埋深對地下結(jié)構(gòu)地震液化響應(yīng)影響

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1、埋深對地下結(jié)構(gòu)地震液化響應(yīng)的影響摘　要:應(yīng)用非線性液固兩相體動力有限元方法研究飽和可液化土中地下結(jié)構(gòu)在水平地震作用下埋深的響應(yīng)。分析了地震液化情況下地下結(jié)構(gòu)埋深對于結(jié)構(gòu)上浮、加速度、水平位移以及響應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,討論了非液化土中地鐵地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)隨埋深的影響。結(jié)果表明,埋深的增加可以減少地鐵地下結(jié)構(gòu)由于土體液化所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)上浮;同時,雖然地下結(jié)構(gòu)地震作用所導(dǎo)致的內(nèi)力隨著埋深的增加有小幅度的上升,但由于深埋地鐵地下結(jié)構(gòu)的強度往往比淺埋的為高,因此在相同水平地震的作用下,淺埋地鐵結(jié)構(gòu)可能更加危險。關(guān)鍵詞:地下結(jié)構(gòu);液化;埋深在地震作用下,地下結(jié)構(gòu)在不同埋深情

2、況下的地震響應(yīng)不同,而位于飽和可液化土中的地下結(jié)構(gòu),由于地震液化的作用,其在不同埋深下的響應(yīng)更加復(fù)雜。對于埋深影響的研究,目前基本局限于非液化土中的地下結(jié)構(gòu)[1],而對于飽和可液化土中的大型地鐵地下結(jié)構(gòu)的研究目前尚為空白。本文在文[2]的基礎(chǔ)上,應(yīng)用非線性固液兩相體動力有限元方法,以地鐵車站為例研究在水平地震作用下地下結(jié)構(gòu)在不同埋深下的地震液化響應(yīng)。作為比較,本文還將分析在非液化土中地鐵地下結(jié)構(gòu)地震作用的埋深影響。通過10計算分析,解釋了地下結(jié)構(gòu)的計算地震內(nèi)力隨埋深略有增加,而其震害往往隨埋深增大而減小這一貌似矛盾的現(xiàn)象。1有限元模型本文所采用的有限元模型與

3、文[2]所采用的模型類似。分析所用軟件為非線性液固兩相體動力有限元軟件DIANA-SWANDYNEII[3]。假定土體為飽和松砂,砂土的動力特性應(yīng)用Pastor-ZienkiewiczIII廣義塑性模型模擬[4],所采用的模型參數(shù)見表1[5]。飽和土與地下結(jié)構(gòu)的接觸面應(yīng)用可模擬滑移、脫開以及閉合等非線性特性的薄層滑移單元模擬,其本構(gòu)特性遵循Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則,模型參數(shù)如表1所示。假定地下結(jié)構(gòu)的材料為線彈性,彈模為3.0×107kPa,Poisson比為0.2。10計算模型的尺寸為300m×70m。共研究了4種不同的埋深:4m

4、、7m、10m和13m。為了具備可比性,各個模型的網(wǎng)格除了地下結(jié)構(gòu)的位置不一樣以外,其他完全一致。圖1給出了埋深為10m時的網(wǎng)格。飽和土體中的固相與液相為8—4組合的平面應(yīng)變等參元,滑移單元也用8—4組合的平面應(yīng)變等參元進行模擬,而地下結(jié)構(gòu)的有限元為8結(jié)點固體等參元。進行非液化土分析時,模型的網(wǎng)格與耦合分析的網(wǎng)格一致,只是在同一位置的單元為8結(jié)點等參固相單元。模型的底部邊界為剛性邊界,側(cè)面邊界為捆綁邊界,即左右邊界相同標(biāo)高點的位移一致。地震波由模型底部以水平剪切波的形式輸入,所用的地震為折減的1995年神戶地震的東西分量,地震持續(xù)時間t=30s,地震的峰值強

5、度折減為0.3g,周期特性保持不變,輸入地震波如圖2所示。土體的阻尼除了動力本構(gòu)模型所模擬的滯回阻尼以外,考慮5%的Rayleigh阻尼;地下結(jié)構(gòu)的阻尼為5%的Rayleigh阻尼。4個模型的Rayleigh阻尼是一致的。在動力分析之前,進行靜力分析,獲得地下結(jié)構(gòu)及土體在自重作用下的應(yīng)力及靜水壓力,作為動力分析的初始條件。進行靜力分析時,忽略施工等因素的影響,也沒有考慮地下結(jié)構(gòu)所受的其他荷載。2埋深對上浮響應(yīng)的影響地鐵地下結(jié)構(gòu)在地震液化作用下的上浮響應(yīng)是一種嚴重的破壞,必須采取措施予以控制。下面討論埋深對于地鐵地下結(jié)構(gòu)上浮響應(yīng)的影響。10圖3給出了在不同埋深

6、下,地鐵車站上浮的比較。由圖3a可以看出,地鐵上浮隨時間的變化趨勢基本相似,但隨著埋深h的增大,結(jié)構(gòu)的上浮量d明顯減少。由圖3b還可看出,上浮量d與埋深h基本成線性關(guān)系,在埋深為4m時,上浮量達44cm,而埋深為13m時,上浮量才17.6cm。這個結(jié)果說明,埋深對于緩解地震液化的上浮破壞是有很大幫助的。其原因是由于土層的液化程度隨著深度的增加而減小,從而減少由于土體液化而導(dǎo)致的上浮量。圖4給出的是地鐵車站中軸線正下方4.9m處不同埋深的歸一化超靜水壓u/σ′v0的時程曲線,可以看出該處土體的液化程度隨著埋深的增加而減少。3結(jié)構(gòu)的加速度與水平位移在地震液化情況

7、下,地下結(jié)構(gòu)上的加速度與水平相對位移受埋深的影響不大。圖5a給出了地鐵頂部中點的最大加速度amax與埋深h的關(guān)系;而圖5b所示為地鐵左側(cè)墻頂板位置與底板位置之間的最大相對位移可以看出,隨著埋深的加大,水平相對位移與加速度都有一定的增加,但幅度不大。4結(jié)構(gòu)內(nèi)力10本文所進行的分析為平面應(yīng)變分析,因此所研究的內(nèi)力為分析平面內(nèi)的內(nèi)力沒有考慮地鐵縱向的內(nèi)力。由于本文地下結(jié)構(gòu)用實體單元進行模擬,其內(nèi)力由位移結(jié)果間接得到,所采用的方法參見文[2]。地鐵車站結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的交接處。圖6所示為地鐵車站一些部位的最大彎矩Mmax,最大軸力Nmax和最大剪力Qmax

8、。為了能夠清楚的了解埋深對地震作用的影響,圖中給出了