可液化土層對地下結構地震反應的影響研究

劉春曉,陶連金,邊 金,陳向紅,張 倍

(北京工業大學土木工程學院城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室,北京 100124)

關于地鐵車站在非液化場地下的地震反應分析，許多學者已進行了大量研究，并提出了多種抗震設計方法[1-3]。

近年來伴隨著大規模的軌道交通建設，地鐵車站結構不可避免穿越可液化土層，砂土液化產生大變形會對地鐵車站結構產生重要影響，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，得到了一些液化地基上簡單結構形式的地下結構動力反應規律，分析了地震液化情況下地下結構埋深對于結構上浮、加速度、水平位移以及響應結構內力的影響，討論了非液化土中地鐵地下結構地震響應隨埋深的影響；王剛[7]等對阪神地震中破壞的大開車站進行分析，研究飽和砂土層在不同液化程度時對地層的動力響應以及車站動力響應的影響，說明考慮液化變形的土與地下結構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行了地震反應規律數值模擬，重點分析了可液化地基上車站結構上浮、車站結構周圍地基的液化區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構的地震動反應進行了數值分析，得出了地基土液化規律以及地下車站結構的地震破壞機制。何劍平[10-12]等應用FLAC3D進行自由場典型液化數值模擬試驗、剛性結構對液化場影響試驗、液化場淺埋地下結構動力特性試驗、碎石排水層地下結構非自由場液化對比數值試驗，驗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[14]使用FLAC3D研究不同位置的液化土層對地下結構地震反應的影響，總結了液化土層發生液化大變形時刻液化區分布、孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力比變化規律及差異、地下結構的位移及差異沉降規律，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生不同時刻，地下結構地震反應的規律研究不足。本文將以此為重點，對比研究液化場地和非液化場地條件下土層及車站結構的反應特性，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。

1 計算模型的建立

1.1 模型尺寸

模型尺寸及網格劃分以及孔隙水壓力分布見文獻[14]。

1.2 參數選取

計算模型中，非液化區域的土采用黏土，液化區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文獻[14]。

1.3 地震波輸入

地震波輸入同文獻[14]。

2 土體液化情況分析

2.1 液化土層破壞的位置

當結構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時網格出現畸形無法計算下去，參考文獻[14]中的判據，認為土體發生了破壞，此時已經過了地震波峰值。

紅色標注位置處為土體產生液化大變形破壞位置，如圖1所示。可知，當車站整體位于飽和砂土中時，液化產生大變形區域多位于車站底板以下及底部兩側位置；車站平行兩側未見大變形的產生。

圖1 液化大變形土體破壞時刻網格變形

2.2 液化場對比非液化場位移矢量

由文獻[14]所監測土體產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初次液化，第9 s時刻再次發生液化且液化比較嚴重，第11 s時刻，土體出現液化大變形，土體破壞。因此選取了第5 s、9 s和第11 s三個時刻所對應液化區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行對比(圖2)。

隨著地震動的輸入，車站兩側土體最初以水平向運動為主，見圖2(a)；之后液化程度加深，見圖2(b)，車站底部右側土體擾動明顯，失去承載力，結構右傾和孔壓作用下土體上浮產生的空間由兩側土體補充，引起結構的進一步上浮和傾斜，同時加劇了兩側土體向底部的運動。對應于位移矢量變化，車站底部右側位置處首先出現明顯的位移，帶動底部兩側土體的位移，導致大范圍的土體擾動，最終引起部分網格畸形，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為主，所以車站結構整體穩定，土體沒有破壞，結構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動來看，液化場地中，底部土體液化導致基礎不穩，承載力降低，傾斜上浮，同時引起兩側土體向基礎底部的運動是導致土體大變形破壞的主要原因。

圖2 研究區域位移矢量圖

2.3 液化區分布

由圖3液化區的分布可知，對應于上述位移矢量圖，液化區的發展是從底部逐漸擴展到底部兩側范圍，而結構左右兩側土體是不易液化的，即底部的液化區引起了底部兩側土體的液化。因此實際工程中，車站結構穿越可液化層，底部土體是一定要進行液化處理的，驗證了文獻[14]中的結論。

圖3 液化區分布

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。對應于圖3不同時刻的液化區分布圖，同一時刻液化區域及土體位移較大區域孔隙水壓力都會比較高，這與此處土體結構破壞有關，而且隨著液化的發展，孔隙水壓力消散比較快。

