地下穿越工程包括上穿講訴

1、不同夾層土厚度對垂直交叉地鐵車站地震響應的影響分析李積棟，陶連金，安軍海(北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124)摘要：為了探究不同夾層土厚度對垂直交叉地鐵車站地震響應的影響，進行地鐵車站振動臺試驗。介紹試驗設計方案、給出不同夾層土厚度情況下車站模型結(jié)構(gòu)和土層動力反應的量測結(jié)果，并與單體上層車站的動力反應進行對比。試驗數(shù)據(jù)表明：(1)不同夾層土厚度的交叉組合地鐵車站與單體車站結(jié)構(gòu)的地震響應特性大致相同，即隨著輸入地震波強度的增加，模型結(jié)構(gòu)動力反應越明顯；(2)下層地鐵車站的存在對地震波有吸收作用，使得土層及模型結(jié)構(gòu)各測點動力反應明顯減小，同時，隨著不同夾層土厚度增

2、加，下層車站結(jié)構(gòu)與基巖面距離減小，對地震波的吸收作用減小，土層及模型結(jié)構(gòu)各測點動力反應逐漸增大；(3)當上下2個地鐵車站結(jié)構(gòu)間存在一定夾層土厚度時，夾層土可以減弱兩車站間的相互作用，其動力反應規(guī)律接近單體地鐵車站，當2個地鐵車站結(jié)構(gòu)密貼時，兩車站間相互作用明顯，動力反應與單層車站結(jié)構(gòu)有所差異。關鍵詞：土力學；地鐵車站；振動臺；夾層土；地震響應；相互作用中圖分類號：TU 44 文獻標識碼：A 文章編號：10006915(2015)增2000008IMPACT ANALYSIS OF INTERLAYER SOIL THICKNESS ON THE SEISMIC RESPONSE OF SQUA

3、RE CROSSING SUBWAY STATIONSLI Jidong，TAO Lianjin，AN Junhai(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)Abstract：Shaking table tests of subway transfer station with different thickness interlining soils were

4、performed to investigate the seismic response behavior of the square crossing subway station. The design of tests were presented，some results of dynamic response about subway transfer station，which with different thickness interlining soils，were provided and compared with the dynamic response of sin

5、gle subway station. Experimental data indicate that：(1) Seismic response of these subway transfer stations are roughly same with that of single subway station，the dynamic response of soil and structure is more obvious with intensity of inputting seismic wave increases. (2) A part of spreading seismi

6、c wave are absorbed by the under subway station structure，making dynamic response of soil and station structure decreases obviously. Meanwhile，with interlayer soil thickness increases and the distance between lower station structure and bedrock surface decreases，the absorbed seismic waves decrease g

7、radually and the dynamic response of soil and station structure increases obviously. (3) Due to interlayer soil is able to decrease the interaction of the two station，dynamic response rules of subway transfer station is similar to single subway station. The two stations，which closely attached each o

8、ther，are interaction obviously，and its dynamic response rules is different from that of single subway station.Key words：soil mechanics；subway station；shaking table；interlayer soil；seismic response；interaction1 引 言隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，必然導致新建地下工程穿越既有線路越來越多，車站的空間交錯結(jié)構(gòu)越來越普遍1-3。目前主要地下穿越工程主要有上穿、下穿和側(cè)穿，其中下穿施工難度最大，而

9、傳統(tǒng)的下穿施工多保留210 m的夾層土，以減小既有上層結(jié)構(gòu)的變形4-5。由于后建地鐵地下工程的修建改變了原有建(構(gòu))筑物周邊的地層條件，在地震動作用下2個地下結(jié)構(gòu)之間必然存在相互作用關系，從而使后建地鐵地下結(jié)構(gòu)對先建地鐵地下結(jié)構(gòu)的地震反應特性產(chǎn)生顯著的影響6-8。目前已有部分專家學者開始關注地下空間組合地鐵車站的抗震性能，并做了相應的研究9-10。但多局限于數(shù)值模擬計算，由于參數(shù)選取和計算方法的不同，其獲得的結(jié)果也往往差異很大11；也有個別空間組合結(jié)構(gòu)振動臺試驗，但由于模型箱太小，難以消除邊界效應等影響，試驗結(jié)果可靠性有待商榷12。本文采用改進的矩形懸掛式層狀柔性剪切箱，依托北京地鐵公主墳換乘

