緩傾斜液化場地地鐵車站結(jié)構(gòu)變形分析

邱宇 張西文 扈萍 牛金帝

文章編號：1671-3559（2023）06-0727-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230304.001

摘要： 為了研究緩傾斜液化場地對地基土-地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，探討緩傾斜液化場地液化過程中地下結(jié)構(gòu)的位移變形，采用有限差分軟件FLAC3D建立緩傾斜液化場地地基土-地鐵車站結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，采用本構(gòu)模型Finn對所建立的模型進行地震液化分析；通過分析地鐵車站結(jié)構(gòu)周圍場地液化分布特征、位移云圖和地面傾角分別為0°、1°、2°、3°的4種工況下地鐵車站的位移時程曲線，探討地面傾角對周圍場地、地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響，分析4種工況下緩傾斜液化場地中地鐵車站結(jié)構(gòu)的位移地震響應(yīng)。結(jié)果表明：在4種工況下，車站周圍液化嚴重，液化分布基本呈對稱分布，右側(cè)底部液化程度隨地面傾角的增大而增大；車站發(fā)生不均勻上浮并且發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)，底板左右兩側(cè)最大上浮差值達到6.2 mm；隨著地面傾角的增大，土體出現(xiàn)流滑現(xiàn)象，當?shù)孛鎯A角為3°時，土體流滑位移達到1.6 m，并且車站結(jié)構(gòu)發(fā)生33 mm的側(cè)向位移；車站層間位移角隨著地面傾角的增大而增加，當?shù)孛鎯A角為3°時，層間位移角超過規(guī)范限值。

關(guān)鍵詞： 砂土液化；流滑；數(shù)值模擬；緩傾斜場地；地鐵車站

中圖分類號： TU435

文獻標志碼： A

Structure Deformation Analysis of Subway Stations in Gently Inclined Liquefaction Sites

QIU Yu，ZHANG Xiwen，HU Ping，NIU Jindi

（School of Civil Engineering and Architecture，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong，China）

Abstract：To research influences of gently inclined liquefactionsitesonseismicresponseoffoundationsoil-subwaystation structures and explore displacement deformation of underground structures during liquefaction process of gently inclined liquefaction sites，finite difference software FLAC3D was used to establish a numerical analysis model of found-ation soil-subway station structure in gently inclined liquefaction sites，and constitutive model Finn was used to carry out seismic liquefaction analysis of the established model.By analyzing? liquefaction distribution characteristics of the site around the subway station structure，displacement cloud maps，and displacement time history curves of the subway station under the four working conditions with ground inclination angles of 0°，1°，2°，and 3°，influences of ground inclination angles on surrounding site and subway station structure were discussed，and the displacement seismic response of the subway station structure in gently inclined liquefaction sites under the four working conditions was analyzed.The results show that under the four working conditions，the liquefaction around the station is critical，and the liquefaction distribution is basically symmetrical.The liquefaction degree at the bottom of the right side increases with the increase of the ground inclination angle.Uneven buoyancy and counterclockwise deflection occur in the station，and the maximum buoyancy difference between the left and the right sides of the bottom plate reaches 6.2 mm.With the increase of the ground inclination angle，the soil flow slide phenomenon occurs.When the ground inclination is 3°，the flow slide displacement of the soil reaches 1.6 m，and the station structure has a lateral displacement of 33 mm.The displacement angle between floors increases with the increase of the ground inclination angle.When the ground inclination angle is 3°，the inter-story displacement angle exceeds the specification limit.

