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地铁地基液化变形的影响因素研究
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内容提示：研究了一些对地铁隧道杭震德定有校大影响的因素。例知，地铁随过的整体平均容重和地铁隧道的理深，尽管它们对地基的孔陈水压力发展影响不大，但却对地铁隧道的震后残余变形影响相当显著。还有，砂性土中粘性土的含量多少对砂性土的动力行为有直接而显著的影响。最后，从能量的角度分析了输入不同地震波的地铁地基土层动力反应的差异。
摘要:研究了一些对地铁隧道杭震德定有校大影响的因素。例知，地铁随过的整体平均容重和地铁隧道的理深，尽管它们对地基的孔陈水压力发展影响不大，但却对地铁隧道的震后残余变形影响相当显著。还有，砂性土中粘性土的含量多少对砂性土的动力行为有直接而显著的影响。最后，从能量的角度分析了输入不同地震波的地铁地基土层动力反应的差异。（参考《建筑中文网》）
关健词:地铁地基;有效应力分析;地震液化;残余变形
0引言
地铁作为城市交通重要的载体之一，保证其稳定性具有非常重要的意义.本文根据Zienkiewicz等人的将动孔压扩散和消散与动力反应相藕合的理论[1]，结合《南京市地铁地基地震液化变形及抗震减灾措施研究》项目，对南京地铁进行地震荷载作用下的有限单元法有效应力分析。南京地铁典型计算断面及有限元网格见图1。计算中采用较为复杂但能较好地模拟砂土特性的多重剪切机构模型，关于模型介绍及计算参数见文献[2]。本文研究了一些对地铁隧道抗震稳定有较大影响的因素。例如，地铁隧道的整体平均容重和地铁隧道的埋深，尽管它们对地基的孔隙水压力发展影响不大，但它们却对地铁隧道的震后残余变形影响相当显著。还有，砂性土中粘性土的含量多少对砂性土的动力行为有直接而显著的影响。最后，从频率和能量的角度分析了输入不同地震波导致地铁地基土层动力反应的显著差异[3]。
1 地铁浮容重的影响
由于地铁隧道的开挖，隧道附近土体应力有所释放，整个地铁隧道的平均容重将小于水的容重，使得地铁隧道在地震过程中产生相对较大的向上的位移。对地铁地基进行有限元有效应力模拟分析，结果表明加大地铁隧道的整体重量可明显地减少隧道的残余变形，因此它可作为一种经济可行的构造措施运用于地铁的设计。计算时取地铁隧道上方顶点残余变形作为评价标准，结果见图2。
从图2可以看出，地铁容重对隧道震后残余变形的影响是显著的，可近似认为它们之间呈线形关系。
在7度地震作用下，在南京地铁地基隧道顶部及拱腰处将发生局部液化现象，加大地铁容重，可有效降低地铁隧道的残余变形。特别当可液化砂层较厚，由于施工机械等原因振动碎石桩无法穿透可液化砂层时，或即使施工上不存在问题但也由于经济方面的原因使得无法全部穿透可液化砂层时，可考虑适当地加大地铁隧道容重来减少震后残余变形，从而获得较大地基抗液化变形稳定效果，增加地震地基液化时的隧道抗上浮能力。
2 砂性土中粘性土含量的影响
在粘性土层中即使孔压达到了围压，也不会出现砂土液化现象，其主要原因是粘性土的结构性比较强，颗粒之间有较强的粘结作用。在强度指标中反映此作用的是粘结力，故而笔者设想如果砂性土中含有较多的粘性土应该对砂土中的孔隙水压力发展有抑制作用，于是在进行有限元有效应力模拟分析时，修改了土的剪胀参数。
从图3中可以看出，随着粘性土含量的增加，隧道顶点水平残余变形和竖向残余变形都大幅度下降，但当粘性土含量从10写增加到20%时，残余变形并不明显减少或基本保持不变，表现为较多的粘性土的性质。
从机理上来说，砂性土中的粘性土含量较少时，颗粒与颗粒之间的接触基本上发生在砂性土颗粒之间，因此这种类型的土基本上表现出了砂土的性质;当粘性土含量增加，粘性土微小的颗粒将不断包裹砂土颗粒，使砂性土之间的孔隙被粘性土填充，从微观上来看此时的砂土已从整体上表现出来粘性土性质，其抗液化能力将大幅度提高。
3 地铁隧道埋深的影响
根据《建筑抗震设计规范》，场地上覆压力减少，将增加场地液化的可能性。为此，本文分别对埋深为16 m和10 m的同一隧道，进行有效应力分析，计算结果如图4所示。从中可知，隧道埋深浅对地铁工程的抗震稳定性是不利的，震后残余变形基本上增加了1倍。此结果笔者认为首先是液化区易出现在浅层或孔隙水压力在浅层发展最快所造成的;其次是隧道埋深减少使得其上覆有效压力大幅下降造成的。这两方面的原因，导致地铁隧道这种整体较轻的结构在地基液化的情况下产生更大的震后残余位移。
