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1、埋深对地下结构地震液化响应的影响摘 要:应用非线性液固两相体动力有限元方法研究饱和可液化土中地下结构在水平地震作用下埋深的响应。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。结果表明,埋深的增加可以减少地铁地下结构由于土体液化所导致的结构上浮;同时,虽然地下结构地震作用所导致的内力随着埋深的增加有小幅度的上升,但由于深埋地铁地下结构的强度往往比浅埋的为高,因此在相同水平地震的作用下,浅埋地铁结构可能更加危险。关键词:地下结构;液化;埋深在地震作用下,地下结构在不同埋深情况下的地震响应不同,
2、而位于饱和可液化土中的地下结构,由于地震液化的作用,其在不同埋深下的响应更加复杂。对于埋深影响的研究,目前基本局限于非液化土中的地下结构[1],而对于饱和可液化土中的大型地铁地下结构的研究目前尚为空白。本文在文[2]的基础上,应用非线性固液两相体动力有限元方法,以地铁车站为例研究在水平地震作用下地下结构在不同埋深下的地震液化响应。作为比较,本文还将分析在非液化土中地铁地下结构地震作用的埋深影响。通过计算分析,解释了地下结构的计算地震内力随埋深略有增加,而其震害往往随埋深增大而减小这一貌似矛盾的现象。1有限元模型9本文所采用的有限元模型与文[2]所采用的模型类似。分析所用软件为非
3、线性液固两相体动力有限元软件DIANA-SWANDYNEII[3]。假定土体为饱和松砂,砂土的动力特性应用Pastor-ZienkiewiczIII广义塑性模型模拟[4],所采用的模型参数见表1[5]。饱和土与地下结构的接触面应用可模拟滑移、脱开以及闭合等非线性特性的薄层滑移单元模拟,其本构特性遵循Mohr-Coulomb破坏准则,模型参数如表1所示。假定地下结构的材料为线弹性,弹模为3.0×107kPa,Poisson比为0.2。计算模型的尺寸为300m×70m。共研究了4种不同的埋深:4m、7m、10m和13m。为了具备可比性,各个模型的网格除了地下结构的位置不一样以外,其
4、他完全一致。图1给出了埋深为10m时的网格。饱和土体中的固相与液相为8—4组合的平面应变等参元,滑移单元也用8—4组合的平面应变等参元进行模拟,而地下结构的有限元为8结点固体等参元。进行非液化土分析时,模型的网格与耦合分析的网格一致,只是在同一位置的单元为8结点等参固相单元。模型的底部边界为刚性边界,侧面边界为捆绑边界,即左右边界相同标高点的位移一致。地震波由模型底部以水平剪切波的形式输入,所用的地震为折减的1995年神户地震的东西分量,地震持续时间t=30s,地震的峰值强度折减为0.3g,周期特性保持不变,输入地震波如图2所示。9土体的阻尼除了动力本构模型所模拟的滞回阻尼以外
5、,考虑5%的Rayleigh阻尼;地下结构的阻尼为5%的Rayleigh阻尼。4个模型的Rayleigh阻尼是一致的。在动力分析之前,进行静力分析,获得地下结构及土体在自重作用下的应力及静水压力,作为动力分析的初始条件。进行静力分析时,忽略施工等因素的影响,也没有考虑地下结构所受的其他荷载。2埋深对上浮响应的影响地铁地下结构在地震液化作用下的上浮响应是一种严重的破坏,必须采取措施予以控制。下面讨论埋深对于地铁地下结构上浮响应的影响。图3给出了在不同埋深下,地铁车站上浮的比较。由图3a可以看出,地铁上浮随时间的变化趋势基本相似,但随着埋深h的增大,结构的上浮量d明显减少。由图3b
6、还可看出,上浮量d与埋深h基本成线性关系,在埋深为4m时,上浮量达44cm,而埋深为13m时,上浮量才17.6cm。这个结果说明,埋深对于缓解地震液化的上浮破坏是有很大帮助的。其原因是由于土层的液化程度随着深度的增加而减小,从而减少由于土体液化而导致的上浮量。图4给出的是地铁车站中轴线正下方4.9m处不同埋深的归一化超静水压u/σ′9v0的时程曲线,可以看出该处土体的液化程度随着埋深的增加而减少。3结构的加速度与水平位移在地震液化情况下,地下结构上的加速度与水平相对位移受埋深的影响不大。图5a给出了地铁顶部中点的最大加速度amax与埋深h的关系;而图5b所示为地铁左侧墙顶板位置
7、与底板位置之间的最大相对位移可以看出,随着埋深的加大,水平相对位移与加速度都有一定的增加,但幅度不大。4结构内力本文所进行的分析为平面应变分析,因此所研究的内力为分析平面内的内力没有考虑地铁纵向的内力。由于本文地下结构用实体单元进行模拟,其内力由位移结果间接得到,所采用的方法参见文[2]。地铁车站结构最大内力出现于结构构件的交接处。图6所示为地铁车站一些部位的最大弯矩Mmax,最大轴力Nmax和最大剪力Qmax。为了能够清楚的了解埋深对地震作用的影响,图中给出了单纯地震作用与地震与静力共同作
