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液化场地下结构抗震分析研究

何剑平  
【摘要】:很多大中城市位于河、海之滨,未来地铁建筑不可避免地穿越软弱土层、砂土层,例如我国南京、深圳等城市的地铁以及台北捷运系统中某些盾构隧道均遇到了可液化地层。砂土在强震作用下不可避免地产生液化现象,以往震害表明液化场地下结构遭受地震作用容易破坏,特别在强震作用下,土层的液化可能对地下结构产生极大的破坏作用。液化场地下结构都面临着因地基液化而上浮、震后不均匀沉陷以及隧道衬砌因地基液化导致的额外内力等发生破坏的危险。阪神地震清楚地表明,在地层可能发生较大变形和位移的部位,地铁等地下结构可能会出现严重震害。地下结构如地铁车站等是生命线工程的重要组成部分,其抗震问题已经成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要组成部分。液化状态下地下结构的抗震分析研究是个待解决的问题。本文研究液化场地下结构动力反应问题。本文的主要研究成果如下: (1)自由场典型液化特征揭示 首先研究自由场液化特征反应,应用Finn模型实现了自由场液化数值模拟试验。试验结果验证了砂土液化典型特征:超静孔隙水压升高、有效应力降低、体积压缩积累增大。试验证实了液化的隔振作用:砂土在液化状态变为流体,不能传递剪力,砂土位移、速度、加速度振幅显著降低。试验表明,激振频率对液化特性有很大影响,液化场动力反应典型的频率特性是“低频放大,高频滤波”。场地液化需要一定的能量输入,输入加速度小液化程度低,输入加速度大液化程度高。砂土相对密度对自由场液化影响较大,密实砂土液化程度低,松散砂土液化程度高。 (2)地下结构对液化场的反作用试验分析 从地下结构对液化场的反作用这一角度研究了结构的存在对场地液化的影响,揭示液化场-地下结构相互作用动力反应特性。通过在自由场中设置隔断墙构建非自由场,改变墙刚度,应用FLAC3D作系列非自由场液化数值模拟试验,研究地下结构刚度变化对场地液化的影响,揭示非自由液化场液化分布特征。试验结果显示,非自由液化场水平向不再同性,孔隙水压力呈现“此起彼伏”形状,结构周边近处形成低压区,离结构数米远形成高压区。相对于水平向同性的自由液化场,低压区液化度明显降低,约低40%,高压区液化度高于自由场。试验得出,结构抑制了近处土液化,结构又强化了远处土液化,结构刚度越大抑制范围越大,对远处液化的强化作用也越大,结构刚度越小抑制范围越小,对远处的强化作用也越小。本文进一步作了双隔断墙的方法验证了结构本身的抗液化机理。 (3)提出碎石排水层抗液化方法并试验其效果 本文提出地下结构碎石排水层抗液化措施,作了碎石排水层抗液化效果数值试验。作地下结构普通场地、地下结构碎石排水层场地液化数值试验,研究了碎石排水层法液化场的液化分布特性,验证了碎石排水层方法的抗液化效果,分析碎石排水层非自由液化场结构的动力特性变化。试验结果表明,液化场中地下结构周围设置碎石排水层,结构周围则不会液化,结构远处液化场中的超静水压力显著降低,结构不出现上浮,水平漂移减小。碎石排水层加大了结构与碎石的整体质量和刚度,增加了结构的稳定性。 (4)统一双剪损伤混凝土本构模型的开发 为满足采用FLAC3D模拟分析大开地铁车站的动力反应特性以及震害机理研究的需要,以俞茂宏统一双剪理论和Mazars损伤理论为基础,研究了统一双剪本构模型在有限差分方法中应用的理论实现格式。推导了屈服面应力空间区域分界面的公式。在FLAC3D环境中开发出可以考虑混凝土损伤后材料强度、刚度等参数发生相应折减的双剪损伤本构模型Twin-Shear-Damage_Model。编制了相应的UDM接口程序。 (5)液化场大开地铁车站阪神地震动力响应研究 神户大开地铁车站场地土质为砂砾石土,阪神地震的特点是砾石液化,阪神地震不能排除大开地铁车站场地发生液化,本文开展液化场大开地铁车站地震反应数值试验分析,探索液化场对大开车站结构内力的影响。结果表明,大开车站结构周边场地出现瞬时液化现象没有连续液化现象,液化场结构中柱加速度放大异常显著,结构加速度反应显示“音叉效应”。比较了液化场、弹性场大开地铁车站地震反应的差别,结果显示,虽然液化场中结构加速度反应大于弹性场,但弹性场地中结构内力要大于液化场结构内力,揭示了液化场地下结构动力反应的这种特殊性。分析了竖向地震动对大开车站动力反应的影响,试验显示竖向地震加剧了大开车站的破坏。试验了结构与土体接触刚度大小对结构加速度反应、结构内力的影响,试验表明接触刚度对接触面加速度反应影响很大。试验了结构塑性状态发展过程,验算了大开车站中柱轴压比及斜截面抗剪承载力,计算表明,大开车站破坏原因是中柱截面太小,中柱首先出现剪压破坏,后顶板出现塑性铰链而倒塌。


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