小議地鐵地基液化變形的影響因素

1、小議地鐵地基液化變形的影響因素 摘要：研究了一些對(duì)地鐵隧道杭震德定有校大影響的因素。例知，地鐵隨過(guò)的整體平均容重和地鐵隧道的理深，盡管它們對(duì)地基的孔陳水壓力發(fā)展影響不大，但卻對(duì)地鐵隧道的震后殘余變形影響相當(dāng)顯著。還有，砂性土中粘性土的含量多少對(duì)砂性土的動(dòng)力行為有直接而顯著的影響。最后，從能量的角度分析了輸入不同地震波的地鐵地基土層動(dòng)力反應(yīng)的差異。 關(guān)健詞：地鐵地基；有效應(yīng)力分析；地震液化；殘余變形 地鐵作為城市交通重要的載體之一，保證其穩(wěn)定性具有非常重要的意義。本文根據(jù)Zienkiewicz等人的將動(dòng)孔壓擴(kuò)散和消散與動(dòng)力反應(yīng)相藕合的理論1，結(jié)合南京市地鐵地基地震液化變形及抗震減災(zāi)措施研究項(xiàng)目，

2、對(duì)南京地鐵進(jìn)行地震荷載作用下的有限單元法有效應(yīng)力分析。南京地鐵典型計(jì)算斷面及有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖1。計(jì)算中采用較為復(fù)雜但能較好地模擬砂土特性的多重剪切機(jī)構(gòu)模型，關(guān)于模型介紹及計(jì)算參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)2。本文研究了一些對(duì)地鐵隧道抗震穩(wěn)定有較大影響的因素。例如，地鐵隧道的整體平均容重和地鐵隧道的埋深，盡管它們對(duì)地基的孔隙水壓力發(fā)展影響不大，但它們卻對(duì)地鐵隧道的震后殘余變形影響相當(dāng)顯著。還有，砂性土中粘性土的含量多少對(duì)砂性土的動(dòng)力行為有直接而顯著的影響。最后，從頻率和能量的角度分析了輸入不同地震波導(dǎo)致地鐵地基土層動(dòng)力反應(yīng)的顯著差異3。 1地鐵浮容重的影響 由于地鐵隧道的開(kāi)挖，隧道附近土體應(yīng)力有所釋放，整個(gè)地鐵隧道的

3、平均容重將小于水的容重，使得地鐵隧道在地震過(guò)程中產(chǎn)生相對(duì)較大的向上的位移。對(duì)地鐵地基進(jìn)行有限元有效應(yīng)力模擬分析，結(jié)果表明加大地鐵隧道的整體重量可明顯地減少隧道的殘余變形，因此它可作為一種經(jīng)濟(jì)可行的構(gòu)造措施運(yùn)用于地鐵的設(shè)計(jì)。計(jì)算時(shí)取地鐵隧道上方頂點(diǎn)殘余變形作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，地鐵容重對(duì)隧道震后殘余變形的影響是顯著的，可近似認(rèn)為它們之間呈線形關(guān)系。 在7度地震作用下，在南京地鐵地基隧道頂部及拱腰處將發(fā)生局部液化現(xiàn)象，加大地鐵容重，可有效降低地鐵隧道的殘余變形。特別當(dāng)可液化砂層較厚，由于施工機(jī)械等原因振動(dòng)碎石樁無(wú)法穿透可液化砂層時(shí)，或即使施工上不存在問(wèn)題但也由于經(jīng)濟(jì)方面的原因使

