（岩土工程专业论文）区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析.pdf

区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 摘要 随着我国经济的飞速发展，地铁建设已进入大规模发展的黄金阶段。我国处 于环太平洋地震带上，地震活动频繁而强烈，根据现行地震烈度区划图，我国大 部分城市为地震设防区，地铁抗震设计问题日益凸显出来。 区间隧道占地铁工程投资总额比例较大，区间隧道设计的合理与否，将对整 个工程造价产生很大的影响。目前对区间隧道跨越可液化土层的抗震问题还缺乏 研究，虽然很多隧道在跨越可液化土层时不得不采取特殊的设计方案和工程措 施，但还缺乏相应的理论依据。因此深入研究区间隧道的震害机理，研究能使区 间隧道在地震时功能损伤最小的设计方法，有着很重要的现实意义。 本文采用有限差分法，对区间隧道穿越可液化土层的地震响应进行了大量计 算，加深了对该领域的认识，得到了一些具有实际应用价值的重要结论，论文主 要包括以下几个部分： 首先，简要介绍了目前我国地铁建设的现状以及对区间隧道抗震的认识，接 着介绍了地震、砂土液化、区间隧道震害特点和研究现状等问题。 其次，简要介绍了本文所使用的有限差分数值模拟软件f l a c2 d ，并对数 值模型所涉及的各种因素做了介绍。 再次，详细说明了模型的物理条件和建模过程，并就液化性状对计算结果的 影响进行了分析，得到了在进行区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析时需要 考虑土体液化问题的结论。 接着，对区间隧道在可液化土层中地震响应的影响因素进行了分析，主要研 究了衬砌混凝土标号、密度、厚度以及隧道埋深对分析结果的影响，得出了一些 重要的结论： ( 1 ) 在地铁区间隧道工程中提高衬砌结构的混凝土标号，有助于防止因内力 过大而造成的结构破坏，使结构内力得到控制。 ( 2 ) 衬砌混凝土标号的变化对结构位移的影响不是很大，传统的单纯依靠提 高混凝土标号来减少隧道变形的观点是不可取的。 ( 3 ) 随着衬砌密度的增大，结构内力响应明显增大，衬砌的位移随之增大， 周围土体的超静孔隙水压提高。因此衬砌材料密度越小越好，如果要提高隧道的 抗震性能，应该选用一些轻质衬砌材料。 ( 4 ) 衬砌厚度增加到一定程度后，混凝土强度的利用率逐渐降低，在工程中 综合各种因素确定出衬砌的最佳厚度有着重要的实际意义。 ( 5 ) 在可液化土层中增加隧道埋深可以减少区间隧道由于土体液化所导致的 结构上浮。因此增大隧道埋深将有助于提高其抗震稳定性，在相同水平地震力的 作用下，浅埋地铁结构更加危险。 最后，本文还针对杭州地铁的工程实际，结合杭州地铁l 号线富春路站的地 质资料，对富春路站与秋涛站间的区间隧道穿越饱和砂质粉土层的地震反应进行 了数值模拟和结果分析，提出了若干具有重要工程应用价值的结论。 关键词：区间隧道，地震，液化，有限差分法，衬砌 a na n a l y s i s0 nt h es e i s m i cr e s p o n s eo f r u n n i n gt u n n e li nl i q u e f i a b l es o i l s a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y , t h ec o n s t r u c t i o no fs u b w a yh a sw a l k e d i nag o l d e n s t a g eo fd e v e l o p m e n t o u rc o u n t r y l o c a t e si nt h ec i r c u m p a c i f i c e a r t h q u a k ez o n ea n dt h es e i s m i ca c t i v i t yi sf r e q u e n ta n ds t r o n g a c c o r d i n gt ot h e c u r r e n te a r t h q u a k ei n t e n s i t yz o n i n gm a p ，m o s tc i t yo fo u rc o u n t r yl o c a t ei nt h e e a r t h q u a k er e g i o n s ot h ep r o b l e mw i t ht h es e i s m i cd e s i g no fs u b w a yb e c o m e sm o r e a n dm o r ev i s i b l e t h eo u t l a yo fr t m n i n gt u n n e lt a k e sab i gp a r ti nt h et o t a li n v e s t m e n to fs u b w a y p r o j e c t w h e t h e rt h ed e s i g no ft u n n e li sr e a s o n a b l eo rn o tw i l lb r i n gg r e a te f f e c t so n t h ec o