地震動，持續(xù)時間為180 s。Wolong地震記錄是典型的1次震源2次破裂，2次破裂間隔時間較短，具有余震效應(yīng)，能對結(jié)構(gòu)造成累積損傷，加劇結(jié)構(gòu)破壞，其振動加速度時程與傅里葉頻譜如圖3所示。試驗采取階梯加載的方式逐級加載，峰值振動加速度(aPGA)依次為0.10g，0.54g，1.24g，對應(yīng)的Arias強度依次為0.086，3.265，14.761 m·s-1。每次峰值振動加速度調(diào)整時，輸入0.05g白噪聲進行掃頻。

圖2 粉質(zhì)黏土地基中地鐵地下車站結(jié)構(gòu)模型傳感器布置圖(單位：mm)

圖3 輸入地震動的振動加速度時程和傅里葉頻譜

2 粉質(zhì)黏土—非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)變形特性

2.1 粉質(zhì)黏土—地鐵車站結(jié)構(gòu)體系震陷

2.1.1 地表震陷

本次振動臺試驗中，采用激光位移計及非接觸性動態(tài)位移測試方法[22]測試粉質(zhì)黏土地表震陷。強震動作用下地表震陷時程曲線(以下均為試驗測得的模型數(shù)據(jù))如圖4所示。由圖可知：地表震陷均大體經(jīng)歷了3個階段，即震陷起步階段—震陷強化階段—震陷收尾階段；地鐵車站結(jié)構(gòu)上方的地表震陷(測點D5)顯著小于非地鐵車站結(jié)構(gòu)上方的地表震陷(測點PLT8)，這與地鐵車站結(jié)構(gòu)中空結(jié)構(gòu)形式相關(guān)。

考慮到輸入地震動的Arias強度反映了振動釋放出的總地震能量，因此進一步研究地表震陷與Arias強度對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。由圖可知：地表震陷3個階段的轉(zhuǎn)折點基本上分別與輸入地震動總能量Arias強度為5%與95%的時刻相對應(yīng)，有效強震持續(xù)時[23]地表震陷顯著，表明地表震陷與Arias強度有較好的對應(yīng)關(guān)系；圖4(a)中地表開始震陷時刻稍提前輸入地震動總能量Arias強度達到5%的時刻，這體現(xiàn)了地表震陷特性與地震動總能量間的時滯特性，地震引發(fā)的地表震陷起點時刻略提前地震動總能量的集中釋放時刻。

圖4 強震動作用下地表震陷時程曲線

圖5給出了不同峰值振動加速度作用下地表測點震陷示意圖。由圖可知：0.10g地震動作用下，地表各測點震陷量較小，相差甚微；隨著地震動峰值振動加速度的增大，地表震陷量逐漸增大，當(dāng)峰值振動加速度不超過0.54g時，沿地基土縱軸線從地鐵車站結(jié)構(gòu)正上方至模型箱體邊界，地表震陷量呈線性分布；1.24g地震動作用下，地表震陷量呈非線性分布。類似于已開展的地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺試驗及模擬的地表土震陷現(xiàn)象[18，24]，這是由于地基與地鐵車站結(jié)構(gòu)的豎向運動不協(xié)調(diào)引起的震陷反應(yīng)差異。結(jié)果表明，強震作用下，地鐵車站結(jié)構(gòu)的存在改變了地表震陷的分布模式。

圖5 地震動作用下地表震陷示意圖(單位：mm)

為了研究地表震陷與水平位置之間關(guān)系，采用回歸分析對地表震陷量與水平位置進行擬合，圖6給出了不同峰值振動加速度作用下地表震陷量與水平位置擬合曲線。可以看出：地表震陷量與水平位置之間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性；當(dāng)峰值振動加速度不超過0.54g時，可采用形如式(1)的一次多項式表示；隨著峰值振動加速度進一步增大，可采用形如式(2)的玻爾茲曼分布式表示；不同強度的地震動作用下，兩者擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)分別見表1。因此，基于力分布的地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時應(yīng)充分考慮地震動強度對地表震陷的影響。

圖6 地表震陷量擬合曲線

δ=Ax+B

(1)

(2)

式中：δ為收尾階段的地表震陷量，mm；x為地表上位置點與模型箱體邊界的水平距離，m；A，B，x0與dx為擬合參數(shù)。

表1 地表震陷擬合曲線參數(shù)

