小議地鐵地基液化變形的影響因素

導語：小議地鐵地基液化變形的影響因素一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：研究了一些對地鐵隧道杭震德定有校大影響的因素。例知，地鐵隨過的整體平均容重和地鐵隧道的理深，盡管它們對地基的孔陳水壓力發展影響不大，但卻對地鐵隧道的震后殘余變形影響相當顯著。還有，砂性土中粘性土的含量多少對砂性土的動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力反應的差異。

關健詞：地鐵地基；有效應力分析；地震液化；殘余變形

地鐵作為城市交通重要的載體之一，保證其穩定性具有非常重要的意義。本文根據Zienkiewicz等人的將動孔壓擴散和消散與動力反應相藕合的理論[1]，結合《南京市地鐵地基地震液化變形及抗震減災措施研究》項目，對南京地鐵進行地震荷載作用下的有限單元法有效應力分析。南京地鐵典型計算斷面及有限元網格見圖1。計算中采用較為復雜但能較好地模擬砂土特性的多重剪切機構模型，關于模型介紹及計算參數見文獻[2]。本文研究了一些對地鐵隧道抗震穩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，盡管它們對地基的孔隙水壓力發展影響不大，但它們卻對地鐵隧道的震后殘余變形影響相當顯著。還有，砂性土中粘性土的含量多少對砂性土的動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致地鐵地基土層動力反應的顯著差異[3]。

1地鐵浮容重的影響

由于地鐵隧道的開挖，隧道附近土體應力有所釋放，整個地鐵隧道的平均容重將小于水的容重，使得地鐵隧道在地震過程中產生相對較大的向上的位移。對地鐵地基進行有限元有效應力模擬分析，結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濟可行的構造措施運用于地鐵的設計。計算時取地鐵隧道上方頂點殘余變形作為評價標準，結果見圖2。從圖2可以看出，地鐵容重對隧道震后殘余變形的影響是顯著的，可近似認為它們之間呈線形關系。

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生局部液化現象，加大地鐵容重，可有效降低地鐵隧道的殘余變形。特別當可液化砂層較厚，由于施工機械等原因振動碎石樁無法穿透可液化砂層時，或即使施工上不存在問題但也由于經濟方面的原因使得無法全部穿透可液化砂層時，可考慮適當地加大地鐵隧道容重來減少震后殘余變形，從而獲得較大地基抗液化變形穩定效果，增加地震地基液化時的隧道抗上浮能力。

2砂性土中粘性土含量的影響

在粘性土層中即使孔壓達到了圍壓，也不會出現砂土液化現象，其主要原因是粘性土的結構性比較強，顆粒之間有較強的粘結作用。在強度指標中反映此作用的是粘結力，故而筆者設想如果砂性土中含有較多的粘性土應該對砂土中的孔隙水壓力發展有抑制作用，于是在進行有限元有效應力模擬分析時，修改了土的剪脹參數。

從圖3中可以看出，隨著粘性土含量的增加，隧道頂點水平殘余變形和豎向殘余變形都大幅度下降，但當粘性土含量從10寫增加到20%時，殘余變形并不明顯減少或基本保持不變，表現為較多的粘性土的性質。從機理上來說，砂性土中的粘性土含量較少時，顆粒與顆粒之間的接觸基本上發生在砂性土顆粒之間，因此這種類型的土基本上表現出了砂土的性質；當粘性土含量增加，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，從微觀上來看此時的砂土已從整體上表現出來粘性土性質，其抗液化能力將大幅度提高。

3地鐵隧道埋深的影響

根據《建筑抗震設計規范》，場地上覆壓力減少，將增加場地液化的可能性。為此，本文分別對埋深為16m和10m的同一隧道，進行有效應力分析，計算結果如圖4所示。從中可知，隧道埋深淺對地鐵工程的抗震穩定性是不利的，震后殘余變形基本上增加了1倍。此結果筆者認為首先是液化區易出現在淺層或孔隙水壓力在淺層發展最快所造成的；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，導致地鐵隧道這種整體較輕的結構在地基液化的情況下產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，剛度大者基頻亦大，壩高則與基頻成反比例。壩的剛度取決于動模量的大小，而動模量又隨著動應變幅的增大而非線形減少。很明顯，地基中也存在一個系統基頻問題，輸人不同的地震波則系統的基頻不一樣。如果地震波的卓越頻率接近于系統的基頻，則地基的地震反應最大。于是筆者對唐山地震波、臺灣地震波、蘇南核電站地震波和美國地震波作了頻譜分析，以了解各地震波的卓越頻率及其對地基地震的動力反應的影響。

當輸人蘇南地震波、唐山地震波、臺灣地震波和美國地震波時(其最大水平加速度幅值amax二均調整為。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上述反應說明：輸人臺灣地震波時，地基的反應最大；輸人蘇南地震波時，地基的反應最小。為了解不同地震波對地基反應的差異，對這4條地震波進行了頻譜分析。

地震過程a(t)可以展開為N個不同頻率的組合，并可用復數形式表示為：a(t)為輸人地震波的時程線，t1為地震結束時刻。

頻域中的富立葉譜A(iw)與時域中的地震加速度過程a(t)是完全等效的。通過對唐山、臺灣、蘇南、美國這4條地震波的時程曲線作富立葉變換，可得圖5~圖8，其中橫坐標為頻率f(Hz)，縱坐標為富立葉幅譜，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，計算各地震波的動力反應顯然不一樣。唐山地震波表現為沖擊型地震波；臺灣地震波有兩個峰值，表明臺灣地震波有兩次比較強的震動；蘇南核電站地震波表現比較平緩，震動次數比較多且幅值較均勻，屬于振動型地震；美國圣費爾南多地震波則介于兩者之間。

將時域里的地震波轉換到頻域里的地震波將是完全等效的，變形和孔隙水壓力的增長應該是地基在地震作用下不斷損傷的結果，這種損傷是它所消耗能量的反應。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，來分析輸人不同地震波的土層反應差異，很顯然臺灣地震波的能量相當大，因此它的破壞性也就最強。

(1)由于地鐵隧道的整體平均重度比較輕，在地震砂土液化過程中，產生了對隧道上浮作用，隧道的最終豎向殘余變形表現為向上的位移。因此，如果在地鐵隧道的設計和施工過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定性的。

(2)砂土的上覆土壓力對其在動荷載作用下的動穩定性是有直接關系的。本文分別分析了地鐵隧道埋深為10m和16m的情況，發現埋深10m的隧道頂部震后殘余變形將是埋深16m時的2倍。

(3)粘性土的含量對砂性土的性質影響較大，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，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題。

(4)本文對幾條地震波進行了富立葉變換處理，即將地震波從時域中變換到頻域。通過分析，認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的卓越頻率，其地震反應越大。而且各地震波的能量是不一樣的，臺灣地震波所具備的能量是最大的，這與直接輸入地震波進行動力反應分析的結果是一致的。

參考文獻：

[1]Zienkiewicz.Soilandothersaturatedmediaundextransientdynamicconditions[A].PandeGN，ZienkiewiczOC,eds.SoilMechanics-TransientandCyclicLoadings[C].London；JohnWileyandSon.1982.I-16。

[2]森田年一，井合進，劉漢龍，等.液化時構筑物受害預測程序Flip各種必要參數的簡易設定法〔J〕.港灣技研資料，1997,(7)：869。

[3]鐘小春.南京地鐵地基液化變形及抗震措施研究[D].南京；河海大學.2001。