不同土層性質對地下結構地震響應規律分析

(沈陽建筑大學土木工程學院 遼寧 沈陽 110000)

引言

近些年世界的地質災害頻發，尤其地震災害，發生頻次多，災害及次生災害嚴重，自1955年在日本阪神地震中發現作為地下結構的地鐵車站也在此次地震中受到嚴重的破壞，后來關于地下結構的抗震問題引起了世界學者們的高度關注，隨著對地下結構研究越來越深入，地下結構理論也日趨完善，許多學者在研究中發現：受地質條件、水文條件、周圍環境等因素的影響，不同地區的地下結構的地震動力響應有很大的差別，這使得不同地區有相同的地下理論變的很困難。

本文通過GTS NX邁達斯巖土工程的有限元分析軟件，對沈陽某地鐵作為分析模型建立二維有限元模型，采用EL-Centro波，通過時程分析對地下結構進行地震響應分析，通過改變彈性模量來控制土的軟硬程度，通過不同的工況設計來研究土的軟硬對地下結構地震響應的影響，定性分析地質條件差異的影響。

一、工程概況

車站為矩形框架地下兩層三跨島式站臺車站，有效站臺寬度14米,車站長136米，標準段寬度為22米，盾構井段寬26.5米。車站頂板覆土約4m。沈陽地區的抗震設防烈度為7度，場地的震動峰值加速度選取0.10g，場地的設計特征周期T為0.35g,場地類別為Ⅱ類，且地下土層無液化現象。頂板、中板、底板、側墻、中柱均采用一維梁單元模擬且材料都采用C35混凝土，土體采用平面應變單元模擬。模型網格劃分及特征點布置見圖1。

圖1 模型特征點及網格劃分

二、元模型的建立

(一)基本假定：1.本文建立的三維模型是將土體-結構看成一個整體進行分析求解，地下車站結構與土體之間完全粘結，不考慮脫開和滑移;2.據相關勘察資料獲取了車站周圍土層不同范圍的特性，設定每一類土在該層的范圍內都是均質，層之間假定不發生脫離和相對滑動，界面滿足層間位移相互協調。

(二)土體選取范圍和邊界條件:GTS NX針對無限區域邊界新增加了自由場邊界可以模擬半無限狀態的邊界條件，并且指出選取地鐵車站寬度的3倍的土體范圍最為適宜。

(三)土體的本構關系:混凝土材料的本構關系采用線彈性模型，該模型認為材料在加載以及卸載時應力與應變成線性比例，完全卸載后無殘余變形。C35混凝土的彈性模量取3.15e4 MPa，泊松比取0.2。采用Mohr-Coulomb(莫爾-庫侖)模型來描述土體本構關系。

(四)阻尼設置:本文采用Rayleigh阻尼，在進行時程分析之前，先要對整個模型進行特征值分析，在特征值分析中邊界條件采用彈性邊界，底部為固定邊界，由時程分析結果可以得到特征周期，從而可以計算得到阻尼參數，本模型計算前十階的特征值。

(五)地震波的調整:根據規定地震波的選取須根據地震的頻譜特征、地震動的加速度峰值、地震動持續時間來進行調整。經過調整后的地震波如圖2。

圖2 調整后的.el-centro波加速度時程曲線

三、地鐵車站中部土層的性質差異對其地震響應的影響

車站中部上層土不變，隨著車站中部下層土彈性模量變化對地鐵車站的地震響應的影響具體參數見表1。車站中部下層土不變，隨著車站中部上層土彈性模量變化對地鐵車站的地震響應的影響具體參數見表2。

表1 工況1中不同土層的土參數表(Kpa)

表2 工況2中不同土層的土參數表(Kpa)

3.3結果如下：

圖3 車站頂底板相對位移

由1-1至1-3比較可以看出，當土層2土的彈性模量較小時，隨著土層3土的彈性模量的增加，車站的頂底板相對位移隨著土層3土的彈性模量的增加而變小，并且頂底板相對位移時程曲線因為土層3土的彈性模量變大其曲線波動變小，可見較大彈性模量的土對地震波有阻礙其傳播的作用，并且當土的彈性模量達到2e5時與1e6的時程曲線波動變化相近，工況1-1、1-2、1-3的頂底板相對位移最大值分別為65.5mm、31.6mm、20.9mm。從變化的幅度來看，可以看出當土的彈性模量達到一定值時，其對車站的地震響應的影響很相近。

