可液化土层对地下结构地震反应的影响研究

刘春晓,陶连金,边 金,陈向红,张 倍

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

关于地铁车站在非液化场地下的地震反应分析，许多学者已进行了大量研究，并提出了多种抗震设计方法[1-3]。

近年来伴随着大规模的轨道交通建设，地铁车站结构不可避免穿越可液化土层，砂土液化产生大变形会对地铁车站结构产生重要影响，逐渐引起人们重视。刘华北[4-6]等采用软件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，得到了一些液化地基上简单结构形式的地下结构动力反应规律，分析了地震液化情况下地下结构埋深对于结构上浮、加速度、水平位移以及响应结构内力的影响，讨论了非液化土中地铁地下结构地震响应随埋深的影响；王刚[7]等对阪神地震中破坏的大开车站进行分析，研究饱和砂土层在不同液化程度时对地层的动力响应以及车站动力响应的影响，说明考虑液化变形的土与地下结构动力相互作用分析方法及其有效性。庄海洋[8]等对埋有双层三跨岛式大型地铁车站的周围场地进行了地震反应规律数值模拟，重点分析了可液化地基上车站结构上浮、车站结构周围地基的液化区分布特性及位移矢量特性。龙慧[9]等对可液化地基上两层三跨岛式地铁车站结构的地震动反应进行了数值分析，得出了地基土液化规律以及地下车站结构的地震破坏机制。何剑平[10-12]等应用FLAC3D进行自由场典型液化数值模拟试验、刚性结构对液化场影响试验、液化场浅埋地下结构动力特性试验、碎石排水层地下结构非自由场液化对比数值试验，验证了液化的隔振作用和碎石排水层方法的抗液化效果。

文献[14]使用FLAC3D研究不同位置的液化土层对地下结构地震反应的影响，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，但是对车站完全位于液化土层时，初始液化到液化大变形产生不同时刻，地下结构地震反应的规律研究不足。本文将以此为重点，对比研究液化场地和非液化场地条件下土层及车站结构的反应特性，以期对类似车站穿越可液化土层的抗震性能评价提供依据。

1 计算模型的建立

1.1 模型尺寸

模型尺寸及网格划分以及孔隙水压力分布见文献[14]。

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文献[14]。

1.3 地震波输入

地震波输入同文献[14]。

2 土体液化情况分析

2.1 液化土层破坏的位置

当结构完全位于液化土层中时，模型在地震波输入峰值为0.1g的第11 s时网格出现畸形无法计算下去，参考文献[14]中的判据，认为土体发生了破坏，此时已经过了地震波峰值。

红色标注位置处为土体产生液化大变形破坏位置，如图1所示。可知，当车站整体位于饱和砂土中时，液化产生大变形区域多位于车站底板以下及底部两侧位置；车站平行两侧未见大变形的产生。

图1 液化大变形土体破坏时刻网格变形

2.2 液化场对比非液化场位移矢量

由文献[14]所监测土体产生液化大变形位置处的超孔压比以及孔隙水压力可以近似判断，土层在第4.5 s时刻地震动峰值时刻出现初次液化，第9 s时刻再次发生液化且液化比较严重，第11 s时刻，土体出现液化大变形，土体破坏。因此选取了第5 s、9 s和第11 s三个时刻所对应液化区域土体的位移矢量变化图，并与11 s时刻非液化场地位移矢量图进行对比(图2)。

随着地震动的输入，车站两侧土体最初以水平向运动为主，见图2(a)；之后液化程度加深，见图2(b)，车站底部右侧土体扰动明显，失去承载力，结构右倾和孔压作用下土体上浮产生的空间由两侧土体补充，引起结构的进一步上浮和倾斜，同时加剧了两侧土体向底部的运动。对应于位移矢量变化，车站底部右侧位置处首先出现明显的位移，带动底部两侧土体的位移，导致大范围的土体扰动，最终引起部分网格畸形，土体破坏，如第11 s时刻。而非液化场地土体位移主要以水平向为主，所以车站结构整体稳定，土体没有破坏，结构也以水平向变形为主。对比液化场地和非液化场地的土体运动来看，液化场地中，底部土体液化导致基础不稳，承载力降低，倾斜上浮，同时引起两侧土体向基础底部的运动是导致土体大变形破坏的主要原因。

图2 研究区域位移矢量图

2.3 液化区分布

由图3液化区的分布可知，对应于上述位移矢量图，液化区的发展是从底部逐渐扩展到底部两侧范围，而结构左右两侧土体是不易液化的，即底部的液化区引起了底部两侧土体的液化。因此实际工程中，车站结构穿越可液化层，底部土体是一定要进行液化处理的，验证了文献[14]中的结论。

图3 液化区分布

2.4 孔隙水压力变化

图4为不同时刻孔隙水压力分布云图。对应于图3不同时刻的液化区分布图，同一时刻液化区域及土体位移较大区域孔隙水压力都会比较高，这与此处土体结构破坏有关，而且随着液化的发展，孔隙水压力消散比较快。

