双向地震作用下地铁车站改进截断墙抗液化上浮机制研究.pdf

截断墙法能减小地震过程中因地基液化导致的地下结构上浮，但难以防止地震结束后由超孔压消散引起的结构上浮。此外,已有研究未考虑竖向地震对抗上浮效果的影响。因此,在截断墙的基础上增设抗拔梁与碎石土层，采用有限元-有限差分耦合方法，分析了改进截断墙的最优参数设计及在双向地震下的响应规律。结果表明：设置碎石土层在震后的抗浮效果明显，抗拔梁的搭接长度为1.5m时足以防止结构上浮；强震下截断墙法只能在一定程度上抑制结构上浮，在震后的上浮量也较大,而改进的截断墙法在震中能有效地抑制结构上浮,在震后结构基本不上浮；设置改进的截断墙能在一定程度上减轻地震过程中车站结构所受的内力。关键词：双向地震；地铁车站；液化上浮；改进截断墙法；机制中图分类号：P315.09文献标识码：AStudy on anti-liquefication uplift mechanism of improved cut-off wallin subway station under bidirectional earthquakesHU Jileil.2,YANG Bing”,PANG Luou?(1.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area,Ministry of Education,China Three Gorges University,Yichang443002,China;2.College of Civil Engineering&Architecture,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)Abstract:The cut-off wall method can reduce the uplift of the underground structure caused by the liquefaction ofthe foundation during the earthquake,but it is difficult to prevent the uplift of the structure caused by the dissipationof the excess pore pressure after the earthquake.In addition,existing studies have not considered the influence ofvertical seismic action against the uplift effect.Therefore,this paper adds uplift beams and gravel soil layers basedon the cut-off wall.A finite element and finite different coupled method are used to analyze the optimal parameterdesign of the improved truncation wall and its response law under bidirectional earthquakes.The results show thatthe anti-uplift effect of setting the gravel soil layer is obvious after the earthquake,and the length of the anti-upliftbeam is 1.5 m sufficient to prevent the structure from floating.The cut-off wall can only restrain the structure fromuplifting up a certain extent under strong earthquakes,and the uplift is also larger after the earthquake,while theimproved cut-off wall can effectively restrain the structure from uplift up