Keywords：sand liquefaction;flow slide;numerical simulation;gently inclined site;subway station

收稿日期： 2022-07-21??????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間：2023-03-06T14∶56∶39

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（51979122）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（52108214）

第一作者簡介： 邱宇（1997—），男，山東濟南人。碩士研究生，研究方向為巖土工程。E-mail： 1055005722@qq.com。

通信作者簡介： 張西文（1987—），男，山東臨沂人。副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為巖土工程、地下工程等。E-mail： cea_zhangxw@

ujn.edu.cn。

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我國許多城市都依水而建，城市總體規(guī)劃不可避免地出現(xiàn)地下空間構(gòu)筑物穿越軟弱土層、砂土層的情況，例如南京地鐵1號線、廣州地鐵2號線等均遇到了可液化土層。在強震作用下，砂土不可避免地產(chǎn)生液化，砂土液化引起的地基失效是可液化場地地鐵地下結(jié)構(gòu)破壞的重要原因。1995年日本阪神地震導(dǎo)致神戶市地鐵地下結(jié)構(gòu)、地下隧道、地下綜合管廊等大量地下工程發(fā)生嚴重破壞［1-2］，2008年中國汶川地震中眾多交通隧道發(fā)生不同程度的破壞［3］。

地下結(jié)構(gòu)抗震問題已引起廣大學(xué)者的高度關(guān)注。由于地下結(jié)構(gòu)觀測困難，地下結(jié)構(gòu)震害實例記錄較少，因此模型試驗、數(shù)值模擬成為分析震害機制的主要手段。陳國興等［4-5］對三層三跨、兩層三跨地鐵車站結(jié)構(gòu)進行單向振動臺試驗，通過分析車站結(jié)構(gòu)加速度、側(cè)土墻壓力、應(yīng)力、應(yīng)變等物理量，再現(xiàn)了噴水冒砂、震陷、模型車站結(jié)構(gòu)上浮及構(gòu)件局部損壞等宏觀震害現(xiàn)象。莊海洋等［6］對傾斜可液化場地中地鐵車結(jié)構(gòu)開展了大型振動臺試驗研究，結(jié)果表明隧道發(fā)生明顯的差異上浮。隨著計算機技術(shù)的不斷進步，各種數(shù)值模擬方法應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)抗震分析。Zhuang等［7］、莊海洋等［8］利用有限元分析軟件ABAQUS，考慮土體與地下結(jié)構(gòu)的動力接觸和鋼筋混凝土的動力損傷，建立了土體-地下結(jié)構(gòu)靜力和動力耦合作用系統(tǒng)的有限元模型。鄒佑學(xué)等［9］利用有限差分軟件FLAC3D實現(xiàn)了砂土液化大變形機制的映射中心邊界面彈塑性模型的二次開發(fā)，并利用開發(fā)模型對飽和砂土開展了不同排水條件的試驗?zāi)M。張西文等［10］利用數(shù)值分析方法對比了不同抗浮措施的作用機制，為液化場中地鐵車站抗浮設(shè)計提供了理論參考。劉順等［11］利用有限元方法ALE對2種重力式碼頭開展地震液化分析，結(jié)果表明，ALE方法保證了網(wǎng)格的整體質(zhì)量并提供了可靠的地震響應(yīng)。杜修力等［12］基于有限元分析軟件ABAQUS，應(yīng)用混凝土損傷模型，對日本神戶大開地鐵車站在阪神地震中的地震反應(yīng)進行了數(shù)值模擬研究。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，含有可液化土層的濱海、河道等地帶的地表傾角通常為0°～5°［13］。 王瑞等［14］基于有限元分析軟件ABAQUS揭示了微傾斜液化地基中地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特征。 胡記磊等［15］基于有限元-有限差分耦合法，對含傾斜液化土層的人工島進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，在液化過程中傾斜砂土層發(fā)生滑動，災(zāi)害程度遠大于水平砂土層液化造成破壞的災(zāi)害程度。 Zhuang等［16］對傾角為6°的地層開展地鐵車站-隧道連接處的振動臺試驗，結(jié)果表明，在土體發(fā)生側(cè)向滑移時，地鐵車站結(jié)構(gòu)側(cè)向位移迅速增大，連接會加重附近隧道的縱向應(yīng)變響應(yīng)，從而加重地鐵車站柱的應(yīng)變響應(yīng)。 在大多數(shù)已有研究中，地鐵車站均建在水平土層中，很少研究地鐵車站在傾斜土層中發(fā)生液化時的動力響應(yīng)，因此研究緩傾斜液化場地對地基土-地鐵車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，探討緩傾斜液化場地液化過程中地下結(jié)構(gòu)的位移變形，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。本文中利用有限差分軟件FLAC3D建立地面傾角分別為0°、1°、2°、3°的4種工況下緩傾斜液化場地地基土-地鐵車站結(jié)構(gòu)模型（簡稱本文模型）并進行動力數(shù)值模擬，研究當傾斜場地發(fā)生液化時地鐵車站的位移響應(yīng)機制。