圖4 柱沿高度的相對位移

1-1與1-2柱的最大相對位移差值29.2mm、1-2與1-3的相對位移最大差值15.2mm,兩者相差近兩倍，可見土的彈性模量達到一定值時，其對地鐵車站的地震響應的影響越來越相近。三種工況下柱的相對位移最大值分別為56mm、26.8mm、11.6mm，可見車站下層土的彈性模量的變化對車站地震響應的影響不容忽視。

圖5 特征點處的彎矩

內力變化可見變化較大的位置一般在中板、柱上的特征點，其他點幾乎沒有變化，主要是車站中部上下土的彈性模量變化引起的，變化最大的點是柱的下端，這主要是由于頂底板相對位移的變化引起的。

圖6 車站頂底板相對位移

由2-1至2-3比較可以看出，當土層2土的彈性模量較大時，土層3土的彈性模量越小，車站的頂底板相對位移變大，可見較小彈性模量的土對地震波的傳播阻礙較小或者還有可能擴大地震的作用，工況2-1、2-2、2-3的頂底板相對位移最大值分別為66.5mm、32.4mm、21.6mm，變化很明顯。

圖7 柱沿高度的相對位移

工況1-1與1-2柱的最大相對位移差值36.1mm、1-2與1-3的相對位移最大差值1.4mm,前者相差很大，后者相差很小，同樣可以得出土的彈性模量達到一定值時，其對車站的地震響應的影響明顯變小。三種工況下柱的相對位移最大值分別為61.5mm、25.4mm、26.8mm，可見其對車站地震響應的影響也不小。

圖8 特征點處的彎矩

由于土層2與土層1土的彈性模量相差也很大，可見上板的內力也有一定幅度的變化，但是沒有過大。內力變化較大的位置依然在柱上和中板上的特征點，其他點變化較小。這主要也是由于頂底板相對位移的變化引起的。

圖9 車站頂底板相對位移

是從工況1-3、2-1的比較來看土層2土的彈模大、土層3土的彈模小比土層2土彈模小、土層3土彈模大對地下結構的地震響應的影響要小很多，工況2-1的最大相對位移是1-3的5.3倍左右。

四、地鐵車站下部土對地鐵車站地震動力響應的影響。

在車站上部與中部土的性質不變的情況下，改變車站下部土的彈性模量，研究其對車站地震響應的影響。具體參數見表3

表3 況4中不同土層的土參數表(Kpa)

5.2結果分析如下：

圖10 車站頂底板相對位移

圖11 站頂板相對位移

由4-1至4-3比較可以看出，當土層4土的彈性模量越大，車站的頂底板相對位移越大，但是頂板的相對位移越小，這是因為下部土彈模較小時，其上部土及車站整體的位移都很大，所以車站頂底板相對位移很小，當下部土的彈性模量與車站所處土層的彈模越來越相近時，其影響開始越來越明顯，可見下部土與中部土的彈模相差較大時，對車站地震響應有很大的影響。

五、結論

1.從結果可以看出，地鐵車站并沒有因為車站所處于土層中的上、下層土的性質差異大而導致地鐵車站結構地震響應就大，反而是車站所處上層土彈性模量較小時，車站所處下層土彈性模量越大反而對結構的地震響應越小，而當車站所處上層土彈性模量較大時，車站所處下層土彈性模量越小對車站的地震響應越大。而且車站所處土層的上層土彈性模量較大時比彈性模量較小時的影響要更為明顯。

2.當車站下部土彈性模量越大，車站的頂底板相對位移越大，但是頂板的相對位移越小，說明其上部土及車站整體的位移都很大，當下部土的彈性模量與車站所處土層土的彈模越來越相近時，其影響開始越來越明顯，可見下部土與中部土的彈模相差較大時，對車站地震響應也有很大的影響。