10、車站，開展不同夾層土厚度情況下地下空間組合地鐵車站振動臺模型試驗，研究不同夾層土厚度對垂直交叉地鐵車站地震響應的影響。2 試驗設計2.1模型箱本試驗使用設備為美國MTS公司生產(chǎn)的電液伺服驅(qū)動地震模擬振動臺，其主要技術指標為：臺面尺寸3.0 m×3.0 m。根據(jù)試驗條件限制，采用的是改進的矩形懸掛式層狀柔性剪切型(見圖1)，以便最大地獲得有利用價值的平面尺寸，減小模型箱重量，節(jié)約造價。模型箱采用了凈容積為2.5 m×1.5 m×1.1 m模型箱，側(cè)壁采用了2層4 mm的橡膠，以便減小箱壁處產(chǎn)生反射波和散射波。同時在模型箱底部鋼板和橡膠側(cè)壁表面各黏置了一層粗砂以增大摩

11、擦力，保證振動過程中模型箱與模型土體之間的整體一致性。圖1 矩形懸掛式層狀柔性剪切型Fig.1 Rectangle suspension laminar shear model box2.2試驗相似比動力相似問題可以通過量綱分析來確定各種物理量之間的關系13-14。根據(jù)Bockingham 定理，結(jié)合振動臺性能及儀器相關限定參數(shù)，確定模型與原型以幾何相似比130、質(zhì)量密度相似比11及彈性模量相似比14為基礎相似比，根據(jù)相似準則推導出時間、頻率、應力、應變的相似比。2.3模型設計借鑒以往的振動臺結(jié)構(gòu)模型研究成果，采用微?；炷梁湾冧\鋼絲分別模擬車站結(jié)構(gòu)混凝土和配筋，并根據(jù)原形地鐵車站結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)

12、構(gòu)特點以及設計試驗相似比的要求，最終確定模型試驗尺寸。既有上層車站結(jié)構(gòu)模型長900 mm，寬670 mm，高260 mm，頂板厚35 mm，底板厚25 mm，邊墻厚33 mm，中柱橫截面直徑為30 mm，中柱間距為120 mm。新建下層車站結(jié)構(gòu)模型長840 mm，寬444 mm，高278 mm，頂板厚36 mm，底板厚40 mm，邊墻厚28 mm，中柱橫截面直徑為25 mm，中柱間距為120 mm。其中在模型箱中上層車站覆土厚度為15 cm。制作完成的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。(a) 既有上層地鐵車站 (b) 新建下層地鐵車站圖2 地鐵車站結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of s

13、ubway station2.4模型土體模型土體選用北京地鐵6號線新華大街站施工基坑中埋深為1315 m的粉細砂，試驗前需去除土體中的雜質(zhì)和較大土顆粒。試驗中采用分層夯實法和靜壓法相結(jié)合制備模型土。根據(jù)設計相似比，采用忽略重力模型計算。2.5傳感器布置根據(jù)試驗目的確定所需傳感器有加速度傳感器、拉線式位移傳感器、應變片以及土壓力傳感器。傳感器布置如圖3所示。(a) 土層中加速度計布置(a)上層結(jié)構(gòu)加速度布置 (c)上層結(jié)構(gòu)應變片布置 (d)下層結(jié)構(gòu)加速度布置 (e)下層結(jié)構(gòu)應變片布置圖3傳感器布置圖Fig.3 Layout of sensor arrangement 2.6地震波加載方案本試驗采

14、用Kobe波、公主墳站人工波、汶川臥龍譚波作為振動臺輸入地震波，3種地震波加速度時程曲線和傅里葉頻譜曲線如圖4所示。(a)Kobe波加速度時程曲線及傅氏譜(b)公主墳人工地震波加速度時程曲線及傅氏譜 (c)臥龍?zhí)兜卣鸩铀俣葧r程曲線及傅氏譜圖3-10輸入地震波時程曲線及傅氏譜Fig.3-10 Acceleration time-histories and Fourier spectra of bedrock ground motion2.7地震波加載本試驗通過改變地震波加速度峰值來分析不同地震動強度對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響。將原始地震波加速度峰值分別調(diào)至0.3g，0.6g，1.0g，1.4g，采用