during the earthquake,and the structuredoes not uplift after the earthquake.Setting the improved truncation wall can reduce the internal force of the stationstructure during the earthquake to a certain extent.In addition,this paper deeply analyzes the anti-uplift mechanismof the improved cut-off wall method.Key words:bidirectional earthquakes;subway station;liquefaction uplift;improved cut-off wall;mechanism收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 7；修回日期：2 0 2 2-0 5-0 4基金项目：湖北省教育厅科学技术研究计划重点项目（D20211204)Supported by:Key Projects of Science and Technology Research Plan,Hubei Provincial Department of Education,China(D20211204)作者简介：胡记磊（198 6），男，副教授，博士，主要从事地下工程的地震破坏机理分析及防御等方面的研究。E-mail：h u j l c t g u.e d u.c n182地震工程与工程振动第43卷0引言饱和砂土地基中地下生命线工程在地震作用下会发生液化上浮破坏,如198 9年美国Loma Prieta地震导致加利福尼亚地铁因地基液化造成结构上浮，从而发生严重破坏;2 0 0 4 年日本Nigata-ken-Chuetsu-Oki 地震中超过1450 个排水人工孔发生了上浮破坏,结构周边地表出现了喷砂冒水和下沉现象2；2 0 11年日本东北大地震中仙台机场的地铁隧道发生了液化上浮破坏导致交通系统受阻3。我国地下轨道交通系统发展迅速，在开发利用地下空间时难免要穿越可液化土层，正如我国上海地铁、南京地铁、天津地铁等地铁沿线，如果地下结构被损坏,其修复成本非常昂贵。因此,对可液化地基土中地铁车站进行抗液化上浮设计是有必要的。国内外学者通常设计截断墙4-5、碎石排水6-7、注浆8-9、抗拔桩10 等措施来抑制地下结构上浮。这些抗浮措施的抗浮机制通常分为两种方式：设法减小地震时地下结构所受浮力的方法，其本质是通过减小可液化土层的震动变形和超静孔压累积（如截断墙）；增大抗浮力的方法,其思路是为结构提供抗拔力或增大其与周边土体的摩擦力（如抗拔桩）。白旭等1 进一步对碎石排水措施及截断墙措施进行了改进，验证了其在水平地震作用下的有效性,并分析了这两种方法的抗上浮机制。刘华北等12、HU等13研究发现地震之后地下结构会因超孔隙水压力的消散继续上浮然后再沉降,设置截断墙的方式在强震下抑制结构上浮效果最佳14,但难以防止地震之后由超孔压消散引起的结构上浮。另外,BAO等15的研究表明,竖向地震会加大车站的上浮量，而上述抗上浮措施的研究忽略了竖向地震分量对地下结构上浮的影响,且抗上浮机理不明确。因此，本文针对明挖浅埋地铁车站，考虑双向地震及震后的抗浮效果，通过增设抗拔梁及碎石土层来改进截断墙措施以减轻地铁车站的地震液化上浮灾害。首先，研究了改进截断墙措施的最优设计参数。随后，对比了无措施、截断墙、改进截断墙在震中及震后的抗上浮效果。最后，分析了双向地震作用下改进截断墙的抗上浮规律和工作机制。1数值方法简述本文采用基于无限小应变假设的循环弹塑性本构模型,OKA 等16 对该本构模型进行了详细的描述。该本构模型的基本假设和其他弹塑性本构模型基本相同,不同之处在于它采用的是黏塑性非关联流动法则,其屈服函数与势函数不一致,其屈服面f,正常固结边界f,塑性势面f,非线性硬化变量dX，的表达式如式(1式(4)：(1)fi=In;I+Mmln(om/ome)=0(2)f,=Inj-X,l+M,ln(om/ome)=0(3)d X,=B(M,de,-X,de)(4)式中：n；为应力比；me为等压固结后的平均有效应力；k，为屈服面的斜率；Mm、M，、M,和B为材料参数,分别代表转点应力比、相对应力比、极限应力比和硬化参数；X，为材料的动态硬化状态；de，为塑性应变增量。