可液化土层的位置对土层-地下结构地震反应的影响

刘春晓，陶连金，边金，王会胜，张恒

(北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124)



可液化土层的位置对土层-地下结构地震反应的影响

为了研究不同位置的液化土层对地下结构地震反应的影响,采用PL-Fin土体液化本构模型，使用FLAC3D进行了研究，总结了液化土层发生液化大变形时刻液化区分布、孔隙水压力与超静孔隙水压力比变化规律及差异、地下结构的位移及差异沉降规律，并与非液化场地下的地下结构地震反应进行了对比．主要结论有：当结构底部存在液化土层时，引起的结构位移最大，使结构下沉；结构两侧的土体液化会引起结构上浮，并使侧墙水平向向层间位移和顶底板竖向层间位移增加；结构整体位于液化土层中时，土体位移、结构位移和结构层间位移差都不是最大值，仅研究结构整体位于液化土层的规律存在不足；结构周围、两侧、底部、底部45°位置、左右两侧和底部45°位置以及底部和底部45°位置存在液化土层(B+C)位置共计6种工况下结构顶板y向层间位移变化规律基本一致，但车站不同位置存在液化土层，土层液化的反应和对结构的影响存在一定差异；液化大变形发生在孔隙水压力和超孔压比突增后的1～3 s后，因此可由孔隙水压力和超孔压比的突变判断是否发生液化大变形.

液化；地下结构; PL-Fin模型；地震反应

许多学者对地下结构在非液化场地下的地震反应分析作了研究[1-4].大规模的轨道交通建设，使地铁车站结构不可避免地穿越可液化土层，也有许多学者对此作了研究.刘华北等[5-6]采用软件DIANA SWANDYNE-Ⅱ对可液化地基上单层双跨矩形断面地下结构的地震反应进行了初步的研究；王刚等[7]对阪神地震中破坏的大开车站进行了分析;陈苏等[8]对可液化场地上三拱立柱式地铁地下结构的地震反应特性进行了振动台试验研究.

以上研究基本都把结构置于全液化场地中，实际工程中，液化土层有可能位于地下结构的任意部位，对于地下结构不同位置存在液化土层的影响目前研究较少,对地震作用下结构在液化土层和非液化土层中的不同反应差异研究也不多.

基于此，本文设计将非液化土层作为对比工况，分析地下结构完全位于液化土层、底部位于液化土层、两侧位于液化土层、底部45°位置处存在液化土层、左右两侧和底部45°位置存在液化土层以及底部和底部45°位置存在液化土层6种典型情况.考虑液化后大变形，通过FLAC3D软件，采用陈育民[9]提出并在FLAC3D中开发的PL-Fin本构模型进行数值模拟，研究地下结构在6种不同液化条件下的地震反应规律，并设计非液化场地作为对比工况进行比较.

1 FLAC计算模型的建立

1.1 模型尺寸

本次试验以典型单层双跨地铁区间结构来确定模型的尺寸和内部结构.其中顶底板和侧墙的厚度分别为900 mm，900 mm和750 mm，中板厚度为420 mm，结构模型长为19.92 m，高度为9 m，结构模型的具体尺寸如图1所示.

图1 结构横断面图(m)

计算模型长为180 m，高度为50 m，根据规范[10]，地面以下15～20 m范围内土层的液化，可能引起地下车站结构和区间的严重破坏或上浮，因此对地面以下20 m土层进行液化判别是非常必要的.本计算模型中把液化地层取到地表以下20 m处，如图2所示，其中所标注A，B，C区域为液化区范围.针对本文所研究的6种工况所对应的液化分布为地下结构完全位于液化土层(A+B+C)、底部位于液化土层(C)、两侧位于液化土层(A)、底部45°位置处存在液化土层(B)、左右两侧和底部45°位置存在液化土层(A+B)以及底部和底部45°位置存在液化土层(B+C).模型的动力边界为FLAC3D中的自由场边界[11]，确定计算模型共8 968个节点，4 329个单元.网格划分如图3所示，图4所示为可液化土层中的孔隙水压力分布.