s to ft h ep r o j e c t a tp r e s e n t ，l i t t l er e s e a r c hh a sb e e nm a d eo nt h es e i s m i c r e s p o n s eo fr u n n i n gt u n n e li nl i q u e f i a b l es o i l si no u rc o u n t r y a l t h o u g he n g i n e e r sa n d t e c h n i c i a n sh a v et oa d o p ts o m es p e c i a ld e s i g ns c h e m e sa n de n g i n e e r i n gm e a s u r e s w h e nt h et u n n e lr u n sa c r o s st h el i q u e f i a b l es o i l s ，m e yl a c kf o rt h ec o r r e s p o n d i n g t h e o r e t i c a lr u l e s s ot h e r ei sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et om a k eaf u r t h e rs t u d yo nt h e e a r t h q u a k ed a m a g em e c h a n i s mo fr u n n i n gt u n n e la n df i n db e t t e rd e s i g nm e t h o d s a g r e a td e a l o fc a l c u l a t i o no nt h es e i s m i cr e s p o n s eo fr u n n i n gt u n n e li n l i q u e f i a b l es o i l si sm a d eb ye m p l o y i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d s o m ec o n c l u s i o n s w i t hp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u ew e r em a d ea n dt h ek n o w l e d g e m e n to fr e s e a r c hs t a t u s i nt h i sf i e l dw a sd e e p e n e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ep r e s e n ts t a t u so fs u b w a yc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r ya n dt h ec o g n i t i o n o fs e i s m i cd e s i g no fr u n n i n gt u n n e lw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d p r o b l e m ss u c ha st h e e a r t h q u a k e ，l i q u e f a c t i o no fs a n ds o i l ，c h a r a c t e r i s t i co fe a r t h q u a k e d i s a s t e ra n d r e s e a r c hs t a t u so fr u n n i n gt u n n e lw e r ea l s od e s c r i b e d s e c o n d l y , t h ef i n i t ed i f f e r e n c en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l a c2 du s e di n t h et h e s i sw a sr e c o m m e n d e da n dt h ev a r i o u sf a c t o r si n v o l v e di nt h en u m e r i c a lm o d e l w e r ea l s op r e s e n t e d t h i r d l y , p h y s i c a lc o n d i t i o n sa n dm o d e l i n gp r o c e s sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h e i n f l u e n c eo fl i q u e f a c t i o nb e h a v i o ro nt h er e s u h sw a sa l s oa n a l y s e d i ti sf o u n dt h a t s o i ll