阪神地震中大开地铁车站震害机制数值仿真分析

1995年阪神地震中,神户市的地下结构遭受了严重的破坏,尤其是地铁车站的破坏最为严重,其中大开地铁车站有一半以上的中柱发生坍塌,导致地面坍塌近2.5 m。对大开地铁车站的震害进行了全面地描述,基于大型商用有限元软件ABAQUS,采用在该软件上二次开发的土体非线性黏弹性动力本构模型模拟土在循环荷载作用下的动力特性,采用黏塑性动力损伤模型模拟混凝土在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,对大开地铁车站的非线性地震反应进行了数值仿真分析,给出了破坏演化过程,把有限元分析的结果与大开地铁站的实际震害现象进行了对比,结果表明：数值仿真分析结果能够合理地解释大开地铁车站的主要震害现象,建模方法能够被用来进行地下结构的非线性地震反应分析。     

可液化土中地铁结构的地震响应

在饱和土耦合作用与土和结构相互作用理论基础上,以地铁车站为例,用有限元法研究地下结构在地震液化作用下的响应。所采用的软件为动力两相体非线性有限元软件Dyna-Swandyne-II,该软件可以应用先进的Pastor-Zienkiewicz III广义塑性模型模拟可液化土的动力特性,应用u-p形式的Biot方程,在有限元分析中充分考虑孔隙水与土之间的耦合,同时考虑地下结构与饱和土在动力作用下的非线性相互作用。分析了地铁车站的动力响应,包括地铁内力、加速度以及地铁位移。研究结果表明,地铁结构在地震液化作用下会产生较大的上浮,从而对结构造成比较严重的破坏;地铁结构在地震作用下的最大内力位于结构的交接处。因此,结构交接处的配筋应该格外小心。     

饱和砂土地层中隧道结构动力离心模型试验

饱和砂土地层中隧道结构可能会因地震地基液化而发生破坏。通过对可液化地层中地铁隧道结构的地震反应进行动力离心模型试验,研究了饱和松砂地基在地震作用下的反应特性、可液化地层中地铁隧道结构的上浮及变形特性和设置截断墙对限制隧道结构上浮的效果等问题。研究结果表明,地基液化引起的隧道衬砌上的附加变形内力以及隧道上浮量主要受地基液化时土水压力的变化影响。截断墙的设置限制了隧道两侧土体向隧道下方流动的趋势,有效减小了隧道结构的上浮量     

微倾斜场地中地铁地下结构周围地基液化与变形特性振动台模型试验研究

强震中场地砂土液化产生的土层侧移对地面建筑结构和地下生命线工程造成了严重的破坏。可以预见,微倾斜液化场地的土层侧移也将对地铁地下结构的地震安全造成严重的威胁。鉴于此,开展了微倾斜（倾角为6o）可液化场地中两层三跨地铁地下车站结构与区间隧道连接部位地震反应的大型振动台模型试验研究。结果表明：微倾斜可液化场地中地铁车站结构两侧地基出现了明显的非对称液化分布特征,坡体下方水平土层比上方水平土层更易液化;因坡体内土体液化沿坡向下流滑引起了下方水平土层发生了明显的地面抬升,总体上坡体段内的地面侧移量最大,下方水平土层地面侧移量次之,坡体上方水平土层地面侧移量最小。同时,在试验过程中也发现,隧道和车站结构之间发生了明显的差异上浮,可能会造成连接部位附近结构的应力集中或加重该部位的地震破坏。     

微倾斜场地中地铁地下结构周围地基液化与变形特性振动台模型试验研究

强震中场地砂土液化产生的土层侧移对地面建筑结构和地下生命线工程造成了严重的破坏。可以预见,微倾斜液化场地的土层侧移也将对地铁地下结构的地震安全造成严重的威胁。鉴于此,本文开展了微倾斜(倾角为6°)可液化场地中两层三跨地铁地下车站结构与区间隧道连接部位地震反应的大型振动台模型试验研究,结果表明:微倾斜可液化场地中地铁车站结构两侧地基出现了明显的非对称液化分布特征,坡体下方水平土层比上方水平土层更易液化;因坡体内土体液化沿坡向下流滑引起了下方水平土层发生了明显的地面抬升,总体上坡体段内的地面侧移量最大,下方水平土层地面侧移量次之,坡体上方水平土层地面侧移量最小。同时,在试验过程中也发现隧道和车站结构之间发生了明显的差异上浮,可能会造成连接部位附近结构的应力集中或加重该部位的地震破坏。     

微倾斜场地中地铁地下结构周围地基液化与变形特性振动台模型试验研究

强震中场地砂土液化产生的土层侧移对地面建筑结构和地下生命线工程造成了严重的破坏。可以预见,微倾斜液化场地的土层侧移也将对地铁地下结构的地震安全造成严重的威胁。鉴于此,本文开展了微倾斜(倾角为6°)可液化场地中两层三跨地铁地下车站结构与区间隧道连接部位地震反应的大型振动台模型试验研究,结果表明:微倾斜可液化场地中地铁车站结构两侧地基出现了明显的非对称液化分布特征,坡体下方水平土层比上方水平土层更易液化;因坡体内土体液化沿坡向下流滑引起了下方水平土层发生了明显的地面抬升,总体上坡体段内的地面侧移量最大,下方水平土层地面侧移量次之,坡体上方水平土层地面侧移量最小。同时,在试验过程中也发现隧道和车站结构之间发生了明显的差异上浮,可能会造成连接部位附近结构的应力集中或加重该部位的地震破坏。     