1? 本文模型建立

1.1? 分析方法

Martin等［17］提出用于解決土在循環(huán)荷載作用下體積應(yīng)變及孔隙水壓力變化的本構(gòu)模型Finn。該模型在Mohr-Coulomb 模型的基礎(chǔ)上增加了動孔壓的增大模式，并假定動孔壓的增大與塑性體積應(yīng)變增量相關(guān)。有限差分軟件FLAC3D提供了2種不同的塑性體積應(yīng)變增量公式，包括Finn模式和Byrne模式［18］。

塑性體積應(yīng)變增量與累積體積應(yīng)變、切應(yīng)變的關(guān)系式［17］為

Δεvd=C1（γ-C2εvd）+C3ε2vdγ+C4εvd ，（1）

式中： Δεvd為體積應(yīng)變εvd的增量；Ci（i=1，2，3，4）為常數(shù)；γ為切應(yīng)變。

Byrne等［18］對Finn模型進行簡化，得到

Δεvdγ=C1 exp-C2εvdγ ，（2）

經(jīng)驗計算公式為

C1=7 600Dr-2.5 ，（3）

C2=0.4/C1 ，（4）

式中Dr為土體的相對密實度。

1.2? 本文模型建立及參數(shù)設(shè)置

將1.1節(jié)中的分析方法應(yīng)用于實際工程中建立本文模型，簡化模型如圖1（a）所示，地鐵車站結(jié)構(gòu)細部如圖1（b）所示。

本文模型的簡化模型中地面傾角分別為0°、1°、2°、3°。地面傾角為2°時本文模型的網(wǎng)格模型如圖2所示。 地鐵車站結(jié)構(gòu)為兩層兩跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用彈性本構(gòu)模型，回填土、基巖均采用Mohr-Coulomb模型，本文模型簡化模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。 砂土相對密實度為45%，采用Finn模型再現(xiàn)砂土在地震過程中的液化行為，砂土液化本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示。 地下水位線在地表以下2 m處，地面為排水邊界，在車站與土體之間設(shè)置接觸面，接觸面法向剛度、剪切剛度取為周圍最硬相鄰區(qū)域等效剛度的10倍，接觸面的黏聚力、摩擦角取為相鄰?fù)翆拥?/2左右，邊界條件設(shè)為自由場邊界。

利用SeismoSignal軟件對原始地震波進行濾波和基線校正，并在本文模型底部水平施加處理后的地震波。處理后的地震波如圖3所示。

2? 地鐵車站周圍土體的地震響應(yīng)

2.1? 地鐵車站周圍土體的液化分布

圖4所示為震后不同地面傾角工況下地鐵車站周圍土體超孔壓比的特征分布。由圖可知，當超孔壓比不大于0時，土體不發(fā)生液化；當超孔壓比等于1時，土體完全液化。不同地面傾角時車站周圍液化程度均較嚴重。當?shù)乇硭綍r，液化基本呈對稱分布。隨著地面傾角的增大，左側(cè)土體液化程度略微減輕，右側(cè)底部土體液化程度逐漸加重。

2.2? 地鐵車站周圍土體的位移

圖5所示為震后不同地面傾角工況下地鐵車站周圍土體的水平位移云圖。由圖可知，在地面傾角為0°的工況下，兩側(cè)土體有向車站底部流動的明顯趨勢，隨著地面傾角的增大，土體正方向位移逐漸增大，負向位移逐漸減小，左側(cè)土體和上部土體發(fā)生明顯的流滑現(xiàn)象，最大位移達到1.6 m。