圖4 孔隙水壓力分布云圖

3 結構位移變形分析

3.1 結構位移矢量

圖5 結構位移矢量圖

比較車站結構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，結構的位移矢量情況，如圖5所示。液化土層中，隨著液化的發展，結構受周圍液化土的影響，由水平向的位移逐漸轉為上浮運動；非液化場地中，結構只呈現水平向的運動。且從位移矢量方向判斷，結構左側墻上浮大于右側墻，對應前述土體液化發展可知，結構右側底部土體首先液化導致結構失去承載力，結構右傾，結構左側抬高，土體同時流入結構左側，進一步加速了結構的傾斜。結構抗震設計的反應位移法中，把結構的水平向位移作為影響結構地震反應的主要因素，但是在液化場地下，由于結構底部土體的液化，地基失穩，結構會出現上浮和傾斜變化，此時結構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計中的反應位移法并不適用于液化場地的分析。

3.2 結構變形組合

結合文獻[14]中液化場地結構處于一個xyz三向位移疊加的狀態，以及本文液化不同時刻結構變形的變化圖示(圖6)，更驗證了此結論。為了便于分析，將圖例的變形放大至實際變形的1 000倍。

4 結構周圍土體應力和結構應力(圖7、圖8)

隨著埋深的增加，結構附近土體內的應力會增大，在結構底板處的應力最大，這說明在結構底板附近的土體產生的動應力要比頂板附近的動應力大很多，這點在液化和非液化場地中都能體現出來；非液化場地中，隨著埋深的增加，土體最大最小主應力增加都較均勻，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開始應力逐漸增大，且在液化大變形即將發生的前1 s(10 s)，應力突增后減小，對應圖9孔隙水壓力變化，10 s時刻孔隙水壓力也突增；越靠近結構底部土體(監測點見文獻[14])應力變化幅度明顯增大，這與結構底部孔隙水壓力變化比較明顯有關。

圖6 結構位移組合

圖7 左側墻相鄰土體最大主應力

圖8 左側墻相鄰土體最小主應力

圖9 液化場地左側墻相鄰土體孔隙水壓力

由圖10～圖18可知，對于結構而言，無論最大最小主應力，液化場地都大于非液化場地結構應力，且在監測點5，即結構側墻和底板相連接位置處最大主應力大于C40混凝土設計抗拉強度的1.71 MPa，即結構在此處都會出現拉伸破壞，是結構的薄弱部位。

對于液化場地，由于液化導致土體流動，所以結構底部的土體應力比較一致，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生時刻由于孔隙水壓力的突增，呈現明顯的受拉狀態；對于非液化場地，由于土體的結構性較完整，各點之間的應力變化差異較大，中柱底部土體受壓最明顯，土體整體受壓。

圖10 結構左側墻最大主應力

圖11 結構左側墻最小主應力

圖12 底板結構相鄰土體最大主應力

圖13 底板相鄰土體最小主應力

圖14 液化場地結構底板孔隙水壓力

圖15 底板結構最大主應力

圖16 底板結構最小主應力

圖17 頂板結構最大主應力

圖18 頂板結構最小主應力

結構底板最大主應力，非液化和液化場地呈現的趨勢基本一致，底板左右兩側臨近側墻位置一直處于受拉狀態且液化發生后的4 s時刻出現拉伸破壞。液化場地中柱底部位置某些時刻會出現拉應力，但大部分時刻呈現受壓狀態，這與底部土體有時受拉有時受壓有關，非液化場地中柱底部一直處于拉伸狀態，對應于中柱底部的土體受壓。

液化和非液化場地結構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；對于非液化土層，結構頂板一直受拉，而處于液化土層中的結構，頂板有時受壓有時受拉，這與底部土層的液化導致應力變化不同有關；無論液化土層還是非液化土層，頂板兩側和側墻相接處容易受拉破壞。

5 結論

本文分析了車站整體位于液化土層，產生液化大變形計算網格畸形時刻，對比與非液化土層、液化土層和結構的地震反應規律，主要結論如下。

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

(2)液化和非液化場地中左側墻土體和結構上應力表現一致，液化場地結構左側墻應力大于非液化場地。

(3)液化導致的土體結構破壞使液化土層中結構底部土體各點應力大小變化不明顯，結構應力呈現不同的受壓受拉狀態，液化大變形時刻中柱出現明顯的受拉，結構頂板有時受壓有時受拉；非液化土層中的結構底板臨近土體一直處于受壓狀態，中柱底部一直處于受拉伸狀態，結構頂板一直受拉。兩種場地中，結構頂底板與兩側墻相鄰位置處容易受壓破壞。

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