可液化土層分布對(duì)土-地鐵地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

劉春曉

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)大規(guī)模發(fā)展，以及城市化進(jìn)程的加快，很多地下交通設(shè)施需修建在可液化土層中，例如太原地鐵2 號(hào)線、北京地鐵7 號(hào)線和北京機(jī)場(chǎng)線。土層發(fā)生液化時(shí)可能引起較大的結(jié)構(gòu)水平向變形、結(jié)構(gòu)上浮和地基沉降，都會(huì)對(duì)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重要影響［1-6］。

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者開(kāi)展了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)［7-9］，從不同角度研究地下結(jié)構(gòu)在液化場(chǎng)地條件下的動(dòng)力變形特征和地震響應(yīng)規(guī)律。許成順等［10］考慮了地震動(dòng)持時(shí)，陳國(guó)興等［11］考慮了近、遠(yuǎn)場(chǎng)地地震動(dòng)的頻譜特性，認(rèn)為地震動(dòng)特性對(duì)地基-結(jié)構(gòu)體系有較大影響；唐柏贊等［12］、陳蘇等［13］、安軍海等［14］分別考慮了不規(guī)則斷面地鐵車(chē)站、三拱立柱式地鐵地下車(chē)站、盾構(gòu)擴(kuò)挖地鐵車(chē)站等不同形式結(jié)構(gòu)在液化場(chǎng)地條件下的響應(yīng)，得知不同形式結(jié)構(gòu)存在特有的破壞規(guī)律。許成順等［15］考慮土層分布，進(jìn)行了含上部黏土層、飽和砂土層、密實(shí)砂土層的液化自由場(chǎng)地的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土層分布不同時(shí)，地基土的液化響應(yīng)不同；劉春曉等［16-18］采用數(shù)值模擬，對(duì)目前地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中常見(jiàn)的單層雙跨斷面形式結(jié)構(gòu)位于可液化土層不同位置時(shí)土和結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)可液化土層的位置對(duì)地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有很大影響；劉春曉等［19］進(jìn)一步設(shè)計(jì)了用于研究結(jié)構(gòu)在可液化土層不同位置時(shí)土-地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，并通過(guò)分析液化場(chǎng)地自由場(chǎng)工況地基土地震響應(yīng)，驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性。整體而言，考慮結(jié)構(gòu)位于可液化土層不同位置時(shí)的研究較少。

本文開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究不同液化土層工況下和不同地震動(dòng)下地基土的液化現(xiàn)象、位移響應(yīng)、動(dòng)土壓力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型相似關(guān)系設(shè)計(jì)、相似比、模型地基土制備、試驗(yàn)設(shè)備與量測(cè)裝置等參見(jiàn)文獻(xiàn)［19］。

1.1 工況設(shè)置

試驗(yàn)共設(shè)置4 種工況：飽和地基土自由場(chǎng)（工況1）、結(jié)構(gòu)整體位于可液化土層（工況2）、結(jié)構(gòu)底部存在可液化土層（工況3）和結(jié)構(gòu)位于非液化土層（工況4）。圖1 為4 種工況下結(jié)構(gòu)與土層的相對(duì)位置，其中藍(lán)色方框代表結(jié)構(gòu)模型位置。

圖1 各工況土層分布及結(jié)構(gòu)模型位置（單位：mm）

1.2 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型原型為北京地區(qū)典型的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)模型橫截面尺寸（不含防水層厚度）如圖2 所示。設(shè)置防水層后模型最終總高度為235 mm，總寬度為440 mm。在結(jié)構(gòu)側(cè)墻預(yù)埋鐵釘用于后期位移測(cè)量，預(yù)埋件位置可見(jiàn)圖2紅線處。

圖2 結(jié)構(gòu)模型橫截面尺寸（單位：mm）

1.3 地震波選擇

參考相關(guān)研究，考慮不同地震動(dòng)作用影響［19-20］，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程中采用的經(jīng)相似關(guān)系換算后地震動(dòng)如圖3—圖5 所示。圖中：g為重力加速度。其中，北京人工波為北京地區(qū)試驗(yàn)用砂所處場(chǎng)地的人工波，由于北京人工波產(chǎn)生位移較大，受到振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)允許范圍限制，北京人工波地震動(dòng)加速度峰值時(shí)只能加到0.3g（經(jīng)后期分析，非液化場(chǎng)地條件下，北京人工波加速度峰值為0.3g時(shí)對(duì)應(yīng)的設(shè)防烈度對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際影響大于9度）。

