不同土层性质对地下结构地震响应规律分析

(沈阳建筑大学土木工程学院 辽宁 沈阳 110000)

引言

近些年世界的地质灾害频发，尤其地震灾害，发生频次多，灾害及次生灾害严重，自1955年在日本阪神地震中发现作为地下结构的地铁车站也在此次地震中受到严重的破坏，后来关于地下结构的抗震问题引起了世界学者们的高度关注，随着对地下结构研究越来越深入，地下结构理论也日趋完善，许多学者在研究中发现：受地质条件、水文条件、周围环境等因素的影响，不同地区的地下结构的地震动力响应有很大的差别，这使得不同地区有相同的地下理论变的很困难。

本文通过GTS NX迈达斯岩土工程的有限元分析软件，对沈阳某地铁作为分析模型建立二维有限元模型，采用EL-Centro波，通过时程分析对地下结构进行地震响应分析，通过改变弹性模量来控制土的软硬程度，通过不同的工况设计来研究土的软硬对地下结构地震响应的影响，定性分析地质条件差异的影响。

一、工程概况

车站为矩形框架地下两层三跨岛式站台车站，有效站台宽度14米,车站长136米，标准段宽度为22米，盾构井段宽26.5米。车站顶板覆土约4m。沈阳地区的抗震设防烈度为7度，场地的震动峰值加速度选取0.10g，场地的设计特征周期T为0.35g,场地类别为Ⅱ类，且地下土层无液化现象。顶板、中板、底板、侧墙、中柱均采用一维梁单元模拟且材料都采用C35混凝土，土体采用平面应变单元模拟。模型网格划分及特征点布置见图1。

图1 模型特征点及网格划分

二、元模型的建立

(一)基本假定：1.本文建立的三维模型是将土体-结构看成一个整体进行分析求解，地下车站结构与土体之间完全粘结，不考虑脱开和滑移;2.据相关勘察资料获取了车站周围土层不同范围的特性，设定每一类土在该层的范围内都是均质，层之间假定不发生脱离和相对滑动，界面满足层间位移相互协调。

(二)土体选取范围和边界条件:GTS NX针对无限区域边界新增加了自由场边界可以模拟半无限状态的边界条件，并且指出选取地铁车站宽度的3倍的土体范围最为适宜。

(三)土体的本构关系:混凝土材料的本构关系采用线弹性模型，该模型认为材料在加载以及卸载时应力与应变成线性比例，完全卸载后无残余变形。C35混凝土的弹性模量取3.15e4 MPa，泊松比取0.2。采用Mohr-Coulomb(莫尔-库仑)模型来描述土体本构关系。

(四)阻尼设置:本文采用Rayleigh阻尼，在进行时程分析之前，先要对整个模型进行特征值分析，在特征值分析中边界条件采用弹性边界，底部为固定边界，由时程分析结果可以得到特征周期，从而可以计算得到阻尼参数，本模型计算前十阶的特征值。

(五)地震波的调整:根据规定地震波的选取须根据地震的频谱特征、地震动的加速度峰值、地震动持续时间来进行调整。经过调整后的地震波如图2。

图2 调整后的.el-centro波加速度时程曲线

三、地铁车站中部土层的性质差异对其地震响应的影响

车站中部上层土不变，随着车站中部下层土弹性模量变化对地铁车站的地震响应的影响具体参数见表1。车站中部下层土不变，随着车站中部上层土弹性模量变化对地铁车站的地震响应的影响具体参数见表2。

表1 工况1中不同土层的土参数表(Kpa)

表2 工况2中不同土层的土参数表(Kpa)

3.3结果如下：

图3 车站顶底板相对位移

由1-1至1-3比较可以看出，当土层2土的弹性模量较小时，随着土层3土的弹性模量的增加，车站的顶底板相对位移随着土层3土的弹性模量的增加而变小，并且顶底板相对位移时程曲线因为土层3土的弹性模量变大其曲线波动变小，可见较大弹性模量的土对地震波有阻碍其传播的作用，并且当土的弹性模量达到2e5时与1e6的时程曲线波动变化相近，工况1-1、1-2、1-3的顶底板相对位移最大值分别为65.5mm、31.6mm、20.9mm。从变化的幅度来看，可以看出当土的弹性模量达到一定值时，其对车站的地震响应的影响很相近。