i q u e f a c t i o np r o b l e m ss h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ea n a l y s so ft h es e i s m i cr e s p o n s e o f r u n n i n gt u n n e li nl i q u e f i a b l es o i l s t h e n ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r s0 1 1t h es e i s m i cr e s p o n s eo fr u n n i n gt u n n e li n l i q u e f i a b l es o i l s ，s u c ha sc o n c r e t el a b e l i n g ，d e n s i t y , t h i c k n e s sa n db u r i e dd e p t ho ft h e t u n n e l ，w e r ea n a l y s e d s o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sw e r eo b t m n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i n c r e a s i n gt h ec o n c r e t el a b e l i n gi ns u b w a yr u n n i n gt u n n e lp r o j e c tc a nc o n t r o l t h ei n t e r n a lf o r c eo ft h es t r u c t u r e ，a n dt h es t r u c t u r ef a i l u r ei n d u c e db yo v e r s i z e i n t e m a lf o r c ec a nb ea l s oa v o i d e d ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo fc o n c r e t el a b e l i n gc h a n g eo nt h es t r u c t u r ed i s p l a c e m e n ti sn o t n o t a b l e t h et r a d i t i o n a lo p i n i o nt h a tt h et u n n e ld e f o r m a t i o nc a nb er e d u c e db yo n l y i n c r e a s i n gt h ec o n c r e t el a b e l i n gi sn o ta d v i s a b l e ( 3 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go fl i n e rd e n s i t y , t h er e s p o n s eo fs t r u c t u r a li n t e m a lf o r c e w a se n h a n c e d ，t h es t r u c t u r a l d i s p l a c e m e n ta n dt h ee x c e s s i v ep o r ep r e s s u r eo f s u r r o u n d i n gs o i lw e r ea l s oi n c r e a s e d s ot h es m a l l e ro fl i n e rd e n s i t y , t h eb e t t e ro f t u n n e ls t a b i l i t y i no r d e rt oe n h a n c et h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h et u n n e l ，w es h o u l d c h o o s es o m el i g h tl i n e rm a t e r i a l s ( 4 ) w h e nt h et h i c k n e s so ft h el i n e rr e a c h e st oac e r t a i ne x t e n t ，t h eu t i l i z a t i o nr a t i o o fc o n c r e t es t r e n g t hi sg r a d u a l l yd e c r e a s e d i th a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o d e t e r m i n et h eo p t i m a lt h i c k n e s so ft h el i n e rb yc o n s i d e r i n gv a r i o u sf a c t o r s ( 