结构采用两节点梁单元模拟,材料假定为线弹性材料，土体、结构等参数已在文献11中得到验证。结合Boit水土二相耦合理论，采用由AKAI等17 提出的一种有限元-有限差分（finite element-finite difference，FE-FD)的耦合方法建立土体颗粒与孔隙流体的耦合关系。这种方法在空间上采用有限元方法离散平衡方程、有限差分法离散孔隙水压力的相关项,从而降低了方程的自由度；在时间上采用Newmark-法再对得到的控制方程进行离散化，最后得到了水土二相耦合的动态有限元方程。已有研究18-19通过模型试验与数值分析验证了该程序在分析液化土动态问题的有效性与正确性。并且也有研究13通过该程序分析了饱和砂土地基中地铁车站的响应规律,进一步证明了该程序的可靠性。2有有限元模型与地震动信息2.1有限元模型有限元模型如图1(a)所示，上层为饱和的可液化砂土层，厚2 5m，下层为不可液化的黏土层，厚2 5m；f=Inj-X,l-k,=0第3期有限元模型由337 0 个节点组成的336 2 个单元。本研究为更精确的模拟土-结构相互作用下结构附近场地的地震反应规律，网格划分的原则是靠近结构处的网格尺寸小,远离结构后网格尺寸逐渐变大。地铁车站的尺寸为2 0 mx8m,埋深5m，地铁结构采用线单元模拟，其抗弯刚度为2.8 10 kNm，密度为2.510 kg/m。图1(b)是在地铁车站两侧0.5m处分别设置钢板桩截断墙，截断墙底部嵌人黏土层2 m深，该设计与文献11的方法一致，截断墙的抗弯刚度为1.2 2 10 kNm，密度为7.8 510 3kg/m。图1(c）是在图1(b)的基础上，在地铁车站上方设置抗拔梁，抗拔梁连接到两侧截断墙上形成整体，另外在地铁车站四周布置碎石土层。模型的底部在两个方向均被固定,侧面采用等位移边界,顶部的节点自由。地下水位1m,地下水位以下的土体被认为是完全饱和的。参数见表1,取自文献11。抗拔钢板桩截断墙胡记磊，等：双向地震作用下地铁车站改进截断墙抗液化上浮机制研究22183200NI8.E120（a）有限元模型砂土层黏土层钢板桩碎石土层截断墙d单位：m（b）截断墙示意图图1有限元模型及不同抗上浮措施示意图Fig.1IFinite element model and sketches of different anti-liquefaction uplift countermeasures材料参数密度p(kg/m)渗透系数k(m/s)初始孔隙比eo压缩指数入膨胀指数K初始剪切模量比Go/mo相变应力比Mm破坏应力比M,硬化参数 Bo,BI,C,超固结比OCR参考应变D，YE膨胀参数Do，n2.2地震动信息本文采用的地震波为1995年Kobe地震波,该地震波具有的特点是垂直方向的加速度峰值最大。南北方向的峰值加速度为341.2 Gal,垂直方向的峰值加速度为555.9Gal,地震波如图2 所示。本研究输人水平及竖向地震激励以研究地铁车站的上浮响应，将两个方向的地震波均分别折减为0.0 5、0.1、0.15、0.2、0.2 5、0.3g。此外，本文进一步研究了震后地铁车站上浮规律（直至超孔压完全消散）。（c）改进截断墙示意图表1模型材料参数Table 1Material parameters of the model砂土2.0E33.0E-50.80.030.002343.50.81.04.000,40,01.20.003,0.0351.0,2.0黏土1.7E31.0E-71.40.10.02132.21.281.315 000,50,01.2碎石土2.1E33.0E-30.620.08750.006 81275.50.9091.1583.000,30,30 00011 000,1 000184/2500-250-500E03改进截断墙的设计参数分析改进截断墙法需要设计一些最佳参数，包括碎石排水层的宽度r、抗拔梁伸人顶板的长度、截断墙嵌入粘土层深度d以及截断墙与车站侧墙的水平距离s,各参数定义见图1（c）。改进截断墙的基准模型参数为：碎石排水层的宽度r为0.5m、抗拔梁伸入顶板的长度a为1m、截断墙嵌人黏土层深度d为2 m，截断墙与车站侧墙的水平距离s为0.5m。另外,抗拔梁与碎石土层的模拟参数选自文献11。