圖3 名山波地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜

1.4 加載方案

采取階梯加載的方式對(duì)模型箱進(jìn)行逐級(jí)加載。表1為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載工況。

1.5 測(cè)試方案

圖6 為4 種工況下傳感器布置方案。圖中：A為加速度傳感器編號(hào)；P 為孔隙水壓力傳感器；T為土壓力傳感器；W為非接觸式位移計(jì)。

圖4 Kobe波地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜

圖5 北京人工波地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜

表1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載工況

圖6 傳感器布置方案

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 地基土宏觀表現(xiàn)

2.1.1 工況1

圖7 為工況1 模型地基土試驗(yàn)前后的宏觀表現(xiàn)。由圖7 可知：振動(dòng)前地基土表面比較平整，隨著地震動(dòng)輸入時(shí)長(zhǎng)的增加，模型地基表面開(kāi)始逐漸冒水噴砂，最終在地表積累了大量的水和砂，噴砂區(qū)域中可見(jiàn)的少量氣泡為地基土內(nèi)殘留的空氣；地表并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂現(xiàn)象，噴砂冒水位置的分布較均勻。

圖7 工況1模型地基土宏觀表現(xiàn)

2.1.2 工況2

圖8 為工況2 模型地基土試驗(yàn)前后的宏觀表現(xiàn)。由圖8可知：模型結(jié)構(gòu)上浮、地基土下沉造成的位移差導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)2 側(cè)和地基土分離，引起地表顯著開(kāi)裂；隨著地震動(dòng)輸入的增加，首先出現(xiàn)裂縫1 和裂縫2 并伴隨冒水現(xiàn)象，隨后出現(xiàn)裂縫3 和裂縫4。

圖8 工況2模型地基土宏觀表現(xiàn)

2.1.3 工況3

圖9 為工況3 模型地基土試驗(yàn)前后的宏觀表現(xiàn)。由圖9可知：結(jié)構(gòu)底部存在可液化土層時(shí)，隨著地基土的液化程度增大，結(jié)構(gòu)的上浮并不明顯，但是由于和周?chē)鼗恋牟町惓两?，在結(jié)構(gòu)和地基土的連接位置仍然出現(xiàn)貫通裂縫，但裂縫不如工況2 中的明顯；由于可液化土層埋深較大，工況3 中地表孔隙水的聚集也不如工況2中多。

2.1.4 工況4

圖10 為工況4 模型地基土試驗(yàn)前后的宏觀現(xiàn)象。由圖10 可知：可見(jiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)位于非液化土層時(shí)，結(jié)構(gòu)和周?chē)翆拥某两递^一致，但是由于結(jié)構(gòu)和周?chē)馏w的剛度差異，結(jié)構(gòu)和周?chē)馏w仍存在一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)上部土體損壞明顯比地表其他部位土體嚴(yán)重。

圖10 工況4模型地基土宏觀表現(xiàn)

2.1.5 工況對(duì)比結(jié)果

對(duì)比以上4 種工況下模型地基土的宏觀表現(xiàn)，可得出以下結(jié)論。

（1）結(jié)構(gòu)存在時(shí)，全液化場(chǎng)地和底部液化場(chǎng)地表層液化現(xiàn)象出現(xiàn)不均勻性，即一側(cè)地基土出現(xiàn)裂縫和噴砂冒水現(xiàn)象比另一側(cè)嚴(yán)重，且結(jié)構(gòu)的上浮也呈現(xiàn)不均勻性，這跟輸入地震動(dòng)正負(fù)波幅值的不對(duì)稱和地基土的不均勻震陷有關(guān)；在自由場(chǎng)工況，表層地基土的液化現(xiàn)象分布較對(duì)稱和一致。

（2）自由場(chǎng)工況表面容易積聚水，而工況2 中結(jié)構(gòu)存在位置容易出現(xiàn)較大貫通裂縫，使底部液化土體積聚的超靜孔壓從此處消散，從而逐漸緩解液化現(xiàn)象，因而工況2 中噴砂冒水現(xiàn)象比工況1 輕微；由于可液化土體埋深較大，工況3 中地表的噴砂冒水量和結(jié)構(gòu)的上浮量都小于工況2。

（3）工況4 中由于不存在超靜孔隙水壓力，結(jié)構(gòu)不上浮，結(jié)構(gòu)和地基土的運(yùn)動(dòng)較一致，兩者之間的相對(duì)位移最小。

2.2 地基土位移響應(yīng)