15、逐級加載的方式施加在振動臺面上，并在地震波施加前和地震波加載結(jié)束后，均采用加速度峰值為0.1g的白噪聲進行掃描，以觀察模型體系的動力特性改變，其中開始激振前采用白噪聲掃描，可起到使模型土體密實的作用。地震波加載工況如表2所示。2.8工況設計為了對比分析不同夾層土厚度對既有地下地鐵車站地震響應的影響分析，本試驗設計了4個地鐵車站振動臺工況，如表3所示。以圖3(a)中密貼工況(即工況)請作者核實有無錯誤？2個車站結(jié)構(gòu)位置關系為基準，分別使下層車站的埋深增加5cm和10 cm，得到JC5和JC10工況。表2 地震波加載工況Table 2 Loading method of different sei

16、smic waves序號輸入波類型加載編號輸入方向峰值加速度/g1白噪音FB1水平0.12公主墳站人工波FG1水平0.33kobe波FK1水平4汶川臥龍?zhí)恫‵W1水平5白噪音FB2水平0.16公主墳站人工波FG2水平0.67kobe波FK2水平8汶川臥龍?zhí)恫‵W2水平9白噪音FB3水平0.110公主墳站人工波FG3水平1.011kobe波FK3水平12汶川臥龍?zhí)恫‵W3水平13白噪音FB4水平0.114公主墳站人工波FG4水平1.415kobe波FK4水平16汶川臥龍?zhí)恫‵W4水平表3 試驗工況Table 3 Test conditions工況編號工況類型輸入方向構(gòu)件布置D單體車站水平單體地鐵

17、車站JC0交叉車站水平密貼垂直交叉車站JC5交叉車站水平垂直交叉車站，夾層土厚5 cmJC8交叉車站水平垂直交叉車站，夾層土厚10 cm5.2不同凈距垂直交叉組合地鐵車站振動臺試驗5.2.1加速度反應分析地震波作用下模型體系各測點的加速度峰值隨著輸入地震波強度的增加而增大，加速度放大系數(shù)大致隨著地震波強度的增加而減小。相同強度地震波作用下，D工況中結(jié)構(gòu)模型各測點的加速度峰值最大，JC0工況中加速度峰值最?。粚τ谌N不同凈距的垂直交叉組合地鐵車站結(jié)構(gòu)工況而言，隨著上下兩車站凈距的增加，即下層結(jié)構(gòu)模型與基巖面（模型箱底板）距離的減小，下層結(jié)構(gòu)模型對模型土體和既有結(jié)構(gòu)模型的振動特性影響程度降低，測點

18、的加速度峰值逐漸增大，但三種交叉工況中結(jié)構(gòu)模型的加速度峰值均小于D工況的加速度峰值。四種工況中結(jié)構(gòu)模型加速度峰值對比，如圖所示。例如Kobe波作用下，當輸入地震波強度為0.3g時，四種工況邊墻結(jié)構(gòu)頂部測點JA1的加速度峰值分別為0.552g、0.463g、0.498g、0.527g，相比D工況，三種交叉工況中邊墻結(jié)構(gòu)頂部測點JA1的加速峰值分別減小了19.30%、10.88%、4.74%，而相比JC0工況，JC5和JC10工況的加速峰值分別增大了7.60%、13.90%；當輸入地震波強度為1.0g時，四種工況中中柱結(jié)構(gòu)頂部測點JA4的加速度峰值分別為1.198、1.137、1.148、1.16