本节将Kobe地震波进行调幅,输入0.3g的水平及竖向激励来研究这些参数变化对车站上浮量的影响，在分析某种参数时保持其他参数不变,从而保证结果的可比性。1.00.80.60.40.20.00.50.400.350.30叫/吾去0.25F0.200.150.10-2Fig.3 Influence of design parameters of improved cut-off wall on the uplift of the subway station图3(a)给出了改进截断墙法与地铁车站侧墙水平距离s和地铁车站上浮量的关系，可以看出，s越小,其抗浮效果越好。因此，采取s为0.5m时抗浮效果最好。图3(b)给出了抗拔梁搭接到车站顶板长度与地铁车站上浮量的关系，由图可知,不加抗浮梁时，上浮量达到了0.3m，而设置抗浮梁能有效降低地铁车站的上浮量。随着抗浮梁搭接长度的增加,其抗浮效果逐渐变好，当搭接长度超过1.5m时,其抗浮效果增加不显著。因此，搭接长度设计为1.5m时就能有效抑制结构上浮。截断墙嵌人黏土层深度d与车站上浮量的关系见3（c），可以看出，当截断墙位于砂土层时（d），截断墙的抗浮效果不佳。而当截断墙嵌人黏土层后,增加嵌人深度对地地震工程与工程振动500500/率250-250-500510时间/s（a）水平向地震波Fig.2Acceleration-time curves of seismic waves1.01.5水平距离s/m(a)s对上浮的影响02嵌人深度d/m（c）d 对上浮的影响图3改进截断墙的设计参数对地铁车站上浮的影响第43卷1520图2 地震波加速度时程曲线0.35口0.300.250.20F0.150.102.02.5403.00.00.51.01.52.02.5 3.0搭接长度a/m（b）对上浮的影响0.180.17/0.160.15口0.1465（b）竖向地震波0.00.5碎石排水层宽度r/m(d)r对上浮的影响10时间s1.0151.520口第3期铁车站的上浮量基本没有影响,这与刘华北的研究一致4。对于本文,采取嵌人深度d为2 m已经足够。图3(d)为碎石排水层宽度r对地铁车站上浮量的影响,可以看出，设置0.5m的碎石土层能在一定程度上减轻地铁车站的上浮量，而继续增加碎石土层的厚度反而会加大地铁车站的上浮量,这是因为增加碎石土层厚度会导致截断墙远离地铁车站,这样会削弱截断墙的作用。因此,设置0.5m厚的碎石土层效果最佳。4土地下结构的动力响应分析胡记磊，等：双向地震作用下地铁车站改进截断墙抗液化上浮机制研究1854.1地铁车站的上浮量本研究将竖向与水平地震波的幅值大小调成一致。仅在本节出现仅输入水平向地震的算例,其余分析结果均为双向输人。图4为不同强度地震作用下各抗上浮措施算例中地铁车站的上浮量对比曲线（地震结束时刻），从图中可以看出，输人双向地震后地铁车站的上浮量比仅输入水平向时要大,这与BAO等15的研究一致,因此，地铁车站的上浮量应考虑竖向地震分量的影响。此外,设置截断墙虽然能抑制结构的上浮,但当地震强度较大时,结构的上浮量达到了0.4m；设置改进截断墙方式下,其抗上浮效果明显好于仅在结构两侧设置截断墙,并且随着地震强度的增大,改进截断墙方式的抗上浮效果仍然较好。图5为地震强度为0.0 5g和0.3g情况下不同抗上浮措施算例中地铁车站在震中及震后的上浮量时程曲线，可以看出，在无措施及截断墙的算例中,地震结束后地铁车站会继续上浮然后再沉降，这是由于土体超孔压消散与土体固结沉降导致的12，而设置改进的截断墙方式后，不管是强震还是弱震作用下，在地震之后地铁车站不会继续上浮而是立即发生沉降。一无措施一设置截断墙0.16设置改进的截断墙0.080.002.52.0一一设置截断墙（双向输人）一一设置改进的截断墙（双向输入）1.51.00.50.00.050.100.15 0.200.250.30峰值加速度/g图4不同地震强度下各抗上浮措施的结构上浮量对比Fig.4Comparison of the uplift of the structure indifferent earthquake densities and differentanti-liquefaction countermeasures一无措施-设置截断墙0.16.