表2列出了不同峰值振動加速度作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)上方的地表震陷量。由表2可知：結(jié)構(gòu)側(cè)墻上方的地表震陷量(如測點D2，D4)始終大于結(jié)構(gòu)正中心上方的地表震陷量(如測點D3，D5)；對于同一截面，結(jié)構(gòu)上方的地表震陷差值Δ可用側(cè)墻上方測點與正中心上方測點的地表震陷差表示，即Δ2-3為測點D2與測點D3的差值；Δ4-5為測點D4與測點D5的差值，可見，隨著峰值振動加速度的增大，地表震陷差值逐漸增大；與截面轉(zhuǎn)換交界面(測點D4，D5所在橫截面)相比，非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)上方的地表震陷量較大于截面轉(zhuǎn)換交界面的地表震陷量，尤其在結(jié)構(gòu)側(cè)墻位置處(如測點D2)。這是由于端頭效應(yīng)的影響[25]，地鐵車站縱向端頭處的地震動力反應(yīng)較劇烈；非規(guī)則截面一側(cè)的結(jié)構(gòu)重量較大于規(guī)則截面一側(cè)的結(jié)構(gòu)重量，結(jié)構(gòu)重心偏向于非規(guī)則截面一側(cè)，強震作用下模型地基土逐步軟化，土結(jié)動力相互作用中地鐵車站結(jié)構(gòu)逐漸向非規(guī)則截面一側(cè)傾斜與扭轉(zhuǎn)，從而非規(guī)則截面端頭處上方的地表震陷較為顯著，因此，非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)上方的地表震陷具有顯著的空間效應(yīng)。

表2 地震動作用下地表震陷量

2.1.2 地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降

為了解粉質(zhì)黏土—非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)體系豎向接觸特性，在地鐵車站結(jié)構(gòu)頂板布置出露地表標(biāo)靶(測點PLT10和PLT11)，采用非接觸性動態(tài)位移測試方法，測試得到車站結(jié)構(gòu)的豎向沉降。地震動作用下車站結(jié)構(gòu)豎向沉降時程曲線及沉降過程如圖7所示。由圖可以看出：車站結(jié)構(gòu)沉降受頂部土體的地震反應(yīng)和瞬態(tài)位移控制，車站結(jié)構(gòu)豎向運動與地表震陷發(fā)展規(guī)律較為一致；車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻測點PLT10的豎向沉降始終小于結(jié)構(gòu)正中心測點PLT11的豎向沉降；車站結(jié)構(gòu)沉降差可用測點PLT10與測點PLT11的豎向沉降差表示，可知，在不同峰值振動加速度作用下，車站結(jié)構(gòu)的沉降差均為負值，而同一位置地表上方的震陷差為正值(見表3)。這些現(xiàn)象說明：在強震作用下，車站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降時，結(jié)構(gòu)上方土體對車站結(jié)構(gòu)約束作用減弱，因此車站結(jié)構(gòu)與上方土體運動的同步性減弱，從而在樓板正中心位置呈現(xiàn)出土結(jié)分離現(xiàn)象。

圖7 地震動作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降時程曲線及沉降過程

2.1.3 地鐵車站結(jié)構(gòu)相對上升高度與動土壓力增量差關(guān)系

地鐵車站結(jié)構(gòu)相對土體上升高度可用地表測點PLT11與結(jié)構(gòu)測點PLT8的豎向沉降差表示，其值見表3?？梢钥闯?，隨著輸入峰值振動加速度增大，車站結(jié)構(gòu)相對上升高度逐漸增大。為研究車站結(jié)構(gòu)上升運動機理，表3列出了車站結(jié)構(gòu)頂板與底板的動土壓力增量，對比分析發(fā)現(xiàn)，車站結(jié)構(gòu)頂板動土壓力增量明顯小于底板動土壓力增量，且底板與頂板兩者間的動土壓力增量差隨著輸入峰值振動加速度增大逐級增大，其與結(jié)構(gòu)相對上升高度的變化規(guī)律基本一致。地鐵車站結(jié)構(gòu)相對上升高度與動土壓力增量差的關(guān)系如圖8所示，可見，隨著輸入峰值振動加速度的增大，結(jié)構(gòu)底板與頂板之間的動土壓力增量差逐漸增大，車站結(jié)構(gòu)相對上升高度相應(yīng)增加。因此，車站結(jié)構(gòu)底板與頂板間的動土壓力增量差提供了車站結(jié)構(gòu)上升運動的推力。

表3 地鐵車站結(jié)構(gòu)頂板、底板動土壓力增量與相對上升高度

aPGA/g動土壓力增量/Pa結(jié)構(gòu)頂板結(jié)構(gòu)底板相對上升高度/mm0.104.685.060.020.5446.10230.043.141.2460.63606.8210.71

