液化場地下結構抗震分析研究.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，例如我國南京、深圳等城市的地鐵以及臺北捷運系統(tǒng)中某些盾構隧道均遇到了可液化地層。砂土在強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地下結構遭受地震作用容易破壞，特別在強震作用下，土層的液化可能對地下結構產(chǎn)生極大的破壞作用。液化場地下結構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致的額外內力等發(fā)生破壞的危險。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，地鐵等地下結構可能會出現(xiàn)嚴重震害。地下結構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減災研究的重要組成部分。液化狀態(tài)下地下結構的抗震分析研究是個待解決的問題。本文研究液化場地下結構動力反應問題。本文的主要研究成果如下:
　　 (1)自由場典型液化特征揭示
　　 首先研究自由場液化特征反應，應用Finn模型實現(xiàn)了自由場液化數(shù)值模擬試驗。試驗結果驗證了砂土液化典型特

3、征:超靜孔隙水壓升高、有效應力降低、體積壓縮積累增大。試驗證實了液化的隔振作用: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。試驗表明，激振頻率對液化特性有很大影響，液化場動力反應典型的頻率特性是“低頻放大，高頻濾波”。場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。砂土相對密度對自由場液化影響較大，密實砂土液化程度低，松散砂土液化程度高。
　　 (2)地下結構對液化場的反

4、作用試驗分析
　　 從地下結構對液化場的反作用這一角度研究了結構的存在對場地液化的影響，揭示液化場-地下結構相互作用動力反應特性。通過在自由場中設置隔斷墻構建非自由場，改變墻剛度，應用FLAC3D作系列非自由場液化數(shù)值模擬試驗，研究地下結構剛度變化對場地液化的影響，揭示非自由液化場液化分布特征。試驗結果顯示，非自由液化場水平向不再同性，孔隙水壓力呈現(xiàn)“此起彼伏”形狀，結構周邊近處形成低壓區(qū)，離結構數(shù)米遠形成高壓區(qū)。相對于水平向同

5、性的自由液化場，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。試驗得出，結構抑制了近處土液化，結構又強化了遠處土液化，結構剛度越大抑制范圍越大，對遠處液化的強化作用也越大，結構剛度越小抑制范圍越小，對遠處的強化作用也越小。本文進一步作了雙隔斷墻的方法驗證了結構本身的抗液化機理。
　　 (3)提出碎石排水層抗液化方法并試驗其效果
　　 本文提出地下結構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。作地

6、下結構普通場地、地下結構碎石排水層場地液化數(shù)值試驗，研究了碎石排水層法液化場的液化分布特性，驗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結構的動力特性變化。試驗結果表明，液化場中地下結構周圍設置碎石排水層，結構周圍則不會液化，結構遠處液化場中的超靜水壓力顯著降低，結構不出現(xiàn)上浮，水平漂移減小。碎石排水層加大了結構與碎石的整體質量和剛度，增加了結構的穩(wěn)定性。
　　 (4)統(tǒng)一雙剪損傷混凝土本構模型的開發(fā)
　　

7、 為滿足采用FLAC3D模擬分析大開地鐵車站的動力反應特性以及震害機理研究的需要，以俞茂宏統(tǒng)一雙剪理論和Mazars損傷理論為基礎，研究了統(tǒng)一雙剪本構模型在有限差分方法中應用的理論實現(xiàn)格式。推導了屈服面應力空間區(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度、剛度等參數(shù)發(fā)生相應折減的雙剪損傷本構模型Twin-Shear-Damage_Model。編制了相應的UDM接口程序。
　　 (5)液化場大開地鐵車

8、站阪神地震動力響應研究
　　 神戶大開地鐵車站場地土質為砂礫石土，阪神地震的特點是礫石液化，阪神地震不能排除大開地鐵車站場地發(fā)生液化，本文開展液化場大開地鐵車站地震反應數(shù)值試驗分析，探索液化場對大開車站結構內力的影響。結果表明，大開車站結構周邊場地出現(xiàn)瞬時液化現(xiàn)象沒有連續(xù)液化現(xiàn)象，液化場結構中柱加速度放大異常顯著，結構加速度反應顯示“音叉效應”。比較了液化場、彈性場大開地鐵車站地震反應的差別，結果顯示，雖然液化場中結構加速度反應

9、大于彈性場，但彈性場地中結構內力要大于液化場結構內力，揭示了液化場地下結構動力反應的這種特殊性。分析了豎向地震動對大開車站動力反應的影響，試驗顯示豎向地震加劇了大開車站的破壞。試驗了結構與土體接觸剛度大小對結構加速度反應、結構內力的影響，試驗表明接觸剛度對接觸面加速度反應影響很大。試驗了結構塑性狀態(tài)發(fā)展過程，驗算了大開車站中柱軸壓比及斜截面抗剪承載力，計算表明，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