设置改进的截断墙0.080.00一无措施（仅水平向输入）一无措施（双向输入）03F一设置截断墙设置改进的截断墙25（a）0.0 5g 地震作用过程中一无措施10时间/s1520213W/鲁然T220000时间/s（b）0.0 5g 地震作用结束后一无措施一设置截断墙设置改进的截断墙400006000000Fig.5 Uplift time-history curves of structures under different anti-liquefaction countermeasures0510时间/s（c）0.3g 地震作用过程中图5不同抗上浮措施下结构的上浮量时程曲线15202120000时间/s（d）0.3g 地震作用结束后4000060000186图6 为地震强度为0.0 5g和0.3g下各抗上浮措施算例中E1单元（地铁车站下方5m处土单元）的EPWP时程曲线。在0.3g地震强度下，峰值超孔压较大，已达到初始有效应力大小，说明土体已完全液化。而在0.0 5g地震强度下，峰值超孔压较小,地铁下方土体未发生完全液化，因此地铁结构的上浮量较小。此外，地震中土单元的EPWP出现了较大的振荡，这是由竖向地震分量导致的。200400一无措施150300一设置截断墙设置改进的截100无措施50设置截断墙0设置改进的截断墙05（a）0.0 5g 地震作用过程中图6 不同抗上浮措施下单元E1的超孔隙水压力时程曲线Fig.6 Time-history curves of EPWP of unit El under different anti-liquefaction countermeasures图7 给出了0.3g地震作用下地震结束之后16 940 s时地铁车站周围土体的超孔压比云图。可以看出，无措施时,地铁车站下方土体存在部分超孔压难以消散；设置截断墙方式后，地铁车站附近土体的超孔压更加难以消散；设置改进的截断墙方式后，超孔压能较快的消散,能减轻震后地铁车站所受到的水压力。0.00 0.12 0.25 0.38 0.50 0.62 0.75 0.88 1.000.00 0.12 0.25 0.38 0.50 0.62 0.75 0.88 1.000.00 0.12 0.25 0.38 0.50 0.62 0.75 0.88 1.00地震工程与工程振动200断墙10001015时间s第43卷2005（b）0.3g 地震作用过程中10时间/s1520(a）无措施4.2加速度响应图8 为不同抗上浮措施在地震强度为0.0 5g和0.3g下地铁车站顶部节点的水平加速度响应时程曲线，由图可知,在0.0 5g地震强度的算例中,结构的水平加速度放大效应显著,这是由于土体未完全液化时其仍能传递剪力。在0.3g地震强度的算例中,结构的加速度响应也被放大了（与输人加速度对比）,但先前的研究中发现1,完全液化的土层无法传递剪力,会减小结构的加速度响应，而本研究中出现不同的现象与输人竖向地震分量有关。此外,在不同的抗上浮措施中,结构的加速度响应随着地震强度的变化会有所不同，在1.6(s/叫)/率0.80.0-0.8F-1.604(s/叫)/率20-2-40Fig.8 Time-history curve of horizontal acceleration response of the structure under different anti-liquefaction uplift methods(b）设置截断墙图7 地震结束后16 940 s的超孔压比云图Fig.7 Cloud map of EPWP ratio in 16940 s after the earthquake1.61.6(s/叫)/率(s/网)/率0.80.80.00.0-0.8-0.8-1.6-1.6510时间s(a)0.05g无措施510时间/s(d）0.3g 无措施图8 不同抗上浮措施情况下结构顶部的水平加速度响应时程曲线（c）设置改进的截断墙1520152004(s/m)/率202405时间s(b)0.05 g截断墙510时间/s(e)0.3g截断墙10151520200（c）0.0 5g 改进的截断墙4(s/叫)/率220（f)0.3g 改进的截断墙5时间s510时间/s1015152020第3期0.05g地震强度下，各抗上浮措施下的加速度放大系数差别不大，在0.3g地震强度下，设置改进的截断墙方式能减轻高频部分的放大效应，但会放大低频部分的地震波。