埋深对地下结构地震液化响应的影响

Word版本，下载可自由编辑埋深对地下结构地震液化响应的影响下面是我给大家带来关于埋深对地下结构地震液化响应的影响，以供参考。

应用非线性液固两相体动力有限元办法讨论饱和可液化土中地下结构在水平地震作用下埋深的响应。分析了地震液化状况下地下结构埋深对于结构上浮、加速度、水平位移以及响应结构内力的影响,研究了非液化土中地铁地下结构地震响应随埋深的影响。结果表明,埋深的增强可以削减地铁地下结构因为土体液化所导致的结构上浮;同时,虽然地下结构地震作用所导致的内力随着埋深的增强有小幅度的升高,但因为深埋地铁地下结构的强度往往比浅埋的为高,因此在相同水平地震的作用下,浅埋地铁结构可能越发危急。

在地震作用下,地下结构在不同埋深状况下的地震响应不同,而位于饱和可液化土中的地下结构,因为地震液化的作用,其在不同埋深下的响应越发复杂。对于埋深影响的讨论,目前基本局限于非液化土中的地下结构[1],而对于饱和可液化土中的大型地铁地下结构的讨论目前尚为空白。本文在文[2]的基础上,应用非线性固液两相体动力有限元办法,以地铁车站为例讨论在水平地震作用下地下结构在不同埋深下的地震液化响应。作为比较,本文还将分析在非液化土中地铁地下结构地震作用的埋深影响。利用计算分析,解释了地下结构的计算地震内力随埋深略有增强,而其震害往往随埋深增大而减小这一貌似冲突的现象。

1有限元模型

本文所采纳的有限元模型与文[2]所采纳的模型类似。分析所用软件为非线性液固两相体动力有限元软件DIANA-SWANDYNEII[3]。假定土体为饱和松砂,砂土的动力特性应用Pastor-ZienkiewiczIII广义塑性模型模拟[4],所采纳的模型参数见表1[5]。饱和土与地下结构的接触面应用可模拟滑移、脱开以及闭合等非线性特性的薄层滑移单元模拟,其本构特性遵从Mohr-Coulomb破坏准则,模型参数如表1所示。假定地下结构的材料为线弹性,弹模为3.0×107kPa,Poisson比为0.2。

计算模型的尺寸为300m×70m。共讨论了4种不同的埋深:4m、7m、10m和13m。为了具备可比性,各个模型的网格除了地下结构的位置不一样以外,其他彻低全都。饱和土体中的固相与液相为8—4组合的平面应变等参元,滑移单元也用8—4组合的平面应变等参元举行模拟,而地下结构的有限元为8结点固体等参元。举行非液化土分析时,模型的网格与耦合分析的网格全都,只是在同一位置的单元为8结点等参固相单元。模型的底部边界为刚性边界,侧面边界为捆绑边界,即左右边界相同标高点的位移全都。

地震波由模型底部以水平剪切波的形式输入,所用的地震为折减的1995年神户地震的东西重量,地震持续时光t=30s,地震的峰值强度折减为0.3g,周期特性保持不变。

土体的阻尼除了动力本构模型所模拟的滞回阻尼以外,考虑5%的Rayleigh阻尼;地下结构的阻尼为5%的Rayleigh阻尼。4个模型的Rayleigh阻尼是全都的。

在动力分析之前,举行静力分析,获得地下结构及土体在自重作用下的应力及静水压力,作为动力分析的初始条件。举行静力分析时,忽视施工等因素的影响,也没有考虑地下结构所受的其他荷载。

2埋深对上浮响应的影响

地铁地下结构在地震液化作用下的上浮响应是一种严峻的破坏,必需实行措施予以控制。下面研究埋深对于地铁地下结构上浮响应的影响。

在不同埋深下,地铁车站上浮的比较。地铁上浮随时光的变化趋势基本相像,但随着埋深h的增大,结构的上浮量d显然削减。上浮量d与埋深h基本成线性关系,在埋深为4m时,上浮量达44cm,而埋深为13m时,上浮量才17.6cm。

这个结果说明,埋深对于缓解地震液化的上浮破坏是有很大协助的。其缘由是因为土层的液化程度随着深度的增强而减小,从而削减因为土体液化而导致的上浮量。地铁车站中轴线正下方4.9m处不同埋深的归一化超静水压u/σ′v0的时程曲线,可以看出该处土体的液化程度随着埋深的增强而削减。