圖11—圖13 分別為工況2、工況3 和工況4 中模型箱側(cè)壁相對(duì)于箱底水平向位移（地基土水平向位移），其中負(fù)值代表左擺位移，正值代表右擺位移。由于輸入地震波正負(fù)峰值的不對(duì)稱，土體左擺與右擺的位移峰值也不對(duì)稱［10］。由圖11—圖13 可知：輸入地震動(dòng)峰值相等時(shí)，地基土水平向位移在北京人工波作用下最大，Kobe 波作用下次之，名山波作用下最?。惠斎氲卣饎?dòng)相同時(shí)，工況3 中地基土水平向位移最大，工況2 次之，工況4 最小。這與已有研究［17-18］是一致的。

圖11 工況2模型箱側(cè)壁相對(duì)于箱底位移

圖12 工況3模型箱側(cè)壁相對(duì)于箱底位移

圖13 工況4模型箱側(cè)壁相對(duì)于箱底位移

由于結(jié)構(gòu)本身尺寸較小，且橫斷面材料及尺寸進(jìn)行了一定的弱化處理［19］，結(jié)構(gòu)和土體剛度差異較小，因此在均一土層中結(jié)構(gòu)所在位置同一埋深（對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度915～1 150 mm）的地基土位移所受結(jié)構(gòu)影響并不明顯。受不同土層差異影響，地基土分層位置處的地基土水平向位移變化差異較明顯，如工況3 對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度915 mm 處，上下位移開(kāi)始出現(xiàn)較大差異，且上層土體和下層土體的剛度差異導(dǎo)致上層土體受鞭梢效應(yīng)影響較大，模型箱頂部位移也較大。

2.3 動(dòng)土壓力響應(yīng)

2.3.1 結(jié)構(gòu)側(cè)墻動(dòng)土壓力響應(yīng)

表2、表3 和表4 分別為工況2、工況3 和工況4 下，試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)側(cè)墻頂、底動(dòng)土壓力（土壓力與初始靜土壓力之差）的最大值。由表2—表4可知：隨著地震動(dòng)輸入強(qiáng)度的增加，結(jié)構(gòu)側(cè)墻頂部和底部測(cè)點(diǎn)動(dòng)土壓力的最大值也逐漸增加，且側(cè)墻頂部動(dòng)土壓力最大值大于底部動(dòng)土壓力。

表2 工況2結(jié)構(gòu)側(cè)墻動(dòng)土壓力最大值

表3 工況3結(jié)構(gòu)側(cè)墻動(dòng)土壓力最大值

表4 工況4結(jié)構(gòu)側(cè)墻動(dòng)土壓力最大值

圖14 為側(cè)墻頂?shù)讋?dòng)土壓力差峰值，即側(cè)墻頂?shù)讋?dòng)土壓力時(shí)程曲線相減所得動(dòng)土壓力差值時(shí)程曲線的最大值。由圖14 可知：側(cè)墻頂?shù)讋?dòng)土壓力差峰值隨著地震動(dòng)輸入強(qiáng)度的增加而增加；僅當(dāng)結(jié)構(gòu)底部存在可液化土層時(shí)，會(huì)顯著加大結(jié)構(gòu)側(cè)墻頂?shù)讋?dòng)土壓力差值。

圖14 側(cè)墻頂?shù)讋?dòng)土壓力差峰值

整體而言，結(jié)構(gòu)2 側(cè)存在可液化土層時(shí)，側(cè)墻單一測(cè)點(diǎn)受到的動(dòng)土壓力最大值大于結(jié)構(gòu)2 側(cè)存在非液化土層時(shí)，因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)位于非液化土層中時(shí)，結(jié)構(gòu)所承受的動(dòng)土壓力最小，即液化土層作用在結(jié)構(gòu)上的動(dòng)土壓力大于非液化土層。

2.3.2 結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍎?dòng)土壓力響應(yīng)

表5、表6 和表7 分別為工況2、工況3 和工況4 下，試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)頂、底板動(dòng)土壓力的最大值。由表5—表7 可知：隨著地震動(dòng)輸入強(qiáng)度的增加，結(jié)構(gòu)頂板和底板動(dòng)土壓力最大值也逐漸增加，且底板動(dòng)土壓力最大值大于頂板動(dòng)土壓力。

表5 工況2結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍎?dòng)土壓力最大值

表6 工況3結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍎?dòng)土壓力最大值

表7 工況4結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍎?dòng)土壓力最大值

圖15 為結(jié)構(gòu)頂、底板動(dòng)土壓力差峰值。由圖15 可知：工況2 中的結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍎?dòng)土壓力差最大，工況4 次之，工況3 最小。結(jié)構(gòu)整體位于可液化土層時(shí)所受頂?shù)装鍎?dòng)土壓力差最大、側(cè)墻摩擦力較小，因此整體上浮量最大；僅有底部存在可液化土層時(shí)，上浮量較小。