5 ) t h er i s eo fr u n n i n gt u n n e li n d u c e db ys o i ll i q u e f a c t i o nc a nb er e d u c e db y i n c r e a s i n gt h eb u r i e dd e p t ho ft h et u n n e l s oi n c r e a s i n gt h eb u r i e dd e p t ho ft h et u n n e l i sh e l p f u lt ot h ee n h a n c e m e n to fi t ss e i s m i cs t a b i l i t y f i n a l l y , s e i s m i cr e s p o n s eo fr u n n i n gt u n n e lb e t w e e nf u c h u nr o a ds t a t i o na n d q i u t a or o a ds t a t i o nw e r ea l s oa n a l y s e d ，w h i c hl o c a t e si ns a t u r a t e ds a n d ya n ds i l t y s o i l s s o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sw e r ea l s oo b t a i n e d k e y w o r d s ：r u n n i n gt u n n e l ，e a r t h q u a k e ，l i q u e f a c t i o n ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，l i n e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 浙江大学硕士学位论文 区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 1 1 引言 第一章绪论 随着我国经济的飞速发展和城市化进程的不断加快，城市人口不断激增，地 面交通愈来愈不堪重负，为了减少地面交通量，地铁应运而生。地铁具有运量大、 速度快、不占用地面道路等优点，迅速跻身为一种现代化的城市交通工具。目前 国内拥有和正在建设地铁的城市越来越多，继北京、上海、广州、南京等城市后， 杭州、青岛、大连等城市的地铁也己纷纷在建设或筹建中。我国地铁已进入大规 模建设的黄金发展阶段。城市地铁建设的蓬勃发展使地铁的抗震设计问题凸显出 来，对城市地铁工程进行震害分析，研究提高城市地铁工程抗震性能的对策，有 着重大的理论和现实意义。 我国地处于环太平洋地震带上，地震活动频繁而强烈。根据现行地震烈度区 划图，我国大部分城市为地震设防区，在全国3 0 0 多个城市中，有一半位于地震 基本烈度为7 度甚至7 度以上的地震区，如北京、天津、西安等大城市都位于8 度的高烈度地震区。与地面结构相比，地铁隧道一直被认为是抗震功能比较优越 的构筑物，因此，以往一般情况下地下结构是不进行抗震设计的，我国对地铁抗 震问题的研究也没有引起足够高的重视。 近年来，随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现，地下结构的 抗震问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视。特别是1 9 9 5 年的日本阪神大 地震，不仅使地下给排水管道、天燃气管道等城市生命线遭到破坏，地铁车站及 区间隧道等大型地下结构也受到破坏，甚至产生了地铁车站完全倒塌而不能使用 的先例。此后，世界各国特别是日本学者开始研究地铁车站和区间隧道的震害， 并以此建立分析理论，提出设计方法，地下结构抗震研究出现了前所未有的热潮， 并成为地震工程界重要的研究方向。 1 2 地震概述 地震灾害是一种严重的自然灾害，一旦发生便会带来惨重的损失。我国地处 亚欧大陆板块、太平洋板块和印度板块之间，是世界上最大的大陆浅源地震强震 浙江大学硕士学位论文区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 活动区，地震活动非常频繁。 地震有强有弱，或者说有大有小。据统计地球上每年发生地震约5 0 0 万次， 其中人能够直接感觉得到的只有5 万次左右，其中7 级以上的地震全球平均每年1 8 到1 9 次，5 至1 j 6 级地震每年数以百计，仅中国平均每年发生的5 级以上的地震就有 2 0 蛰j 3 0 次，5 级以下的地震则数以千计。由此可见，人类时刻在与地震相伴，受 到震灾影响。像1 9 6 6 年河北邢台、1 9 7 5 年辽宁海城、1 9 7 6 年河北唐山那样的大地 震，全球平均每年只有十八次左右。 根据地震成因，地震大致可以分为构造地震、火山地震、陷落地震。 构造地震是由地球内部岩层构造产生错动运动所引发的地震。地壳是由各种 岩层构成的。大量事实说明，地球内部在不停的运动，在它的运动过程中，不断 发生褶皱断裂和错动，这种地壳构造状态的变动，使岩层处于复杂的地应力作用 之下，当弹性应力的积聚超过岩石的强度极限时，岩层就会发生断裂和猛烈错动， 从而引起振动。