液化場(chǎng)地下結(jié)構(gòu)抗震分析研究.pdf

1、很多大中城市位于河、海之濱，未來地鐵建筑不可避免地穿越軟弱土層、砂土層，例如我國(guó)南京、深圳等城市的地鐵以及臺(tái)北捷運(yùn)系統(tǒng)中某些盾構(gòu)隧道均遇到了可液化地層。砂土在強(qiáng)震作用下不可避免地產(chǎn)生液化現(xiàn)象，以往震害表明液化場(chǎng)地下結(jié)構(gòu)遭受地震作用容易破壞，特別在強(qiáng)震作用下，土層的液化可能對(duì)地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的破壞作用。液化場(chǎng)地下結(jié)構(gòu)都面臨著因地基液化而上浮、震后不均勻沉陷以及隧道襯砌因地基液化導(dǎo)致的額外內(nèi)力等發(fā)生破壞的危險(xiǎn)。阪神地震清楚地表明，在地層可能

2、發(fā)生較大變形和位移的部位，地鐵等地下結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重震害。地下結(jié)構(gòu)如地鐵車站等是生命線工程的重要組成部分，其抗震問題已經(jīng)成為城市工程抗震和防災(zāi)減災(zāi)研究的重要組成部分。液化狀態(tài)下地下結(jié)構(gòu)的抗震分析研究是個(gè)待解決的問題。本文研究液化場(chǎng)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)問題。本文的主要研究成果如下:
　　 (1)自由場(chǎng)典型液化特征揭示
　　 首先研究自由場(chǎng)液化特征反應(yīng)，應(yīng)用Finn模型實(shí)現(xiàn)了自由場(chǎng)液化數(shù)值模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了砂土液化典型特

3、征:超靜孔隙水壓升高、有效應(yīng)力降低、體積壓縮積累增大。試驗(yàn)證實(shí)了液化的隔振作用:砂土在液化狀態(tài)變?yōu)榱黧w，不能傳遞剪力，砂土位移、速度、加速度振幅顯著降低。試驗(yàn)表明，激振頻率對(duì)液化特性有很大影響，液化場(chǎng)動(dòng)力反應(yīng)典型的頻率特性是“低頻放大，高頻濾波”。場(chǎng)地液化需要一定的能量輸入，輸入加速度小液化程度低，輸入加速度大液化程度高。砂土相對(duì)密度對(duì)自由場(chǎng)液化影響較大，密實(shí)砂土液化程度低，松散砂土液化程度高。
　　 (2)地下結(jié)構(gòu)對(duì)液化場(chǎng)的反

4、作用試驗(yàn)分析
　　 從地下結(jié)構(gòu)對(duì)液化場(chǎng)的反作用這一角度研究了結(jié)構(gòu)的存在對(duì)場(chǎng)地液化的影響，揭示液化場(chǎng)-地下結(jié)構(gòu)相互作用動(dòng)力反應(yīng)特性。通過在自由場(chǎng)中設(shè)置隔斷墻構(gòu)建非自由場(chǎng)，改變墻剛度，應(yīng)用FLAC3D作系列非自由場(chǎng)液化數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究地下結(jié)構(gòu)剛度變化對(duì)場(chǎng)地液化的影響，揭示非自由液化場(chǎng)液化分布特征。試驗(yàn)結(jié)果顯示，非自由液化場(chǎng)水平向不再同性，孔隙水壓力呈現(xiàn)“此起彼伏”形狀，結(jié)構(gòu)周邊近處形成低壓區(qū)，離結(jié)構(gòu)數(shù)米遠(yuǎn)形成高壓區(qū)。相對(duì)于水平向同