4、得無(wú)法全部穿透可液化砂層時(shí)，可考慮適當(dāng)?shù)丶哟蟮罔F隧道容重來(lái)減少震后殘余變形，從而獲得較大地基抗液化變形穩(wěn)定效果，增加地震地基液化時(shí)的隧道抗上浮能力。 2砂性土中粘性土含量的影響 在粘性土層中即使孔壓達(dá)到了圍壓，也不會(huì)出現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象，其主要原因是粘性土的結(jié)構(gòu)性比較強(qiáng)，顆粒之間有較強(qiáng)的粘結(jié)作用。在強(qiáng)度指標(biāo)中反映此作用的是粘結(jié)力，故而筆者設(shè)想如果砂性土中含有較多的粘性土應(yīng)該對(duì)砂土中的孔隙水壓力發(fā)展有抑制作用，于是在進(jìn)行有限元有效應(yīng)力模擬分析時(shí)，修改了土的剪脹參數(shù)。 從圖3中可以看出，隨著粘性土含量的增加，隧道頂點(diǎn)水平殘余變形和豎向殘余變形都大幅度下降，但當(dāng)粘性土含量從10寫(xiě)增加到20%時(shí)，殘余變形

5、并不明顯減少或基本保持不變，表現(xiàn)為較多的粘性土的性質(zhì)。從機(jī)理上來(lái)說(shuō)，砂性土中的粘性土含量較少時(shí)，顆粒與顆粒之間的接觸基本上發(fā)生在砂性土顆粒之間，因此這種類(lèi)型的土基本上表現(xiàn)出了砂土的性質(zhì)；當(dāng)粘性土含量增加，粘性土微小的顆粒將不斷包裹砂土顆粒，使砂性土之間的孔隙被粘性土填充，從微觀上來(lái)看此時(shí)的砂土已從整體上表現(xiàn)出來(lái)粘性土性質(zhì)，其抗液化能力將大幅度提高。 3地鐵隧道埋深的影響 根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，場(chǎng)地上覆壓力減少，將增加場(chǎng)地液化的可能性。為此，本文分別對(duì)埋深為16m和10m的同一隧道，進(jìn)行有效應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從中可知，隧道埋深淺對(duì)地鐵工程的抗震穩(wěn)定性是不利的，震后殘余變形基本上增加了

6、1倍。此結(jié)果筆者認(rèn)為首先是液化區(qū)易出現(xiàn)在淺層或孔隙水壓力在淺層發(fā)展最快所造成的；其次是隧道埋深減少使得其上覆有效壓力大幅下降造成的。這兩方面的原因，導(dǎo)致地鐵隧道這種整體較輕的結(jié)構(gòu)在地基液化的情況下產(chǎn)生更大的震后殘余位移。 4輸入不同的地震波影響分析 在大壩中，土石壩的基頻與其剛度及壩高有關(guān)，剛度大者基頻亦大，壩高則與基頻成反比例。壩的剛度取決于動(dòng)模量的大小，而動(dòng)模量又隨著動(dòng)應(yīng)變幅的增大而非線形減少。很明顯，地基中也存在一個(gè)系統(tǒng)基頻問(wèn)題，輸人不同的地震波則系統(tǒng)的基頻不一樣。如果地震波的卓越頻率接近于系統(tǒng)的基頻，則地基的地震反應(yīng)最大。于是筆者對(duì)唐山地震波、臺(tái)灣地震波、蘇南核電站地震波和美國(guó)地震波作

7、了頻譜分析，以了解各地震波的卓越頻率及其對(duì)地基地震的動(dòng)力反應(yīng)的影響。 當(dāng)輸人蘇南地震波、唐山地震波、臺(tái)灣地震波和美國(guó)地震波時(shí)(其最大水平加速度幅值amax二均調(diào)整為。19)，地基地表的最大水平加速度分別為0.731m/s2,0.933m/s2,1.22m/s2和0.901m/s2，與計(jì)算斷面的底層輸人的最大加速度。.l9的比值分別為0.731,0.933,1.22和0.9010上述反應(yīng)說(shuō)明：輸人臺(tái)灣地震波時(shí)，地基的反應(yīng)最大；輸人蘇南地震波時(shí)，地基的反應(yīng)最小。為了解不同地震波對(duì)地基反應(yīng)的差異，對(duì)這4條地震波進(jìn)行了頻譜分析。 地震過(guò)程a(t)可以展開(kāi)為N個(gè)不同頻率的組合，并可用復(fù)數(shù)形式表示為：a(