圖8 地鐵車站結(jié)構(gòu)相對上升高度與動土壓力增量差的關(guān)系

2.2 粉質(zhì)黏土地基水平變形

在輸入地震動作用下，地基土各測點在正負2個方向的水平位移如圖9所示。由圖可知：地基土水平位移幅值隨輸入峰值振動加速度的增大而逐漸增大，且隨土層深度的減小而加速增加；由于輸入地震動加速度具有方向性，在正負2個方向的位移不對等，從而地基土正向水平位移均大于負向水平位移的絕對值。

圖9 地基土水平位移反應(yīng)

圖10(a)給出了采用SAA測試的水平相對位移反應(yīng)。由圖可見：隨著土層深度的減小，地基土的水平相對位移逐漸增大；曲線斜率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，并在土層中部偏下(-1.05 m左右)出現(xiàn)明顯的反彎點，最終呈現(xiàn)出淺部土層斜率最大，深部土層最小。該結(jié)果表明，強震作用下，粉質(zhì)黏土地基中下部層間剪切位移最大，上部最小。

為了研究水平相對位移與土層深度之間關(guān)系，對水平相對位移幅值與土層深度采用非線性回歸分析法進行擬合，圖10(b)給出了其擬合曲線?？梢钥闯?，兩者之間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，可采用形如式(3)的3次多項式表示，其擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)見圖10(b)。因此，對粉質(zhì)黏土場地中非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)采用反應(yīng)位移法進行抗震設(shè)計時，水平相對位移沿土層深度的分布規(guī)律可考慮使用多項式表述。

y=ah3+bh2+ch+d

(3)

式中：y為水平相對位移幅值，mm；h為土層水平深度，m；a，b，c與d為擬合參數(shù)。

圖10 地基土水平相對位移反應(yīng)

2.3 地鐵車站結(jié)構(gòu)側(cè)向變形與結(jié)構(gòu)損傷

地鐵車站結(jié)構(gòu)側(cè)向變形及可由此產(chǎn)生的層間剪切與車站結(jié)構(gòu)損傷過程及特性關(guān)系密切，本實驗在車站結(jié)構(gòu)樓板布置高清攝像頭，沿車站結(jié)構(gòu)柱高度均勻布設(shè)位移測點，實現(xiàn)模擬地震條件車站結(jié)構(gòu)損傷過程的實時采集及數(shù)據(jù)化。圖11給出了1.24g地震動作用下車站結(jié)構(gòu)柱的側(cè)向相對位移。由圖可知：車站結(jié)構(gòu)的側(cè)向相對位移與結(jié)構(gòu)高度成正相關(guān)關(guān)系，在結(jié)構(gòu)頂板處取得極大值；車站結(jié)構(gòu)在地震動作用下正負2個方向的側(cè)向相對位移形態(tài)大體相似，側(cè)向相對位移分布并不對稱，這種現(xiàn)象與地基土的水平位移反應(yīng)規(guī)律一致，表明車站結(jié)構(gòu)的側(cè)向相對位移反應(yīng)受到地基土的約束。同時發(fā)現(xiàn)，中板處最大層間位移為1.59 mm，頂板處最大層間位移為0.28 mm，相應(yīng)各樓層最大層間位移角分別為1/163和1/535。該結(jié)果表明，車站結(jié)構(gòu)上層側(cè)向剛度較大，能有效限制結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。根據(jù)城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范(GB50909—2014)及地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)研究[26]，鋼筋混凝土矩形斷面地下車站結(jié)構(gòu)可修水平的層間位移角限值為1/250，表明非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)在強震作用下出現(xiàn)損傷，且損傷主要集中在地鐵車站結(jié)構(gòu)下層構(gòu)件上。

圖11 1.24g地震動作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)柱的側(cè)向位移

圖12給出了地鐵車站結(jié)構(gòu)非規(guī)則截面與規(guī)則截面的側(cè)向相對位移。由圖可知：非規(guī)則截面的側(cè)向位移大于規(guī)則截面的側(cè)向位移。根據(jù)震害經(jīng)驗、試驗研究結(jié)果及各國規(guī)范的規(guī)定，判斷是否滿足建筑功能要求及衡量結(jié)構(gòu)變形能力的合理可靠指標(biāo)是層間位移角。因此，對比非規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)的層面位移角，規(guī)則截面地鐵車站結(jié)構(gòu)上層層間位移角較大，為1/340，下層層間位移角較小，為1/201。由于地鐵車站結(jié)構(gòu)可修水平的層間位移角限值為1/250，該結(jié)果表明，在強地震動作用下，地鐵車站結(jié)構(gòu)的下層均出現(xiàn)了損傷，尤其在非規(guī)則截面下層構(gòu)件上，因此，淺埋地鐵車站結(jié)構(gòu)的下層構(gòu)件是結(jié)構(gòu)抗震薄弱環(huán)節(jié)，在地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應(yīng)考慮截面形式的差異性。