图2 整体尺寸及车站所在位置

1.2 参数选取

计算模型中，非液化区域的土采用黏土，液化区域的土采用饱和砂土，其物理力学参数及结构模型尺寸参数见表1和表2.

1.3 地震波输入及工况设置

本文采用水平向(模型中的X向)振动，图5选取峰值为0.1g的某液化场场地波.

图3 数值计算网格划分

工况液化区分布液化区孔隙水压力分布/Pa液化大变形时刻111s214s315s415s515s613s

图4 不同工况液化区及孔隙水压力分布示意图

表2 混凝土物理力学参数

时间/s

2 不同工况下土体液化情况分析

FLAC3D中的拉格朗日元方法遵循连续介质的假定，允许大变形，能够反映几何的非线性特性.在大变形计算过程中，节点坐标会随时步自动，当位移较大时会导致网格畸形而无法进行下去，本文以此作为判据，认为网格畸形处土体产生液化大变形后的破坏，对此时刻不同工况下的地震反应进行分析.

2.1 液化土层破坏的位置

图6中土体网格区域里黑色斑点处为土体产生液化大变形破坏位置．由图6可知， 当车站底部存在液化土层时，发生液化大变形土体距离车站最近，两侧存在液化土层时，液化大变形位置处土体距离车站最远，因此车站底部存在液化土时，地铁受液化大变形影响较大，需引起重视.

2.2 液化场对比非液化场位移矢量

图7为各工况研究区域土体位移矢量图．由图7可见，对于非液化土层，土体的运动以水平向为主，而液化土层中，土体存在上下方向的运动，所以土体运动方向不仅局限于水平向，土体最大位移为6.693×10-3m，液化土层6种工况下土体位移最大值分别为1.352 m，1.054 m，1.693 m，1.807 m，1.70 5 m，1.684 m.可见，仅A区存在液化土层时，土体位移最小，液化程度也最轻微，这与结构紧邻两侧土体孔隙水压力容易消散有关；结构底部即C区存在液化土层时，土体位移最大；当除了B区之外的其他区域存在液化土层时，土体的位移反而会减小，当A区域和其他区域存在液化土层时，往往靠近底部的土体首先出现较大位移，A区域土体位移较小.从土体位移情况可判断需要引起人们重视的液化区域位置为C区>B区>A区.

工况网格变形图123456

图6 液化大变形土体破坏时刻网格变形图

Fig.6 Mesh deforming figures when large deformation of soil occurred

2.3 液化区分布

与之相对应时刻液化区分布如图8所示．对应于上文所述位移矢量图，土体液化的位置对应于土体发生较大位移的位置.当存在液化土层时，可以用土体的位移简单判断土体的液化情况；且土体变形畸形时刻正对应当前液化状态，此处也处在液化后区域，即网格大变形产生位置处土体曾发生过液化，后期液化再次产生的时刻伴随着大变形，即为液化后大变形.可以简单证明，液化大变形是在液化产生后的一段时间内才发生的，这与国内外许多地震震害调查结果表明的，液化引起的地基或者建筑物破坏通常发生在地震结束后几分钟甚至几天后的结论相一致.

非液化工况1工况2工况3工况4工况5工况6

图7 研究区域位移矢量图

Fig.7 The displacement vector diagram of study area

图8 液化区分布图

2.4 超孔压比和孔隙水压力变化

图9所示为各工况土体大变形破坏时刻孔隙水压力分布云图．对应于图8和图6，当前液化区域孔隙水压力都会比较高，且此处也是土体大变形破坏区域.

在数值计算中[12]，由于计算精度的影响，常用超孔压比的概念来描述液化.