8、t)為輸人地震波的時(shí)程線，t1為地震結(jié)束時(shí)刻。 頻域中的富立葉譜A(iw)與時(shí)域中的地震加速度過(guò)程a(t)是完全等效的。通過(guò)對(duì)唐山、臺(tái)灣、蘇南、美國(guó)這4條地震波的時(shí)程曲線作富立葉變換，可得圖5圖8，其中橫坐標(biāo)為頻率f(Hz)，縱坐標(biāo)為富立葉幅譜，單位為g?s。從圖5圖8中，可以看出，各地震波的卓越頻率fo相差較大，計(jì)算各地震波的動(dòng)力反應(yīng)顯然不一樣。唐山地震波表現(xiàn)為沖擊型地震波；臺(tái)灣地震波有兩個(gè)峰值，表明臺(tái)灣地震波有兩次比較強(qiáng)的震動(dòng)；蘇南核電站地震波表現(xiàn)比較平緩，震動(dòng)次數(shù)比較多且幅值較均勻，屬于振動(dòng)型地震；美國(guó)圣費(fèi)爾南多地震波則介于兩者之間。 將時(shí)域里的地震波轉(zhuǎn)換到頻域里的地震波將是完全等效的，

9、變形和孔隙水壓力的增長(zhǎng)應(yīng)該是地基在地震作用下不斷損傷的結(jié)果，這種損傷是它所消耗能量的反應(yīng)。所以，可以從地震的富立葉頻譜圖曲線所圍成的面積即地震波的能量，來(lái)分析輸人不同地震波的土層反應(yīng)差異，很顯然臺(tái)灣地震波的能量相當(dāng)大，因此它的破壞性也就最強(qiáng)。 (1)由于地鐵隧道的整體平均重度比較輕，在地震砂土液化過(guò)程中，產(chǎn)生了對(duì)隧道上浮作用，隧道的最終豎向殘余變形表現(xiàn)為向上的位移。因此，如果在地鐵隧道的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程采取增加隧道整體平均重度和加大地鐵隧道的埋深等構(gòu)造措施，將能夠減少隧道的震后殘余變形、增加地鐵地基抗震穩(wěn)定性的。 (2)砂土的上覆土壓力對(duì)其在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)穩(wěn)定性是有直接關(guān)系的。本文分別分析了地

10、鐵隧道埋深為10m和16m的情況，發(fā)現(xiàn)埋深10m的隧道頂部震后殘余變形將是埋深16m時(shí)的2倍。 (3)粘性土的含量對(duì)砂性土的性質(zhì)影響較大，粘性土含量的增加，能顯著地抑制在地震荷載作用下地基孔隙水壓力的發(fā)展，最終的隧道殘余變形也大幅度地降低。但粘性土含量的增加到一定的比例時(shí)，砂土層中的地震孔隙水壓力已基本上降到很小(孔壓比小于0.2)，再增加粘性土含量將不能起到有效的作用，因此存在粘性土含量的有效界限問(wèn)題。 (4)本文對(duì)幾條地震波進(jìn)行了富立葉變換處理，即將地震波從時(shí)域中變換到頻域。通過(guò)分析，認(rèn)為不同的輸入地震波具有不同的卓越頻率，越接近隧道地基系統(tǒng)的卓越頻率，其地震反應(yīng)越大。而且各地震波的能量是不一樣的，臺(tái)灣地震波所具備的能量是最大的，這與直接輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)分析的結(jié)果是一致的。 參考文獻(xiàn)： 1Zienkiewicz.SoilandothersaturatedmediaundextransientdynamicconditionsA.PandeGN，ZienkiewiczOC,eds.SoilMechanics-TransientandCyclicLoadingsC.London；JohnWileyandSon.1982.I-16。 2森田年一，井合