19、2，相比D工況，三種交叉工況中測點JA4的加速峰值分別減小了5.33%、4.36%、3.11%，而相比JC0工況，JC5和JC10工況的加速峰值分別增大了0.93%、2.16%。(a)測點JA1加速度峰值(b)測點JA3加速度峰值(c)測點JA4加速度峰值(d)測點JA6加速度峰值圖5-4 結(jié)構(gòu)模型加速度峰值Fig. 5-4 Peaking acceleration of structure model（3）下層結(jié)構(gòu)模型加速度反應當上下兩車站結(jié)構(gòu)模型存在一定凈距時，下層車站結(jié)構(gòu)模型的加速度峰值有所減小，但其減小的幅度相對較小，在3.8%9.8%之間。如圖5-5所示。 (c)FG2工況 圖5-5

20、 結(jié)構(gòu)模型加速度峰值Fig. 5-5 Peaking acceleration of structure model5.2.2水平位移反應分析隨著輸入地震波強度的增加，各測點的水平位移逐漸增大；隨著結(jié)構(gòu)模型埋置深度的減小，車站結(jié)構(gòu)各測點的水平位移值逐漸增大。對比四種工況發(fā)現(xiàn)，JC5工況和JC10 工況中結(jié)構(gòu)模型各測點的水平位移值均小于D工況，但大于JC0工況，如圖5-6所示。隨著上下兩結(jié)構(gòu)模型凈距（下層結(jié)構(gòu)模型埋深）的增大，結(jié)構(gòu)模型各測點的水平位移值逐漸增大，即D工況> JC10工況>JC5工況>JC0工況。與JC0工況相比，JC5工況和JC10工況中車站結(jié)構(gòu)模型各測點水平位

21、移增大的幅度隨著下層結(jié)構(gòu)模型埋置深度的增加而增大，如JC5-FK3工況中車站結(jié)構(gòu)測點D1、D2、D3的水平位移值分別增大了1.12倍、1.17倍、1.23倍；JC10- FK3工況中測點D1、D2、D3的水平位移值分別增大了1.22倍、1. 27倍、1.59倍。圖5-6不同工況下各測點水平位移 Fig.5-6 Horizontal displacement of points in different conditions不同工況車站邊墻結(jié)構(gòu)頂部測點D1相對于底部測點D3的最大相對水平位移值，如圖5-7所示。當下層車站結(jié)構(gòu)模型存在，既有上層車站結(jié)構(gòu)模型的相對位移有所增大，且隨著上下兩結(jié)構(gòu)凈距的

22、增加而增大，即JC10工況>JC5工況>JC0工況>D工況。輸入相同強度地震波，人工波作用下的相對水平位移最大，Kobe波次之，臥龍?zhí)恫ㄗ钚　?a) 輸入地震波強度為1.0g 圖5-7不同工況下各測點的水平位移值Fig.5-7 Horizontal displacement of points in different conditions隨著上下兩車站結(jié)構(gòu)模型凈距的增加，即下層結(jié)構(gòu)模型埋置深度的增加，測點D4的水平位移值有所減小，與上層結(jié)構(gòu)模型的水平位移變化規(guī)律相反。表5-1不同工況下各測點水平位移（單位：mm）Table 5-1 Horizontal displaceme

23、nt of points in different conditions (unit: mm)地震波測點JC0工況JC5工況JC10工況Kobe波D30.140.160.17D40.150.150.14人工波D30.20.210.22D40.220.190.17另外，JC0工況中，由于密貼上下兩車站結(jié)構(gòu)間的相互作用影響，使得兩結(jié)構(gòu)間存在一定的位移差值，且上層結(jié)構(gòu)模型底部的水平位移小于下層結(jié)構(gòu)模型頂部的水平位移。然而當上下兩結(jié)構(gòu)模型存在一定凈距時，上層結(jié)構(gòu)模型底部的水平位移大于下層結(jié)構(gòu)模型頂部的水平位移，這也與JC0工況的現(xiàn)象相反。主要原因是由于上下兩結(jié)構(gòu)模型存在一定凈距時，上下兩結(jié)構(gòu)模型分離，