3结构的加速度与水平位移

在地震液化状况下,地下结构上的加速度与水平相对位移受埋深的影响不大。地铁顶部中点的最大加速度amax与埋深h的关系;所示为地铁左侧墙顶板位置与底板位置之间的最大相对位移可以看出,随着埋深的加大,水平相对位移与加速度都有一定的增强,但幅度不大。

4结构内力

本文所举行的分析为平面应变分析,因此所讨论的内力为分析平面内的内力没有考虑地铁纵向的内力。因为本文地下结构用实体单元举行模拟,其内力由位移结果间接得到,所采纳的办法参见文[2]。地铁车站结构最大内力浮现于结构构件的交接处。

地铁车站一些部位的最大弯矩Mmax,最大轴力Nmax和最大剪力Qmax。为了能够清晰的了解埋深对地震作用的影响,单纯地震作用与地震与静力共同作用所导致的内力比较。

地铁车站右侧墙中在静力与地震共同作用下的弯矩随着埋深的增强而显然加大,但是地震作用所导致的弯矩增强很少;地铁车站底板的轴力也有类似于侧墙弯矩的趋势,在地震作用下,底板轴力增强的趋势不显然;左侧墙的在地震作用下的剪力与埋深基本没有关系,而静力与地震共同作用导致的剪力随着埋深的增强显然升高。在静力作用下,中柱的剪力和弯矩为零;而在地震作用下,中柱的剪力随埋深的增强基本不变,而弯矩也惟独很小的增幅。本文没有给出其他位置的内力,但它们也有类似的现象。

5非液化土中地铁车站的地震响应

作为比较,本文还讨论了非液化土中地铁车站结构，地震下的动力响应。所讨论的埋深也是4m、7m、10m和13m。

可以看出,在地铁车站左侧下部的土体加速度随着埋深的增大而增大,增大幅度较大;而左侧上部的土体加速度随着埋深的加大而减小,但减小的幅度较小。因为作用于地铁车站的动土压力源于土体的加速度,其随埋深变化趋势也是如此。这个计算结果与文[1]的试验结果是吻合的。

非液化土地铁车站结构最大内力浮现的位置也是结构的交接处。地铁车站右侧墙的最大弯矩Mmax与中柱最大剪力Qmax随埋深的变化。随着埋深的增强,静力与地震共同作用导致的内力呈升高趋势;假如扣除静力的作用,地铁结构的动内力也有一定幅度的升高。与饱和可液化土中的地铁车站结构的内力比较,非液化土中的内力更大。但是这并不能说明在可液化土中的地铁结构更平安,由于在可液化土中的地铁结构会浮现因为液化而导致的破坏,如上浮。

6研究

在地震作用下,地铁车站结构因为地震与静力共同作用所导致的内力大都随着埋深的增强而加大,其中由地震所致的内力,有些也会有一定程度的升高。但是,在地下结构的设计中,假如埋深较大,结构的强度也会增强,因此埋深大的地下结构极有可能更不简单破坏。在地铁结构关键部位地震所致内力与地震和静力共同作用所致内力的比值r。可以看出,这比值随着埋深的增强而显然减小。这说明,地铁地下结构埋深大时的平安度有可能更高。而地铁结构破坏的现场实例说明,因为中柱在剪力及弯矩作用下的破坏而造成顶板坍塌是地铁车站结构破坏的主要形式之一[6]。在饱和可液化土中,中柱的动内力与埋深关系不大,但埋深大的地铁车站中柱强度会更高,因此,埋深浅的地铁车站结构破坏的可能性更大。在非液化土中,地铁车站中柱的剪力有一定幅度的升高(弯矩也有类似趋势),但是假如考虑深埋地铁车站中柱强度远大于浅埋的中柱强度,浅埋的地铁车站中柱还是有可能更简单破坏。

本文只考虑地下结构在水平地震作用下的动力响应,未考虑地震所致面波的作用。假如考虑这种因素,浅埋地下结构的破坏可能会越发严峻。

7结论

本文讨论了不同埋深下地铁地下结构的地震液化响应,作为比较,也分析了非液化土中地铁结构地震响应与埋深的关系。按照分析的结果,可以得到下列结论:

1)埋深的增强可以削减地铁地下结构因为土体液化所导致的结构上浮。

2)在水平地震的作用下,可液化土中的地铁地下结构地震作用所导致的内力随着埋深的增强有小幅度的升高,或者基本不变。

3)在水平地震的作用下,非液化土中地铁地下结构由地震所致内力随着埋深的增强有一定幅度的升高。

4)因为深埋地铁地下结构的强度往往