4 输入不同的地震波影响分析
在大坝中，土石坝的基频与其刚度及坝高有关，刚度大者基频亦大，坝高则与基频成反比例。坝的刚度取决于动模量的大小，而动模量又随着动应变幅的增大而非线形减少。很明显，地基中也存在一个系统基频问题，输人不同的地震波则系统的基频不一样。如果地震波的卓越频率接近于系统的基频，则地基的地震反应最大。于是笔者对唐山地震波、台湾地震波、苏南核电站地震波和美国地震波作了频谱分析，以了解各地震波的卓越频率及其对地基地震的动力反应的影响。
当输人苏南地震波、唐山地震波、台湾地震波和美国地震波时(其最大水平加速度幅值amax二均调整为。.19)，地基地表的最大水平加速度分别为0.731 m/s2,0. 933 m/s2,1.22 m/s2和0. 901 m/s2，与计算断面的底层输人的最大加速度。.l9的比值分别为0. 731,0. 933,1. 22和0. 9010上述反应说明:输人台湾地震波时，地基的反应最大;输人苏南地震波时，地基的反应最小。为了解不同地震波对地基反应的差异，对这4条地震波进行了频谱分析。
地震过程a (t)可以展开为N个不同频率的组合，并可用复数形式表示为:
a (t)为输人地震波的时程线，t1为地震结束时刻。
频域中的富立叶谱A(iw)与时域中的地震加速度过程a (t)是完全等效的。通过对唐山、台湾、苏南、美国这4条地震波的时程曲线作富立叶变换，可得图5~图8，其中横坐标为频率f (Hz )，纵坐标为富立叶幅谱，单位为g·s。
从图5~图8中，可以看出，各地震波的卓越频率fo相差较大，计算各地震波的动力反应显然不一样。唐山地震波表现为冲击型地震波;台湾地震波有两个峰值，表明台湾地震波有两次比较强的震动;苏南核电站地震波表现比较平缓，震动次数比较多且幅值较均匀，属于振动型地震;美国圣费尔南多地震波则介于两者之间。
将时域里的地震波转换到频域里的地震波将是完全等效的，变形和孔隙水压力的增长应该是地基在地震作用下不断损伤的结果，这种损伤是它所消耗能量的反应。所以，可以从地震的富立叶频谱图曲线所围成的面积即地震波的能量，来分析输人不同地震波的土层反应差异，很显然台湾地震波的能量相当大，因此它的破坏性也就最强。
5 结论
（1）由于地铁隧道的整体平均重度比较轻，在地震砂土液化过程中，产生了对隧道上浮作用，隧道的最终竖向残余变形表现为向上的位移。因此，如果在地铁隧道的设计和施工过程采取增加隧道整体平均重度和加大地铁隧道的埋深等构造措施，将能够减少隧道的震后残余变形、增加地铁地基抗震稳定性的。
（2)砂土的上覆土压力对其在动荷载作用下的动稳定性是有直接关系的。本文分别分析了地铁隧道埋深为10 m和16 m的情况，发现埋深10 m的隧道顶部震后残余变形将是埋深16m时的2倍。
(3)粘性土的含量对砂性土的性质影响较大，粘性土含量的增加，能显著地抑制在地震荷载作用下地基孔隙水压力的发展，最终的隧道残余变形也大幅度地降低。但粘性土含量的增加到一定的比例时，砂土层中的地震孔隙水压力已基本上降到很小(孔压比小于0. 2 )，再增加粘性土含量将不能起到有效的作用，因此存在粘性土含量的有效界限问题。
(4)本文对几条地震波进行了富立叶变换处理，即将地震波从时域中变换到频域。通过分析，认为不同的输入地震波具有不同的卓越频率，越接近隧道地基系统的卓越频率，其地震反应越大。而且各地震波的能量是不一样的，台湾地震波所具备的能量是最大的，这与直接输入地震波进行动力反应分析的结果是一致的。
参考文献:
[1]Zienkiewicz. Soil and other saturated media undextransient dynamic conditions[A].Pande G N，Zienkiewicz O C, eds. Soil Mechanics-Transient andCyclic Loadings [C]. London; John Wiley and Son.1982. I-16
[2]森田年一，井合进，刘汉龙，等.液化时构筑物受害预测程序Flip各种必要参数的简易设定法〔J〕.港湾技研资料，1997,(7):869
[3]钟小春.南京地铁地基液化变形及抗震措施研究[D].南京;河海大学.2001
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200807/8968.htm
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