地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計及土層處理方法的探討

叢珩易

摘 要：本文應(yīng)用反應(yīng)位移法，對一地鐵車站進(jìn)行了抗震設(shè)計中的受力分析，同時采用比較分析的方法，討論了地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)兩種處理方法，即近似為分層土或勻質(zhì)單層土處理，討論了兩種處理方法在地層位移、地震土壓力、地震剪應(yīng)力、結(jié)構(gòu)地震慣性力計算上的偏差，最終得出分層土較勻質(zhì)單層土更符合實際情況的結(jié)論，從而能夠為實際設(shè)計中提供參考。

關(guān)鍵詞：地下結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計;反應(yīng)位移法;土層處理

中圖分類號：TU93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0149-02

0 引言

城市地鐵方便、快捷、運行流量大等特點，已成為我國主要的公共交通運輸方式，其在城市運輸中的作用也愈發(fā)不可替代。然而，我國是一個地震災(zāi)害多發(fā)的國家。因此，對地下結(jié)構(gòu)抗震的研究具有很大的重要性。目前對地下結(jié)構(gòu)抗震的研究方法有自由場變形法、反應(yīng)位移法、有限元反應(yīng)加速法、時程分析法等等。由于反應(yīng)位移法能夠更好的體現(xiàn)土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用、且計算成本較小，成為在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中應(yīng)用較廣的方法之一[1]。在應(yīng)用反應(yīng)位移法的地城地質(zhì)結(jié)構(gòu)處理過程中，可將土體近似為分層土，誤差較小;或近似為勻質(zhì)的單一土層[2]，可以降低計算成本，但可能會有較大誤差。因此，本文將基于反應(yīng)位移法對兩種地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)處理方法進(jìn)行比較分析。

1 地鐵車站結(jié)構(gòu)模型

以某一地鐵車站為計算對象，車站橫截面為一矩形，寬20m，高10m，頂板埋深5m。根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螚l件，地震作用的基準(zhǔn)面在地表以下30m處。對于該車站的抗震設(shè)計，要求車站結(jié)構(gòu)能夠承受的地震烈度為9級（地震的重現(xiàn)周期為2475年）。

目前對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計時，對于地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的處理主要由兩種方法：（1）勻質(zhì)單層土處理（單層土物理特性如表1所示）;（2）分層土處理，（此處分為3層，各土層物理特性如表2所示）。

2 計算參數(shù)

2.1 動力彈簧剛度

k=KLd

式中：k—動力彈簧剛度（kN/m2）;K—動力彈簧系數(shù)（kN/m）;L—地基中的彈簧間距（m）;d—土層沿隧道與地下車站縱向的計算長度（m）。

側(cè)面土層的水平彈簧系數(shù)根據(jù)日本鐵路抗震設(shè)計規(guī)范求解[3]：

K=1.7EoBh-3/4

式中：Eo—土層動變形模量;Bh—側(cè)墻高度。

由模型與表1、2中已知的數(shù)據(jù)，求得各土層的動力彈簧參數(shù)，表3所示。

2.2 地層位移

地震時地層位移可簡化為余弦函數(shù)[4]：

式中：u（z）—距地表面處為z處地震時的地層位移（m）; Su—地震動基準(zhǔn)面速度反映譜（m/s）;TS—地震的固有周期（s）;H—地表至基準(zhǔn)面距離（m）。

（1）地層固有周期TS：

式中：—土層厚度（m）;—剪切波速（m/s）。

由表1、2中已知的數(shù)據(jù)，分別求得單層土與分層土處理時的地層固有周期，表4所示。

（2）震動基準(zhǔn)面速度反應(yīng)譜Su：

式中：—水平地震系數(shù)速度反應(yīng)譜（m/s），通過查找單位水平地震系數(shù)的速度反應(yīng)譜可知取0.8m/s;

Kh—考慮場地與埋深等因素的水平地震系數(shù)，可由下式求得：

式中：Cs—土層修正系數(shù)，取1.0;Cg—所在場地修正系數(shù)，取1.0;Cu—沿豎向修正系數(shù)，Cu=1.0-0.015z，z為結(jié)構(gòu)中心的埋深（m）;Kh0—標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計水平地震系數(shù)，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計水平地震系數(shù)表取0.4。

由模型與表1、2中已知的數(shù)據(jù)，求兩種處理方法的震動基準(zhǔn)面速度反應(yīng)譜均為0.272m/s。

綜上，對于勻質(zhì)單層土而言，土層位移的公式為;對于分層圖而言，土層位移公式為。由圖1可知，勻質(zhì)單層土與分層土地層位移存在一定偏差。

2.3 地震土壓力

式中：為結(jié)構(gòu)底部位移（m）。

根據(jù)圖2可知，勻質(zhì)單層土與分層土地震土壓力相差較大。

2.4 地震剪應(yīng)力

假設(shè)地震時剪應(yīng)力沿深度變化為正弦函數(shù)，可由下式計算：

式中：H—地表至基準(zhǔn)面距離（m）;—地表與基準(zhǔn)面之間最大的地層相對位移，通過查閱設(shè)計地震動峰值位移表可得取0.41。Gd——土層的動剪切模量。

表5所示，可以得出，勻質(zhì)單層土與分層土地震剪應(yīng)力存在偏差。其中兩種處理方式所得底板地震剪應(yīng)力相等，頂板地震剪應(yīng)力存在很大偏差。

式中：f—結(jié)構(gòu)慣性力;m—結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

根據(jù)上文可得，=0.272，勻質(zhì)單層土與分層土結(jié)構(gòu)地震慣性力相等。

3 結(jié)語

在對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計時，對于地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的處理主要由兩種方法，即近似為分層土或勻質(zhì)單層土處理。通過以上分析可知，兩種處理方式得出的結(jié)構(gòu)地震慣性力相等，但地層位移、地震土壓力與地震剪應(yīng)力偏差較大，其中地震土壓力偏差尤為明顯。因此在實際計算應(yīng)用過程中應(yīng)選用分層土處理的方式，更符合實際情況。本文僅基于反應(yīng)位移法對兩種底層地質(zhì)結(jié)構(gòu)處理方法進(jìn)行了比較分析。在接下來的研究中，可進(jìn)一步從自由場變形法、有限元反應(yīng)加速法、時程分析法等設(shè)計方法入手進(jìn)行比較分析。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王國波，王敏，覃程，高飛.對反應(yīng)位移法中幾個關(guān)鍵問題的探討[J].地下空間與工程學(xué)報，2014，10（06）：1367-1371+1386.

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[4] 鄭學(xué)濤.基于反應(yīng)位移法某地鐵車站抗震研究[D].石家莊鐵道大學(xué)，2015.