4.3地铁车站结构内力饱和砂土地基中地铁车站在地震过程中的最大内力基本都出现在构件端部或交接处,并且出现在结构底部单元1。如图9所示为地震过程中地下结构底部单元的最大内力,该现象与文献11的结论基本一致。其中,地铁车站中柱所受的轴力和弯矩要大于顶、底板以及侧墙,剪力要小于顶、底板以及侧墙。此外，设置改进的截断墙能明显改善车站结构的轴力、剪力与弯矩,这是因为设置改进的截断墙后,地铁车站下方的超孔隙水压力向结构两侧流动，减轻了车站结构所受的水压力。2400改进的截断墙改进的截断墙无措施12002000截断墙1200800左侧墙底部中柱底部右侧墙底部(a)轴力Fig.9 The maximum internal forces in the subway station in the earthquakes4.4地铁车站周围土体网格变形图10 给出了0.3g地震作用下地震结束时刻地铁车站结构及周围土体网格的变形和位移矢量对比。可以发现,无措施时地铁车站两侧土体大量往结构下方流动，这是地铁车站上浮的原因之一；截断墙法降低地铁车站结构上浮的机制是抑制土体液化后的流动变形，减小地铁车站两侧的土体向车站下方流动和挤压的程度,从而能减轻地铁车站的上浮量,这与文献4的结论一致。对比图10(b）、（c）可以发现,设置改进的截断墙对结构两侧土体的流动变形与设置截断墙差异不大，但结构下方土体明显有沉降的趋势,这对抑制车站上浮是有利的。胡记磊，等：双向地震作用下地铁车站改进截断墙抗液化上浮机制研究1400+无措施1000截断墙800600400左侧墙底部中柱底部右侧墙底部(b)剪力图9地铁车站结构在地震过程中的最大内力1872200改进的截断墙无措施18001600F左侧墙底部中柱底部右侧墙底部(c）弯矩(a）无措施Fig.10 Comparisons of deformed mesh of the model and displacement vector in different countermeasures4.5改进截断墙的工作机理分析设置截断墙方式的工作机理是通过抑制土体液化后的流动变形来减小结构物的上浮，但考虑竖向地震后其抗浮效果欠佳。在改进的截断墙方式中，抗拔梁与截断墙连接成一个整体，为地铁车站提供一个抗拔力，构建碎石排水层之后土体的超孔压流向两侧的碎石排水层从而减轻结构的上浮力。设置改进截断墙的工作机制主要有3种：限制结构两侧液化土体的流动,这与截断墙的工作机制是一样的；加快结构下方液化土体的超孔压消散，减轻地铁车站所受的孔压力；提供抗拔力，减少结构下方土体的隆起。在断层（0 2 0 k m）附近,往往会出现较高幅值的竖向地震分量,本文提出的抗上浮措施可为今后在断层附近的液化地基中建设地下结构提供一定的指导意义。5结论（b）设置截断墙图10 不同措施情况下模型的网格变形及位移矢量对比（c）设置改进的截断墙1)在地铁车站周围设置碎石排水层能加快超孔隙水压力的消散，防止结构在地震后继续上浮，设置厚度为0.5m时最佳；抗拔梁搭接到顶板一定长度后，继续加长其抗浮效果增加不明显。1882)考虑竖向地震会加剧地铁车站的上浮量，设置截断墙的方式能在一定程度上抑制地震过程中地铁车站上浮，但无法防止地震之后由超孔压引起的结构上浮；设置改进的截断墙能有效抑制强震下地铁车站的上浮,并且地震之后地铁车站基本不上浮；无措施、截断墙方式下，地铁车站下方土体的超孔隙水压力消散较慢，而设置改进的截断墙法能加快结构下方土体的超孔压朝向结构两侧消散。3)强震下,设置改进的截断墙方式能降低结构高频部分的加速度放大效应，但会很大程度上增大低频部分的加速度响应；设置改进的截断墙方式能改善车站结构所受的最大轴力，与设置截断墙方式相比，能减轻车站结构关键部位所受的最大剪力与弯矩。本研究考虑竖向地震分量后,强震下结构的加速度响应也被放大,具体原因有待进一步的研究。4)设置改进的截断墙法通过抑制结构两侧土体的流动、减轻结构所受的水压力、抑制结构下方土体隆起共同防止结构发生上浮。但其工程成本较高，需结合工程实际进行设计。参考文献：1SCHMIDT B,HASHASH Y,STIMAC T.US immersed tuberetrofitJ.Tunnels Tunneling International Magazine,1998,30(11):22-24.2YASUDA 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