5、性的自由液化場(chǎng)，低壓區(qū)液化度明顯降低，約低40％，高壓區(qū)液化度高于自由場(chǎng)。試驗(yàn)得出，結(jié)構(gòu)抑制了近處土液化，結(jié)構(gòu)又強(qiáng)化了遠(yuǎn)處土液化，結(jié)構(gòu)剛度越大抑制范圍越大，對(duì)遠(yuǎn)處液化的強(qiáng)化作用也越大，結(jié)構(gòu)剛度越小抑制范圍越小，對(duì)遠(yuǎn)處的強(qiáng)化作用也越小。本文進(jìn)一步作了雙隔斷墻的方法驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)本身的抗液化機(jī)理。
　　 (3)提出碎石排水層抗液化方法并試驗(yàn)其效果
　　 本文提出地下結(jié)構(gòu)碎石排水層抗液化措施，作了碎石排水層抗液化效果數(shù)值試驗(yàn)。作地

6、下結(jié)構(gòu)普通場(chǎng)地、地下結(jié)構(gòu)碎石排水層場(chǎng)地液化數(shù)值試驗(yàn)，研究了碎石排水層法液化場(chǎng)的液化分布特性，驗(yàn)證了碎石排水層方法的抗液化效果，分析碎石排水層非自由液化場(chǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，液化場(chǎng)中地下結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置碎石排水層，結(jié)構(gòu)周圍則不會(huì)液化，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)處液化場(chǎng)中的超靜水壓力顯著降低，結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)上浮，水平漂移減小。碎石排水層加大了結(jié)構(gòu)與碎石的整體質(zhì)量和剛度，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
　　 (4)統(tǒng)一雙剪損傷混凝土本構(gòu)模型的開發(fā)
　　

7、 為滿足采用FLAC3D模擬分析大開地鐵車站的動(dòng)力反應(yīng)特性以及震害機(jī)理研究的需要，以俞茂宏統(tǒng)一雙剪理論和Mazars損傷理論為基礎(chǔ)，研究了統(tǒng)一雙剪本構(gòu)模型在有限差分方法中應(yīng)用的理論實(shí)現(xiàn)格式。推導(dǎo)了屈服面應(yīng)力空間區(qū)域分界面的公式。在FLAC3D環(huán)境中開發(fā)出可以考慮混凝土損傷后材料強(qiáng)度、剛度等參數(shù)發(fā)生相應(yīng)折減的雙剪損傷本構(gòu)模型Twin-Shear-Damage_Model。編制了相應(yīng)的UDM接口程序。
　　 (5)液化場(chǎng)大開地鐵車

8、站阪神地震動(dòng)力響應(yīng)研究
　　 神戶大開地鐵車站場(chǎng)地土質(zhì)為砂礫石土，阪神地震的特點(diǎn)是礫石液化，阪神地震不能排除大開地鐵車站場(chǎng)地發(fā)生液化，本文開展液化場(chǎng)大開地鐵車站地震反應(yīng)數(shù)值試驗(yàn)分析，探索液化場(chǎng)對(duì)大開車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。結(jié)果表明，大開車站結(jié)構(gòu)周邊場(chǎng)地出現(xiàn)瞬時(shí)液化現(xiàn)象沒有連續(xù)液化現(xiàn)象，液化場(chǎng)結(jié)構(gòu)中柱加速度放大異常顯著，結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)顯示“音叉效應(yīng)”。比較了液化場(chǎng)、彈性場(chǎng)大開地鐵車站地震反應(yīng)的差別，結(jié)果顯示，雖然液化場(chǎng)中結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)

9、大于彈性場(chǎng)，但彈性場(chǎng)地中結(jié)構(gòu)內(nèi)力要大于液化場(chǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，揭示了液化場(chǎng)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的這種特殊性。分析了豎向地震動(dòng)對(duì)大開車站動(dòng)力反應(yīng)的影響，試驗(yàn)顯示豎向地震加劇了大開車站的破壞。試驗(yàn)了結(jié)構(gòu)與土體接觸剛度大小對(duì)結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，試驗(yàn)表明接觸剛度對(duì)接觸面加速度反應(yīng)影響很大。試驗(yàn)了結(jié)構(gòu)塑性狀態(tài)發(fā)展過程，驗(yàn)算了大開車站中柱軸壓比及斜截面抗剪承載力，計(jì)算表明，大開車站破壞原因是中柱截面太小，中柱首先出現(xiàn)剪壓破壞，后頂板出現(xiàn)塑性鉸鏈而倒