圖15 頂?shù)装鍎?dòng)土壓力差峰值

2.4 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

試驗(yàn)過(guò)程中采用拉線式位移計(jì)結(jié)合本文設(shè)計(jì)裝置對(duì)結(jié)構(gòu)位移時(shí)程曲線進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.4.1 側(cè)墻絕對(duì)位移峰值

圖16 為不同工況不同峰值加速度作用下結(jié)構(gòu)側(cè)墻絕對(duì)位移峰值。由圖16 可知：結(jié)構(gòu)側(cè)墻絕對(duì)位移峰值隨著地震動(dòng)輸入峰值的增加而增大；工況3 中側(cè)墻絕對(duì)位移最大，隨著地震動(dòng)輸入峰值的增大，工況4 中結(jié)構(gòu)側(cè)墻絕對(duì)位移峰值逐漸超過(guò)工況2。

圖16 側(cè)墻絕對(duì)位移峰值

2.4.2 結(jié)構(gòu)豎向位移時(shí)程曲線

圖17 為在北京人工波作用下工況2 中結(jié)構(gòu)的豎向位移曲線。圖中：正值為上浮。由圖17可知：在振動(dòng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)隨著地震動(dòng)輸入處于上下波動(dòng)的狀態(tài)，首先由于地基土的振密而下沉，后由于土體液化、結(jié)構(gòu)底部孔壓上升而上浮，待地震動(dòng)結(jié)束之后，孔壓下降，結(jié)構(gòu)有所下沉；因結(jié)構(gòu)上浮導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)底部土體的空缺由兩側(cè)土體填充，所以結(jié)構(gòu)并不能恢復(fù)到原始豎向位置，而是產(chǎn)生一定的永久豎向位移。

圖17 北京人工波作用下結(jié)構(gòu)豎向位移時(shí)程曲線

3 結(jié)論及建議

（1）受輸入地震動(dòng)正負(fù)波幅值不對(duì)稱和地基土不均勻震陷影響，表層地基土的噴砂、開(kāi)裂、冒水現(xiàn)象分布表現(xiàn)出不均勻性，且結(jié)構(gòu)上浮會(huì)加劇液化現(xiàn)象的不均勻性。

（2）土體液化造成結(jié)構(gòu)上浮和地基土沉降，并使二者間產(chǎn)生相對(duì)位移，當(dāng)相對(duì)位移較大時(shí)，土體容易出現(xiàn)較大貫通裂縫，便于孔壓消散，從而緩解液化現(xiàn)象；相對(duì)位移在非液化場(chǎng)地工況最小，在底部存在液化土體工況次之，在結(jié)構(gòu)整體位于可液化土層中最大。

（3）同一種地震動(dòng)輸入條件下，地基土水平向位移在結(jié)構(gòu)底部存在可液化土層時(shí)最大，在全液化場(chǎng)地中次之，在非液化場(chǎng)地條件下最小。

（4）在全液化場(chǎng)地振動(dòng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)首先由于地基土的振密而下沉，土體液化后，結(jié)構(gòu)底部土體孔壓的上升導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上浮，留出的底部土體空缺由兩側(cè)土體填充，導(dǎo)致地震動(dòng)結(jié)束之后，隨著超靜孔壓消散，結(jié)構(gòu)并不能恢復(fù)到原始豎向位置，產(chǎn)生一定的永久豎向位移。

（5）可液化土層作用在結(jié)構(gòu)側(cè)墻和底板上的動(dòng)土壓力都大于非液化土層，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)整體位于可液化土層時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的上浮；當(dāng)僅結(jié)構(gòu)底部存在可液化土層，結(jié)構(gòu)側(cè)墻頂?shù)讋?dòng)土壓力差值較大。

（6）考慮到可液化土層對(duì)地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，針對(duì)太原地鐵穿越可液化土層工程，在設(shè)計(jì)中提出將計(jì)劃建設(shè)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)置于可液化土層以下，從而避開(kāi)可液化土層，同時(shí)用地連墻代替樁的措施，對(duì)可液化土層起到隔離作用，該方法得到工程單位采納；當(dāng)結(jié)構(gòu)2 側(cè)存在可液化土層時(shí)，建議加強(qiáng)側(cè)墻的設(shè)計(jì)，提高其抗震性能。