图4 孔隙水压力分布云图

3 结构位移变形分析

3.1 结构位移矢量

图5 结构位移矢量图

比较车站结构整体位于液化土层中土体破坏时刻和同一时刻非液化土层中，结构的位移矢量情况，如图5所示。液化土层中，随着液化的发展，结构受周围液化土的影响，由水平向的位移逐渐转为上浮运动；非液化场地中，结构只呈现水平向的运动。且从位移矢量方向判断，结构左侧墙上浮大于右侧墙，对应前述土体液化发展可知，结构右侧底部土体首先液化导致结构失去承载力，结构右倾，结构左侧抬高，土体同时流入结构左侧，进一步加速了结构的倾斜。结构抗震设计的反应位移法中，把结构的水平向位移作为影响结构地震反应的主要因素，但是在液化场地下，由于结构底部土体的液化，地基失稳，结构会出现上浮和倾斜变化，此时结构的变形可能不仅仅存在于水平向，竖向也有位移，这也从一方面说明目前抗震设计中的反应位移法并不适用于液化场地的分析。

3.2 结构变形组合

结合文献[14]中液化场地结构处于一个xyz三向位移叠加的状态，以及本文液化不同时刻结构变形的变化图示(图6)，更验证了此结论。为了便于分析，将图例的变形放大至实际变形的1 000倍。

4 结构周围土体应力和结构应力(图7、图8)

随着埋深的增加，结构附近土体内的应力会增大，在结构底板处的应力最大，这说明在结构底板附近的土体产生的动应力要比顶板附近的动应力大很多，这点在液化和非液化场地中都能体现出来；非液化场地中，随着埋深的增加，土体最大最小主应力增加都较均匀，且随着时间的变化呈波动趋势；液化场地中，随着液化程度的加深，孔隙水压力的增加，从第7 s开始应力逐渐增大，且在液化大变形即将发生的前1 s(10 s)，应力突增后减小，对应图9孔隙水压力变化，10 s时刻孔隙水压力也突增；越靠近结构底部土体(监测点见文献[14])应力变化幅度明显增大，这与结构底部孔隙水压力变化比较明显有关。

图6 结构位移组合

图7 左侧墙相邻土体最大主应力

图8 左侧墙相邻土体最小主应力

图9 液化场地左侧墙相邻土体孔隙水压力

由图10～图18可知，对于结构而言，无论最大最小主应力，液化场地都大于非液化场地结构应力，且在监测点5，即结构侧墙和底板相连接位置处最大主应力大于C40混凝土设计抗拉强度的1.71 MPa，即结构在此处都会出现拉伸破坏，是结构的薄弱部位。

对于液化场地，由于液化导致土体流动，所以结构底部的土体应力比较一致，没有层次变化，土体受拉也受压，其中中柱底部土体在液化大变形发生时刻由于孔隙水压力的突增，呈现明显的受拉状态；对于非液化场地，由于土体的结构性较完整，各点之间的应力变化差异较大，中柱底部土体受压最明显，土体整体受压。

图10 结构左侧墙最大主应力

图11 结构左侧墙最小主应力

图12 底板结构相邻土体最大主应力

图13 底板相邻土体最小主应力

图14 液化场地结构底板孔隙水压力

图15 底板结构最大主应力

图16 底板结构最小主应力

图17 顶板结构最大主应力

图18 顶板结构最小主应力

结构底板最大主应力，非液化和液化场地呈现的趋势基本一致，底板左右两侧临近侧墙位置一直处于受拉状态且液化发生后的4 s时刻出现拉伸破坏。液化场地中柱底部位置某些时刻会出现拉应力，但大部分时刻呈现受压状态，这与底部土体有时受拉有时受压有关，非液化场地中柱底部一直处于拉伸状态，对应于中柱底部的土体受压。

液化和非液化场地结构顶板中柱和右边跨位置一直受压缩，且变化幅度不明显，这与上覆土较浅且都为非液化土有关；对于非液化土层，结构顶板一直受拉，而处于液化土层中的结构，顶板有时受压有时受拉，这与底部土层的液化导致应力变化不同有关；无论液化土层还是非液化土层，顶板两侧和侧墙相接处容易受拉破坏。

5 结论

本文分析了车站整体位于液化土层，产生液化大变形计算网格畸形时刻，对比与非液化土层、液化土层和结构的地震反应规律，主要结论如下。

(1)由于底部的液化逐渐引起两侧土体的移动和结构的倾斜上浮，所以液化场地中底部土体的液化最应受到重视。

(2)液化和非液化场地中左侧墙土体和结构上应力表现一致，液化场地结构左侧墙应力大于非液化场地。

(3)液化导致的土体结构破坏使液化土层中结构底部土体各点应力大小变化不明显，结构应力呈现不同的受压受拉状态，液化大变形时刻中柱出现明显的受拉，结构顶板有时受压有时受拉；非液化土层中的结构底板临近土体一直处于受压状态，中柱底部一直处于受拉伸状态，结构顶板一直受拉。两种场地中，结构顶底板与两侧墙相邻位置处容易受压破坏。

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