振动以波的形式传到地面，形成地震。 火山地震是由于火山爆发，岩浆猛烈冲击地面时引起的地面振动而引起的地 震。地球内部温度很高，深度每增7 b n l 0 0 m ，温度上升2 到5 度，在地下l o o k m 深处 的地温己达到1 2 0 0 到1 3 0 0 度。在高温下岩石呈熔融状态的岩浆，在强大压力作用 下，岩浆向上喷出，在其冲力作用下激起地面的振动，产生火山地震。 塌陷地震指天然的岩洞、溶洞以及矿区的采空区支撑不住上覆岩层，发生塌 陷而形成的地震。此类地震既有天然因素的一面，又有人为因素的一面。在国内 外曾经发现过矿山塌陷地震震级最大可达到5 级的情况。 1 3 砂土液化问题及研究现状 砂土液化是指饱和砂土在振动作用下抗剪强度骤然下降为零而变成粘滞液 体的现象。这种现象在地震时可以大规模发生，造成的危害性很大，这方面国内 外的例子非常多。在国内，邢台( 1 9 6 6 ) 、海城( 1 9 7 5 ) 和唐山丰南( 1 9 7 6 ) 在地震时由 于砂土液化许多建筑物发生了严重破坏；在国外，最著名的是美国阿拉斯加 ( 1 9 6 4 ) 、日本新泻( 1 9 6 4 ) 和日本阪神( 1 9 9 5 ) 地震，其中在1 9 9 5 年的日本阪神地震 中首次出现了地铁车站完全破坏的现象，区间隧道也遭受较多破坏。因此，当区 间隧道不可避免的建造在可液化土层中时，非常有必要研究由于地基土的液化而 浙江大学硕士学位论文区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 引起的区间隧道的破坏。 1 9 3 6 年c a s a g r a d e 提出砂土临界孔隙比来解释砂土的液化现象，标志着液化 研究的开端。饱和砂土的液化机理是液化研究中的重点和难点，在不同的历史时 期有不同的说法。c a s a g r a n d e 最早提出的临界孔隙比的概念来解释液化现象，而 s e e d 和l e e ( 1 9 6 6 ) 1 1 2 j 则用孔压值作为判别砂土是否发生液化的依据，后来 c a s a g r a n d e 研究发现，s e e d 等在循环三轴试验中出现的 = 氓的现象在实际现场 是不存在的，将液化区分为实际液化和循环液化，并调整了上文中“临界孔隙比” 的概念，提出“流动结构、“稳态变形 和“稳态强度 等概念，这一观点比 s e e d 等人提出的“初始液化 的观点更加切合解决土体液化的实质。 各国学者对液化的研究以现场勘测和试验研究为主，液化研究的目标主要是 为了得到液化条件，预报液化的产生。在现场试验方面，剪切波速、标准贯入试 验( s p t ) 和静力触探( c p t ) 应用较广，各国学者对此作了大量的研究。f i n n 等 5 1 对 地震作用下水平地面饱和粉土液化势的工程应用现状进行了分析，给出了基于不 同沉贯实验和现场剪切波速的液化评估表及实际应用的具体方法。 在室内试验方面，研究液化的试验仪器有：振动单剪仪、振动扭剪仪、振动 三轴仪、大型振动台、离心机。振动单剪仪、振动扭剪仪、振动三轴仪等进行的 是小土样的实验，不能揭示液化发展中真实问题的演化，因此实验需求期待着新 的实验设备的出现。离心机应此要求而出现，离心机实验有一般模型实验不可替 代的优点：可以模拟大尺度结构，并能模拟波浪、地震、高围压等条件，到目前 为止人们利用离心机进行了较多的研究。 在计算分析方面，研究砂土液化的计算方法主要有总应力法和有效应力法。 s e e d ( 1 9 6 6 ) t 1 2 1 提出的剪应力对比法和s e e d 简化法是至今仍使用的总应力法，得 到了多次的修改，做了很多的简化，它认为当地震产生的等效平均应力吃大于 土体的抗液化剪应力t 时发生液化。有效应力法考虑了地震作用下土体中孔隙水 的产生和消散，可计算地震历时的孔压值，比较符合实际问题且更加合理。 随着以有限单元法为代表的数值计算技术的迅速发展，各国学者开始更加注 重动本构理论的研究，目标在于逐渐摆脱那种将动强度和动问题相互割裂开的研 究，建立更加符合饱和砂土实际动力响应的本构模型。引起砂土液化的比较典型 浙江大学硕士学位论文区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 的一种动荷载是地震荷载，地震荷载作用是速率效应和循环效应并存的，正确的 描述这两种效应对土本构关系具有重要的影响。当地震荷载从小到大变化时，土 可能处在弹性、弹塑性或塑性状态的范围内变化。 目前将土视为弹性或粘弹性体的小应变幅的土动本构理论的研究已经相对 成熟。汪闻韶1 6 4 1 曾作过相应的分析和计算，通过将土视为线弹性体或粘弹性体， 对土石坝进行了抗震计算，并通过与模型实验和原型观测相比较，可以发现这种 简单的本构对小应变下的计算还是可以接受的。 对处于弹塑性或塑性范围内工作的较大应变幅下土的应力应变特性的研 究，是当前土动力本构理论的重点，也是地震液化研究的一个重要的发展方向。 近年来，关于弹塑性本构的研究，如循环荷载作用下引起的主应力旋转效应，剪 胀与反向剪缩性质的合理描述已经引起学者们的重视。 饱和砂土是一种多相松散粒状介质，因此沈珠江1 5 ”从土的微观机构着手，详 细解释了流动、硬化和剪胀的机制，从而建立起相应的动本构模型，开创了砂土 液化动本构领域发展的一个新思路，考虑了土的结构性对液化产生的重要影响。 