為研究地鐵車站結(jié)構(gòu)水平運動機理，表4列出了地鐵車站結(jié)構(gòu)非規(guī)則截面與規(guī)則截面的側(cè)墻動土壓力計算結(jié)果?？梢钥闯觯罔F車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻動土壓力隨著輸入峰值振動加速度增大而逐漸增大。對比地鐵車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻頂?shù)撞块g的動土壓力增量差與截面層間位移角發(fā)現(xiàn)，兩者具有相似的變化規(guī)律，即在1.24g地震動作用下，地鐵車站結(jié)構(gòu)下層非規(guī)則截面動土壓力增量差較大于規(guī)則截面動土壓力增量差，地鐵車站結(jié)構(gòu)上層非規(guī)則截面動土壓力增量差明顯小于規(guī)則截面動土壓力增量差。該結(jié)果表明，在強震作用下，粉質(zhì)黏土與地鐵車站結(jié)構(gòu)接觸面相互作用強烈，地鐵車站結(jié)構(gòu)變形受到周圍土體的約束與作用，即地鐵車站結(jié)構(gòu)損傷主要受制于周圍土體水平變形的影響。

圖12 在1.24g地震動作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)柱側(cè)向相對位移反應(yīng)

表4 地鐵車站結(jié)構(gòu)不同觀測斷面的動土壓力增量及動土壓力增量差

注：ΔP2-4，ΔP3-4，ΔP6-8，ΔP7-8分別為側(cè)墻測點P2與P4，P3與P4，P6與P8，P7與P8的動土壓力增量差。

3 震害分析

試驗過程中：在0.54g地震動作用下，地鐵車站結(jié)構(gòu)下層柱振動明顯，側(cè)墻頂部燈帶振動幅度較大；地表位于輔助觀測面?zhèn)葔ξ恢瞄_始出現(xiàn)橫向裂縫，隨后在地鐵車站結(jié)構(gòu)端頭位置出現(xiàn)沿振動方向的縱向裂縫；在1.24g地震動作用下，地表裂縫快速開展，并沿地鐵車站結(jié)構(gòu)四周逐漸貫通形成閉合的主裂縫，閉合主裂縫外部區(qū)域地表產(chǎn)生較大震陷，閉合裂縫區(qū)域(地鐵車站結(jié)構(gòu)所在位置)地表隆起，相對向上運動明顯，如圖13所示。地鐵車站結(jié)構(gòu)下層構(gòu)件水平往復(fù)側(cè)向位移較大，燈帶振動強烈。試驗結(jié)束后，取出地鐵車站結(jié)構(gòu)可以觀察到，結(jié)構(gòu)下層中柱混凝土剝落；側(cè)墻與底板接處產(chǎn)生裂縫，而頂板、中板、底板及側(cè)墻的其他部位未見明顯破壞，如圖14所示。

圖13 地表地震破壞

圖14 地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震破壞

4 結(jié) 論

(1)Arias強度與震陷等地質(zhì)災(zāi)害有較好的對應(yīng)關(guān)系。強震作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)存在改變了土體震陷的分布模式。當(dāng)峰值振動加速度不超過0.54g時，可采用一次多項式擬合；隨著輸入峰值振動加速度進一步增大，可采用玻爾茲曼分布式擬合。因此，基于力分布的地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計應(yīng)充分考慮地震動強度對地基震陷的影響。

(2)強震動作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)不均勻沉降顯著，淺層土體對地鐵車站結(jié)構(gòu)約束作用減弱，地鐵車站結(jié)構(gòu)與上方土體運動的同步性減弱，在頂層樓板中心位置處出現(xiàn)土結(jié)分離現(xiàn)象。

(3)大震作用下地基土水平變形曲線在土層中部偏下位置出現(xiàn)明顯的反彎點，從而淺部土層相對位移變化率最大，深部相對位移變化率最??；地基土水平相對位移與土層深度之間可采用三次多項式擬合，兩者具有較好的相關(guān)性。

(4)地鐵車站結(jié)構(gòu)下層最大層間位移角大于上層最大層間位移角；地鐵車站結(jié)構(gòu)非規(guī)則截面與規(guī)則截面的下層最大層間位移角均較大，表明強地震動作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)下層構(gòu)件可能出現(xiàn)損傷。因此，地鐵車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，應(yīng)重點考慮淺埋地鐵車站結(jié)構(gòu)的下層構(gòu)件，并且考慮截面形式的差異性。