当计算过程中单元的平均有效应力为零即超孔压比达到1时，可简单判断饱和砂土发生液化.本文也以此为依据，选取产生液化大变形位置的监测点，即图6所示土体网格中黑色斑点处，调取其超孔压比时程曲线，观察其从初始液化状态到产生液化大变形状态期间，超孔压比和孔隙水压力的变化情况,如图10和图11所示.可见土体孔隙水压力的变化和超孔压比的变化规律基本一致，随着时间的增长逐渐增加且在液化大变形产生的前1～3 s会出现突增，由此可判断液化大变形的产生.

图9 孔隙水压力分布云图

图10 大变形位置处土体超孔压比分布

图11 大变形位置处土体孔隙水压力分布

3 结构位移变形分析

3.1 结构位移矢量

土体破坏时刻结构的位移矢量情况如图12所示.从量值上来看，非液化土层中结构的最大位移为6.2 mm，6种液化工况对应最大结构位移分别为26.1 mm，8.3 mm，18 mm，19.9 mm，29.8 mm和20.4 mm.

图12 结构位移矢量图

从结构运动方向来看，非液化场地中，结构只呈现水平左右向的运动.结构两侧的液化土层会导致结构的上浮运动，但是位移量较小，结构底部的液化土层会引起结构的下沉，且结构底部存在液化土层时，结构的整体位移较大.结构整体位于液化土层中时，结构的位移并非最大，结构产生最大位移是在B区和C区都存在液化土层时，因此仅研究结构整体位于液化土层中地下结构的反应规律是存在不足的.

3.2 结构变形

3.2.1 结构变形图

图13所示为各个工况下结构变形图，为了便于分析，将图例的变形放大至实际变形的1 000倍.

图13 结构变形图

由图13可知，结构在液化后土体中处于三向受力的状态，且顶底板、左右侧墙之间存在差异，不同于结构处于非液化场地中时，结构主要产生x向的层间位移.下面对结构的层间位移差进行分析.

3.2.2 结构层间位移差

结构层间位移监测点布置图见图14．

结构x向、z向层间位移见图15．

图14 结构层间位移监测点布置

工况xz非液化123

456

图15 结构x向、z向层间位移

Fig.15 Story drift of structure inxandzdirection

由图15可知，结构处于液化和非液化地层中时，侧墙从上到下距离顶部x向位移差和顶底板从左到右距离左端的z向的层间位移差变化状态基本上保持一致，侧墙相对顶部位移从上到下随位置变化呈梯度的增加，顶板相对于左端从左到右随位置变化呈梯度的增加.即可以把左右侧墙的x向运动以及顶底板的z向运动视为整体运动.

从图15不同工况下侧墙层间位移差曲线图可以发现，局部存在液化土层时，结构的x向和z向层间位移差为A区>B区>C区，说明结构两侧存在液化土层是引起结构的x向、z向层间差异变形大于非液化土层的主要原因，底部的液化土层导致了结构的整体位移.结构整体位于液化土层中时，结构的以上2种层间位移差都不是最大值.

对比左右两图可知，结构处于全液化场地时，结构顶底板、左右侧墙位置y向位移差异很大；非液化场地下，结构顶底板、左右侧墙位置y向位移基本保持一致而且变动数值是很微小的，可以忽略不计.下面对液化场地各工况下结构顶底板、左右侧墙y向层间位移差进行汇总比较，见图17.

时间/s(a) 液化

时间/s(b) 非液化

工况顶板层间位移差底板层间位移差1234

56工况左侧墙层间位移差右侧墙层间位移差123

456

图17 液化场地结构y向层间位移差

Fig.17 Differential displacement between the layers inydirection on liquefaction ground

由图17可知，6种工况下结构顶板y向层间位移变化规律基本一致， B区存在液化土层时，其量值最大，而C区液化土层的存在会导致顶板出现弯曲，即顶板y方向位移变化方向不一致.

B区、C区存在液化土层会导致底板弯曲，C区存在液化土层对应工况4时，底板y向层间位移差最大.

B区存在液化土层时，左侧墙会弯曲，B区、C区同时存在液化土层时，结构左右侧墙y向层间位移差最大；A 区、B区存在液化土层时，左右侧墙y向层间位移差值都很小.