1 4 区间隧道震害特点与机理分析 地铁主要由区间隧道和地铁车站两部分组成，破坏形式可分为区间隧道、地 铁车站及其连接部分的破坏。从现有资料看，地铁震害以地铁车站最为严重，地 铁区间隧道的震害近几年也时有报道，且多以小规模破坏的形式发生。例女1 1 9 8 5 年墨西哥地震，报道过墨西哥地铁区间隧道的侧墙与地表面相交处发生分离破坏 现象。1 9 9 5 年日本阪神大地震中1 6 5 1 ，地铁区间隧道遭受较多破坏，多处区间隧 道产生大量竖向裂缝与弯曲裂纹，因施工缝相互撞击而使衬砌工程坍塌的严重事 故也始有报道。从以往地上与地下的震害经验来看，可以设想今后有产生大规模 震害的可能。 尽管区间隧道震害多以小规模灾害出现，假如这些小规模灾害如果处理不当 或处理不及时也会产生很严重的次生灾难，例如1 9 8 3 年5 月1 9 1 = 1 震中距上海市 1 5 0 k m 以外的洋面上发生罩氏6 级地震时，上海市打浦路管片隧道里出现了5 条可 见裂缝，泥水挤漏入隧道与竖井的结合部，经及时堵塞，才未构成祸患，否则后 浙江大学硕士学位论文区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 果不堪设想。 1 、区间隧道震害特点 地铁区间隧道属于大断面地下隧道结构，且属于线性结构，在地震荷载作用 下，由于周围土介质的存在，其动态反应特性与地面建筑完全不同，其震害主要 表现为： ( 1 ) 地铁区间隧道的震害多发生在地质条件有较大变化的区域，如土质由硬 质到软质的过渡带。相反，如果地质条件均匀，即便震级较大，结构也比较安全。 ( 2 ) 地铁区间隧道如果穿过地质不良地带，如断层、砂土液化区等也易遭震 害，会导致隧道纵向变形过大或由于场地土液化造成其在纵向上有不均匀沉降发 生。 ( 3 ) 结构断面形状及刚度发生明显变化的部位，如隧洞进出口，隧洞转弯部 位及两洞相交部位均为抗震的薄弱环节。 ( 4 ) 区间隧道的破坏形式主要是弯曲裂缝、竖向裂缝及混凝土脱落、钢筋外 露等，因施工缝相互撞击而使衬砌工程坍塌的事故也有过报道。 2 、震害机理分析 区间隧道与一般设置在地上的抗震结构物相比，有下列地震工程学上的特 征： ( 1 ) 属于地下线性结构，沿地下延伸很远 ( 2 ) 被土层所包围，在地震荷载作用时运动受限 与一般小截面地下管线如上下水道、煤气管道、输油管道等之类也不同，区 间隧道属于大截面地下结构，现有地下管线结构震害资料远比区间隧道丰富，前 者的震害原因分析也远比后者详细。因为地下管线与区间隧道同属于地下线性结 构，因此我们可以设想前者的震害分析在理论上应对后者有一定的借鉴意义。 像以往从加速度的观点出发对区间隧道所进行的抗震研究是不适合的。区间 隧道在地震时是完全依附于地基变形的结构物，因此在讨论其抗震性之前，应该 首先考察地震时地基变形情况，着重从地震时地基变形这个观点出发进行其抗震 性能的研究。从过去的震害资料来看，区间隧道发生破坏的原因大致有以下几种： ( 1 ) 伴随着地震波动传播所引起的地震惯性力产生的破坏； ( 2 ) 由于围岩失稳所产生的破坏； 浙江大学硕士学位论文区问隧道穿越可液化土层的地震响应分析 ( 3 ) 由于断层所造成的破坏。 其中，围岩失稳和地震惯性力作用是区间隧道震害的两种主要原因，而往往 第一种原因起控制作用。围岩失稳主要指围岩的变形、差异位移、震陷和液化。 由于围岩的变形，在地铁结构中产生较大变形而引起破坏，该类型的破坏多数发 生在岩性变化较大、断层破碎带、浅埋地段或隧道结构刚度远大于地层刚度的围 岩之中。本文主要研究由于隧道地基土的液化引起的围岩失稳的破坏。地震惯性 力主要指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏，该类型的破坏 多数发生在浅埋或明挖的车站结构，在这些地方地震惯性力的作用表现得比较明 显。调查还表明，浅埋结构的地震破坏比深埋结构发生的频度和程度都要高许多， 因为在浅埋地段可能受到上述双重类型的破坏作用。 由区间隧道地基土的液化引起的震害，新泻地震的实例是最明显的，且这种 震害是可以事先知道其发生的地点，因此可以采取相应的抗震对策。本文主要从 这个角度出发，研究区间隧道穿越可液化土层时在地震荷载作用下的响应问题， 并对其主要影响因素做了相应分析。 隧道地基特性对地震反应的影响很大，在地下构筑物中如何来考虑构筑物周 围的地基特性，并如何假定振动模型，比起地上构筑物来是更加困难的问题。为 了使地基的分析更接近实际情况，把构筑物和周围的地基看做一个整体的模型， 进行离散分析。 1 5 区间隧道地震响应研究现状 地下结构的抗震理论是随着地面建筑抗震理论的发展而发展的，但由于地下 结构的地震响应非常复杂，不能简单地等同于离散惯性质量体系。因此，地下结 构抗震分析的研究进展比较缓慢。 国内外学者对地铁抗震方面的研究，有三种最基本的研究途径：地震观测、 实验研究和理论分析。由于各方面条件的限制，地震观测和实验研究获得的数据 非常有限而且是片面的。理论分析方法则是基于对各类已有观测数据的分析和总 结，得出一般规律，并据之对地下结构在地震作用下的形态进行预测的方法，是 对地震观测和模型实验方法的有效补充，现已成为地下结构抗震研究的重要手段 之一。 