24、其動力反應受上下兩結(jié)構(gòu)模型相互作用產(chǎn)生的影響減弱；另外，結(jié)構(gòu)模型的水平位移主要受周圍模型土體的影響，隨著下層結(jié)構(gòu)模型埋置深度增加，其水平位移也相應減小。不同工況，測點D3與D4的水平位移差，如圖5-7所示。(a)輸入地震波強度為1.0g 圖5-8測點D3與D4的水平位移差Fig.5-8 Horizontal displacement D-value between points D3 and D45.2.3應變反應分析隨著輸入地震波強度的增加，四種工況中各測點的應變幅值逐漸增大，對比分析三種不同凈距的垂直交叉組合工況中結(jié)構(gòu)的應變幅值可知，不同位置處的應變幅值變化規(guī)律不同，如圖5-10所示。Ko

25、be波作用下車站結(jié)構(gòu)模型各測點的應變幅值規(guī)律大致表現(xiàn)為:邊墻結(jié)構(gòu)頂部測點：JC10-SJ5應變幅值>JC5- SJ5應變幅值>JC0- SJ5應變幅值> D- SJ5應變幅值，SJ5的應變幅值隨著兩結(jié)構(gòu)模型凈距的增加而增大；邊墻結(jié)構(gòu)底部測點：JC0-SJ7應變幅值>D- SJ7應變幅值> JC5- SJ7應變幅值> JC10- SJ7應變幅值， SJ7的應變幅值隨著兩結(jié)構(gòu)模型凈距的增加而減?。恢兄Y(jié)構(gòu)頂部測點：D-ZJ1應變幅值>JC10- ZJ1應變幅值> JC5- ZJ1應變幅值> JC0- ZJ1應變幅值，ZJ1的應變幅值隨著兩結(jié)構(gòu)模

26、型凈距的增加而增大；中柱結(jié)構(gòu)底部測點：JC0- ZJ3應變幅值> D-ZJ3應變幅值> JC5- ZJ3應變幅值> JC10- ZJ3應變幅值，ZJ3的應變幅值隨著兩結(jié)構(gòu)模型凈距的增加而減小。JC5工況和JC10工況中，由于上下兩車站結(jié)構(gòu)模型間存在一定厚度的模型土體，而車站結(jié)構(gòu)模型的剛度遠大于模型土體的剛度，與密貼交叉組合工況不同，上下兩結(jié)構(gòu)模型為非剛性接觸，結(jié)構(gòu)模型各測點應變幅值分布規(guī)律，尤其是上層結(jié)構(gòu)底部各測點應變幅值分布規(guī)律與JC0工況相差較大，而與D工況測點應變幅值分布規(guī)律大致相同。(a)測點SJ5的應變幅值(b)測點SJ7的應變幅值(c)測點SZ1的應變幅值(d)測

27、點SZ3的應變幅值圖5-10不同工況下邊墻和中柱的應變幅值Fig.5-10 Strain amplitude of structure model in different conditions當上下兩車站結(jié)構(gòu)模型存在一定凈距時，下層車站結(jié)構(gòu)模型的應變幅值均有所減小，但不同部位應變幅值減小的幅度存在差異性。與JC0工況相比，JC5和JC10工況中，結(jié)構(gòu)模型頂部測點SX1和SX5的應變幅值減小的幅度相對較大，在15.7%25.8%之間；結(jié)構(gòu)模型底部測點SX2和SX7的應變幅值減小的幅度相對較小，在5.8%11.6%之間。JC0工況與JC5工況和JC10工況的應變幅值相差很大，而JC5工況與JC1

28、0工況兩者的應變幅值相差不大，該現(xiàn)象在下層結(jié)構(gòu)模型頂部尤為突出，如圖5-11所示。 (d)FG3工況圖5-11不同工況下邊墻和中柱的應變幅值Fig.5-11 Strain amplitude of structure model in different conditions綜上所述，在地鐵地下穿越工程設計中，當對既有結(jié)構(gòu)沉降量要求不嚴格（10mm以上），建議在地質(zhì)條件及周邊環(huán)境允許時，在上下兩車站間保留一定厚度的夾層土體，有利于提高建成后整體空間組合地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗震系能。參考文獻(References)：1 陳孟喬，楊廣武.新建地鐵車站近距離穿越既有地鐵隧道的變形控制J.中國鐵道學，201

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