4 结 论

本文分析了车站不同位置处存在液化土层，产生液化大变形网格畸形时刻，土和结构的地震反应规律，并同非液化场地下的反应进行对比，得出的主要结论如下：

1)根据土体位移情况可判断需要引起人们重视的液化区域位置为C区>B区>A区；不同区域液化引起的结构整体位移也为C区>B区>A区，当B区和C区同时存在液化土层时，结构整体位移最大.

2)结构两侧的液化土层会加大结构左右侧墙x向层间位移和顶底板z向层间位移，是引起结构这两种层间位移差的主要原因.结构整体都位于液化土层中时，土体位移、结构位移和结构层间位移差都不是最大值，因此平时只研究结构整体位于液化土层的规律是存在不足的.

3)6种工况下结构顶板y向层间位移变化规律基本一致， B区存在液化土层时，其量值最大，而C区液化土层的存在会导致顶板出现弯曲；B区、C区存在液化土层会导致底板弯曲，C区存在液化土层对应工况4时，底板y向层间位移差最大；B区存在液化土层时，左侧墙会弯曲，B区、C区同时存在液化土层时，结构左右侧墙y向层间位移差最大；A 区、B区存在液化土层时，左右侧墙y向层间位移差值都很小.

4)结构两侧的液化土体会引起结构的上浮，结构底部的液化土体会引起结构的下沉.

5)土体位移较大区域对应当前液化区域，也是液化后区域，且此处孔隙水压力会比较高，孔隙水压力和超孔压比突增后的1～3 s会有液化大变形的产生，可以由孔隙水压力和超孔压比的变化判断液化大变形的发生.

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Research on Seismic Response of the Soil and Underground Structure Caused by Liquefiable Soil in Different Positions

LIU Chunxiao, TAO Lianjin†, BIAN Jin, WANG Huisheng, ZHANG Heng

(Country Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

In order to study the seismic response of underground structures when liquefied soil layer is located in different positions, the PL-Fin constitutive model proposed and developed in FLAC3D was used in this paper. The time when large deformation occurred, liquefied area distribution, the law and difference of pore water pressure and excess pore water pressure ratio, the law of the displacement characteristics, and differential settlement of structure were summarized. Their differences were also compared and analyzed when the structure is on non-liquefied soil layer. The primary conclusions are as follows: the displacement of structure was the largest when liquefied soil layer was under structure and caused the structure sink; the liquefied soil on both sides of the structure caused the structure float upward, and increased the displacement between the layers of side walls in the horizontal direction as well as between the roofs and floors in the vertical direction; the soil displacement and the displacement and differential settlement of structure were all not the largest when structure was all located over the liquefied soil, so it was not enough to only study the law when structure was embedded in liquefied soil; the law of the y-displacement of story drift on top plate was similar when the liquefied soil was located at six different positions including around the structure, on its two sides, in its bottom, in 45 degrees at the bottom of the location, on its two sides and 45 degrees at the bottom of the location, and in its bottom and 45 degrees at the bottom of the location, but the response of liquefied soil and the influence on the structure performance were different; and the large deformation caused by liquefaction occurred in 1 to 3 seconds after the jump of pore water pressure and the excess pore water pressure ratio, so their mutation can be considered as judgement on whether the large deformation occurred or not.

liquefaction; underground structure; PL-Fin model; seismic response

1674-2974(2017)05-0143-14

10．16339/j．cnki．hdxbzkb．2017．05．017

2016-02-19 基金项目：国家科技重大专项资助项目(51421005,41272337)，National Natural Science Foundation(51421005,41272337)；北京市自然科学基金委员会-北京市科学技术研究院联合资助项目(L140004) ,Joint Funding Program of Natural Science Foutechnology(L140004)作者简介：刘春晓(1992-)，女，山东巨野人，北京工业大学博士研究生 †通讯联系人，E-mail: ljtao@bjut.edu.cn

刘春晓，陶连金†，边金，王会胜，张恒

(北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

TU 93

A