3? 地鐵車站結(jié)構(gòu)變形分析

3.1? 地鐵車站結(jié)構(gòu)相對位置變化

圖6所示為震后不同地面傾角工況下地鐵車站的豎向位移云圖。圖7所示為震后不同地面傾角工況下地鐵車站的相對位移云圖。從圖6中可以看出，車站在場地液化后發(fā)生較大的豎向位移。從圖7中可以看出，在地面傾角為0°的工況下，車站的變形特征主要表現(xiàn)為上浮。當?shù)孛鎯A角為1°時，車站發(fā)生斜向上的位移。當車站地面傾角為2°、3°時，車站發(fā)生明顯的逆時針偏轉(zhuǎn)，并且出現(xiàn)較大的側(cè)向位移。

3.2? 地鐵車站結(jié)構(gòu)的豎向位移

震后不同地面傾角工況下地鐵車站豎向位移時程曲線與車站底板豎向位移如圖8所示。由圖8（a）可知，在地震過程中，車站整體處于上浮狀態(tài)，車站在上浮過程中發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致地面傾角為2°的工況下的車站豎向位移小于地面傾角為1°的工況下的。由圖8（b）可知，在地面傾角為2°、3°時，地鐵車站發(fā)生明顯的不均勻上浮，右側(cè)的車站底板豎向位移上浮明顯大于左側(cè)的。

3.3? 地鐵車站結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移

震后不同地面傾角工況下地鐵車站側(cè)向位移時程曲線與車站側(cè)墻側(cè)向位移如圖9所示。 由圖9（a）可知，隨著地面傾角的增大，側(cè)向位移逐步增大，并且地面傾角為0°、3°的工況下的水平位移相差達到33 mm。由圖9（b）可知，隨著地面傾角的增大，側(cè)向位移逐步增大，并且側(cè)向位移出現(xiàn)突增趨勢。

3.4? 地鐵車站結(jié)構(gòu)的最大層間位移角

表3所示為地鐵車站柱頂、底最大水平相對位移和最大層間位移角。最大層間位移角為柱頂、底峰值反應(yīng)位移之差與層高的比值，即

θ=u1-u2H ，（5）

式中： θ為最大層間位移角；u1、u2分別為柱頂、底峰值反應(yīng)位移；H為層高。

圖10所示為震后地鐵車站結(jié)構(gòu)的最大層間位移角。從圖中可以看出，相對于下柱層間位移角，上柱層間位移角偏小并且隨著地面傾角的增大而增大。根據(jù)國家標準GB/T 51336—2018《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準》［19］中相關(guān)規(guī)定，地面鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值為 1/550，本文中地鐵車站在地面傾角為0°、1°、2°工況下的結(jié)構(gòu)都在處于彈性工作狀態(tài)，而在地面傾角為3°的工況下，結(jié)構(gòu)層間位移角超過規(guī)范限值，因此在傾斜場地施工時，應(yīng)著重加強車站抗震能力。

4? 結(jié)論

本文中利用有限差分軟件FLAC3D對不同地面傾角工況下液化場地鐵車站進行動力分析，考察液化場的分布特征和地鐵車站的位移發(fā)展規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）地鐵車站四周液化較嚴重，隨著地面傾角的增大，地鐵車站左側(cè)液化范圍略微縮小，右側(cè)底部土體液化程度略微增大。

2）當不同地面傾角的土體發(fā)生液化時，地鐵車站處于整體上浮的趨勢，隨著地面傾角的增大，地鐵車站發(fā)生不均勻上浮，導(dǎo)致車站發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)，車站兩側(cè)最大不均勻上浮量達到6.2 mm。

3）在整個地震過程中，地鐵車站的豎向位移持續(xù)增大。當?shù)孛鎯A角為0°時，車站呈現(xiàn)左右震蕩趨勢，當?shù)孛娉霈F(xiàn)傾角時，車站出現(xiàn)向一側(cè)滑移的情況。

4）當緩傾斜液化場場地發(fā)生液化時，車站發(fā)生明顯的側(cè)向位移，側(cè)向位移量達到40 mm，并且土體發(fā)生較大的流滑，流滑產(chǎn)生的最大位移達到1.6 m。

5）最大層間位移角隨著地面傾角的增大而增大，下柱的最大層間位移角大于上柱的。

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（責(zé)任編輯：王? 耘）