浙江大学硕士学位论文 区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 1 、地震观测 地震观测就是通过实测地下结构在地震时的动力特性来了解地下结构的地 震特点。地震观测研究结论直接，但目前强震观测所取得的地震资料仍主要局限 于地表，对地下深部所取得的资料还很有限，限制了地下结构抗震设计的发展。 1 9 7 0 年，日本首先利用松化群发地震，测定了地下管线动态应变，通过对测 定结果的研究发现：管线与周围地基一起振动，而自身并不发生振动。随后，人 们又对沉埋隧道、盾构隧道和地下隧道等进行了地震观测，掌握了地下结构的动 力特性，并由此得出影响地下结构地震反应的主要因素是地基变形而不是地下结 构惯性力的结论。 2 、实验研究 实验研究分为人工震源实验和振动台实验。人工震源实验由于起振力较小等 因素，难以反映出地下结构的地震反应，一般不采用。而振动台实验能够较好地 把握地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的相互作用等问题，得到 了广泛的应用。 李凯玲，张亚，刘妮娜( 2 0 0 7 ) 【3 2 j 选用非线性等价粘弹性模型和r 锄b e r g o s g o o d 模型，进行了自由场振动台模型试验，得出了在进行模型试验设计时， 不仅材料要满足相似性原理，而且在设计边界条件和地震波输入时也应以上述模 型为参照的结论。 陈国兴，t 海洋( 2 0 0 5 ) t 8 4 l 进行过土与地铁隧道动力相互作用的大型振动台试 验，以南京地铁的建设背景为基础，对含有可液化土层的深厚软弱场地上双洞单 轨的地铁区间隧道结构进行了大型振动台模型试验研究。 通过模型实验使人们较好地了解和掌握了地下结构的工作特性，为抗震理论 的发展奠定了基础。但是振动台实验对实验区域的选择和地基特性的模拟等关键 问题还存在不同程度的困难。 3 、理论分析 根据计算手段划分，理论分析方法可以分为解析法和数值法，其中数值法又 可以分为有限元法、有限差分法和边界元法。根据空间分析对象划分，地下结构 抗震理论分析方法包括横断面抗震计算方法、纵向抗震计算方法以及三维有限元 整体动力计算法；根据是否考虑孔隙水压力的影响，又可划分为总应力分析法和 浙江大学硕士学位论文区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 有效应力分析法。 刘汉龙，高玉峰( 2 0 0 1 ) 3 9 】等从理论上分析了边界条件对土层粘弹性地震反 应的影响，认为采用静止边界进行土层地震反应计算得到的地震动加速度时程符 合天然地震记录形式。 楼梦麟，潘旦光( 2 0 0 3 ) 1 + 5 1 等分析了在水平地震波激振作用下弹性、均匀土 层中有限土域的取值范围对计算精度的影响，主要探讨了在简谐荷载作用下，土 层反应随侧向边界条件、迫振频率、阻尼和土层长深比( 1 1 1 ) 的变化规律，为确定 有限土域范围提供了依据。 邱潮流，金峰( 2 0 0 6 ) 1 5 0 l 等基于柱面波波动方程，推导建立了适用于土结构 地震动力相互作用分析的地震动输入和人工边界的处理方法。 熊良宵，李天斌( 2 0 0 7 ) 嘲等采用有限差分方法，进行了三维隧道地震响应的 数值模拟研究，并分析了横向计算范围和人工边界等对计算结果的影响。 乔伟( 2 0 0 7 ) 1 4 9 】应用异性结构面抗剪强度理论研究了深埋地下硐室围岩与隧 硐衬砌间的相互作用，提出硐室围岩与衬砌间的结构面的力学模型，并应用算例 得出了接触结构面可能先于围岩和衬砌达到其破坏强度的结论。 董必昌( 2 0 0 6 ) 【2 i 】将接触单元引入复合地基与边坡的仿真研究，对接触单元的 力学机理及计算方法做了大量研究，得出了一些有价值的规律。 苏栋，李相菘( 2 0 0 6 ) m 使用层状剪切箱，通过干落法制备了均匀的砂土模型， 进行了离心机振动试验，研究结果增强了对振动过程中土一水之间相互作用机理 的理解，同时为自由场地震响应分析方法的验证提供了基础数据。 林志，朱合华，杨超等( 2 0 0 4 ) 1 3 4 1 在广泛总结分析国内外关于地下工程结构抗 震设计文献的基础上，从多自由度体系的动力平衡微分方程出发，采用时程分析 法，计算盾构区间隧道衬砌结构的地震反应，讨论了土体材料的动力特性，建立 了盾构区间隧道抗震设计方法。 刘光磊，宋二祥，刘华北( 2 0 0 7 ) 【4 l 】采用有效应力法，根据b i o t 方程的u p 形 式建立有限元方程，进行饱和土动力固结的耦合计算，对可液化地层中地铁隧道 浙江大学硕士学位论文 区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 结构的地震响应进行了模拟，并与动力离心模型试验结果对比以验证其效果。 1 6 论文的选题及主要工作 1 6 1 论文的选题 随着我国城市地铁建设的蓬勃发展，地铁的抗震设计问题日益凸显出来。地 铁区间隧道占地铁工程投资总额比例较大，区间隧道设计的合理与否，将对整个 工程造价产生很大的影响。目前在我国已建和在建地铁的城市如广州、南京、杭 州中，有很大比例的区间隧道建造在可液化土层中，且这些城市多位于基本烈度 为7 度或7 度以上的地震区，因此区间隧道在可液化土层中的抗震问题非常严峻。 目前国内对区间隧道穿越可液化土层的抗震问题还缺乏研究，虽然很多隧道 在跨越可液化土层时不得不采取特殊的设计方案和工程措施，但还缺乏相应的理 论依据。