图4 柱沿高度的相对位移

1-1与1-2柱的最大相对位移差值29.2mm、1-2与1-3的相对位移最大差值15.2mm,两者相差近两倍，可见土的弹性模量达到一定值时，其对地铁车站的地震响应的影响越来越相近。三种工况下柱的相对位移最大值分别为56mm、26.8mm、11.6mm，可见车站下层土的弹性模量的变化对车站地震响应的影响不容忽视。

图5 特征点处的弯矩

内力变化可见变化较大的位置一般在中板、柱上的特征点，其他点几乎没有变化，主要是车站中部上下土的弹性模量变化引起的，变化最大的点是柱的下端，这主要是由于顶底板相对位移的变化引起的。

图6 车站顶底板相对位移

由2-1至2-3比较可以看出，当土层2土的弹性模量较大时，土层3土的弹性模量越小，车站的顶底板相对位移变大，可见较小弹性模量的土对地震波的传播阻碍较小或者还有可能扩大地震的作用，工况2-1、2-2、2-3的顶底板相对位移最大值分别为66.5mm、32.4mm、21.6mm，变化很明显。

图7 柱沿高度的相对位移

工况1-1与1-2柱的最大相对位移差值36.1mm、1-2与1-3的相对位移最大差值1.4mm,前者相差很大，后者相差很小，同样可以得出土的弹性模量达到一定值时，其对车站的地震响应的影响明显变小。三种工况下柱的相对位移最大值分别为61.5mm、25.4mm、26.8mm，可见其对车站地震响应的影响也不小。

图8 特征点处的弯矩

由于土层2与土层1土的弹性模量相差也很大，可见上板的内力也有一定幅度的变化，但是没有过大。内力变化较大的位置依然在柱上和中板上的特征点，其他点变化较小。这主要也是由于顶底板相对位移的变化引起的。

图9 车站顶底板相对位移

是从工况1-3、2-1的比较来看土层2土的弹模大、土层3土的弹模小比土层2土弹模小、土层3土弹模大对地下结构的地震响应的影响要小很多，工况2-1的最大相对位移是1-3的5.3倍左右。

四、地铁车站下部土对地铁车站地震动力响应的影响。

在车站上部与中部土的性质不变的情况下，改变车站下部土的弹性模量，研究其对车站地震响应的影响。具体参数见表3

表3 况4中不同土层的土参数表(Kpa)

5.2结果分析如下：

图10 车站顶底板相对位移

图11 站顶板相对位移

由4-1至4-3比较可以看出，当土层4土的弹性模量越大，车站的顶底板相对位移越大，但是顶板的相对位移越小，这是因为下部土弹模较小时，其上部土及车站整体的位移都很大，所以车站顶底板相对位移很小，当下部土的弹性模量与车站所处土层的弹模越来越相近时，其影响开始越来越明显，可见下部土与中部土的弹模相差较大时，对车站地震响应有很大的影响。

五、结论

1.从结果可以看出，地铁车站并没有因为车站所处于土层中的上、下层土的性质差异大而导致地铁车站结构地震响应就大，反而是车站所处上层土弹性模量较小时，车站所处下层土弹性模量越大反而对结构的地震响应越小，而当车站所处上层土弹性模量较大时，车站所处下层土弹性模量越小对车站的地震响应越大。而且车站所处土层的上层土弹性模量较大时比弹性模量较小时的影响要更为明显。

2.当车站下部土弹性模量越大，车站的顶底板相对位移越大，但是顶板的相对位移越小，说明其上部土及车站整体的位移都很大，当下部土的弹性模量与车站所处土层土的弹模越来越相近时，其影响开始越来越明显，可见下部土与中部土的弹模相差较大时，对车站地震响应也有很大的影响。