因此深入研究区间隧道的震害机理，研究能使区间隧道在地震时功能损 伤最小的设计方法，有着很重要的现实意义。 1 6 2 主要工作 本文针对土与结构相互作用体系，通过采用适当的边界条件，建立合理的计 算模型，采用有限差分法进行了分析。隧道动力分析研究工作内容繁多，本文仅 选取了与工程应用密切相关的几个内容进行了探索性研究。 以往在做区间隧道穿越可液化土层地震响应影响因素分析时，多数仅从某一 特定影响因素进行分析，且较多的从地下水位等无法应用于工程实际的因素进行 分析，对物理问题没有一个较全面的把握。本文综合了前人的分析，从衬砌的厚 度、砼标号、密度等性状对计算结果的影响入手，进行区间隧道在可液化土层中 的地震反应分析，总结了区间隧道的可液化土层中的地震反应规律，得到了一些 有用的结论，并据此提出了隧道地下结构抗震设计中应注意的几个问题，本文所 做的主要工作如下： ( 1 ) 本文结合地震区地铁区间隧道穿越可液化土层的抗震实际，对实际研究 对象进行了科学简化，综合考虑研究对象需要考虑的因素，将研究对象转变为可 分析的数值模型。 浙江大学硕士学位论文区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 ( 2 ) 为了考查土体的液化性状对计算结果的影响，本文对不考虑土体液化和 考虑液化两种工况进行了分析对比，结果表明，在进行区间隧道穿越可液化土层 的地震响应分析时，需要考虑地基土体的液化情况。 ( 3 ) 区间隧道的抗震与衬砌结构的性能有密切的关系，对衬砌材料性质的研 究有着重要的实际意义，本文分别研究了衬砌混凝土标号、厚度和密度对计算结 果的影响，得出了一些有用的结论，可供相关隧道设计人员参考。 ( 4 ) 研究了不同隧道埋深对其地震响应的影响，得出了在可液化土层中增加 隧道埋深有利于增加其抗震性能的结论。 ( 5 ) 本文依据杭州地铁的详细勘察资料，结合杭州地铁建设的工程实际，对 可液化土体中的盾构隧道进行了地震反应分析。 浙江大学硕士学位论文区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 第二章理论基础 2 1 有限差分软件 本文研究采用f l a c2 d ( f a s tl a g r a g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) 分析软件，它 是一个二维的显式有限差分软件，利用显式有限差分法来求解基本运动方程。它 由国际著名学者、离散元法的发明人p e t e rc u n d a u 博士在7 0 年代中期开始研究 的面向土木建筑、采矿等的通用软件系统，基本上是为解决岩土工程的应用而设 计的，在国际土木工程尤其是岩土工程学术界和工业界赢得了广泛的赞誉，逐渐 成为我国岩土工程界发展最快、影响最大的设计软件之一。 为了模拟复杂的岩土材料的力学反应，f l a c 内嵌了十多种材料模型，足以 应对日常的岩土工程分析。f l a c 也包括了强大的内置f i s h 语言( 简称 f l a c i s h ) ，用户可以编写自己的变量和函数，如果需要的话，也可以编写自己的 本构模型，大大提高了f l a c 的适用范围。 f l a c 采用了一个“显式解方案”。因此，f l a c 对非线性的应力一应变关系 的求解所花费的时间，几乎与线性本构关系相同，而隐式求解方案将会花费较长 的时间来求解。而且它没有必要存储刚度矩阵，这就意味着采用中等容量的内存 就可以求解多单元结构，模拟大变形问题几乎并不比小变形问题多消耗更多的计 算时间( 因为没有任何刚度矩阵要被修改) 。模拟非线性、大变形问题是f l a c 的优点，因此f l a c 非常适合于本文所研究问题的分析。 f l a c 动力学分析选项提供了二维的平面应变或轴对称的全动力分析，基于显 式差分计算方法，使用由周围区域实际密度得到的集中网格点质量而不是静态求 解的假定质量，求解全部运动方程，方程式能够耦合到结构单元模型中，因此可 以用于解决本文中地震作用下的土与隧道衬砌结构的动力相互作用问题。动力特 性也可以耦合到地下水流动模型中，这样可以分析与液化有关的随时间变化的孔 压的改变。 f l a c 的理论公式从概念上类似于o t t e r 提出的动态松弛法，采用任意形状的 网格、大应变和不同的阻尼，按照w i l k i n s 提出的差分格式进行计算。用户将模 型分为由四边形单元组成的有限差分网格。在内部，f l a c 将每一个单元再分为 浙江大学硕士学位论文区间隧道穿越可液化土层的地震响应分析 两组覆盖( 共4 个) 的常应变三角形单元，如图2 1 所示。 4 l ； ，f j ( a )( b )( c ) 图2 1( a ) f l a c 程序中用到的重叠的四边形单元 ( b ) 典型的有速度矢量的三角形单元 ( c ) 节点力矢量 将四个三角形子单元分别命名为a 、b 、c 、d ，如图2 1 ( a ) 所示，每个三角形 单元的偏应力分量相互独立，因此对于每个四边形来说，总共有十六个应力分量。 作用在每个节点的外力可视为两个重叠的四边形的两个外力矢量的平均值。 2 2 模型计算范围的截取 隧道的开挖问题，通常假定为被半无限介质土层所包围，属于无界域。要进 行数值模拟分析就需要人工截取有限区域