土-地下结构体系地震反应的简化分析方法

基于Penzien提出的土-结构动力相互作用分析的集中质量模型,考虑等价土体的层间剪切刚度与阻尼效应,提出了土-地下结构动力相互作用体系地震反应分析的简化分析方法,选取具有不同地震动特性的Taft波、汶川地震什邡八角波和松潘波作为基岩水平向输入地震动,采用该简化方法和二维有限元法对土-地铁地下车站结构体系的地震加速度反应特性进行了对比分析,结果表明：简化方法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应大于二维有限元法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应,两者的差异与输入地震动特性有关,但其随地铁地下车站结构高度变化的总体趋势较为一致;随着输入地震动强度的增大,其差异程度也有所加大。该简化方法可合理反映土-地下结构体系的动力相互作用效应,可作为地下结构抗震设计分析的一种辅助方法。     

可液化场地碎石桩复合地基地震动力响应分析

采用砂土液化大变形弹塑性本构模型分析可液化砂土,采用模量随应力与应变变化的等效非线性模型增量形式分析碎石桩,应用FLAC3D有限差分软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维动力响应分析。模拟分析了在地震作用下碎石桩刚度效应和排水效应对加固处理可液化场地的抗液化效果,从初始小变形到液化后大变形的变形发展,超静孔压累积与消散,及桩与土的变形与应力分配变化等。结果表明,所用模型与方法可合理描述可液化场地碎石桩复合地基在地震作用下场地的动力响应特性和抗液化效果;在地震作用下可液化场地中桩周土体与碎石桩体的竖向应力与水平向剪切应力向碎石桩体集中,竖向有效应力比可降至约1/6～1/3;桩周土体与桩体为非协调变形,剪应变比可达7～10;碎石桩抗液化影响范围约为2.5～3倍桩径,对超过3.5倍桩径范围影响较小;碎石桩与砂土渗透系数比大于100时对降低砂土中超静孔隙水压影响明显;碎石桩对场地的加密效应可显著降低超静孔隙水压力,而碎石桩刚度则对超静孔隙水压力变动影响较小,但有助于减低地面加速度响应峰值。     

液化自由场地震响应大型振动台模型试验分析

开展了含上部黏土层、饱和砂土层、密实砂土层的可液化自由场地在水平地震动激励下的大型振动台模型试验研究,分析了地震动激励时饱和砂土液化后场地加速度、位移、孔压比时空响应等动力响应。试验结果表明：在小震激励时,场地动力反应较小,加速度反应自下而上不断放大,各深度处孔压比均较小,模型地基整体处于弹性反应阶段;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,孔压积累迅速,可液化土体最上部土层孔压比达到1,饱和土体液化,模型地基表现出明显的非线性反应特征,加速度反应在饱和砂土层中未有明显放大,土体卓越周期对应的反应加速度自下而上有不断增大趋势。该研究是土-群桩-上部结构体系大型振动台系列试验中可液化自由场动力反应部分,可供今后做对比分析和验证数值模拟参考。     

近远场地震动作用下地铁车站结构地基液化效应的振动台试验

开展了近场和远场地震动作用下3跨3层地铁车站结构地基液化效应的振动台模型试验,测试了地铁车站结构的加速度、应变、水平位移反应和地基土孔隙水压力、加速度、震陷及其作用于模型结构侧墙的动土压力反应。分析和总结了地铁车站结构地基液化效应特征,结果表明：模型结构对其周围地基土孔隙水压力场的分布有明显影响,结构两侧和底部地基土中的孔压峰值小于相同深度离结构较远地基土中的孔压峰值;地基土中孔压的消散速度自下而上呈逐渐减慢的趋势;地震动作用过程中,模型结构产生向上的相对运动,强地震动作用时模型结构上浮现象明显;模型结构侧墙受到的动土压力随深度增大而减小,输入地震动特性对动土压力的大小有显著影响。     

Centrifuge shaking table tests on 4 × 4 pile groups in liquefiable ground

A series of centrifuge shaking table model tests are conducted on 4?×?4 pile groups in liquefiable ground in this study, achieving horizontal–vertical bidirectional shaking in centrifuge tests on piles for the first time. The dynamic distribution of forces on piles within the pile groups is analysed, showing the internal piles to be subjected to greater bending moment compared with external piles, the mechanism of which is discussed. The roles of superstructure–pile inertial interaction and soil–pile kinematic interaction in the seismic response of the piles within the pile groups are investigated through cross-correlation analysis between pile bending moment, soil displacement, and structure acceleration time histories and by comparing the test results on pile groups with and without superstructures. Soil–pile kinematic interaction is shown to have a dominant effect on the seismic response of pile groups in liquefiable ground. Comparison of the pile response in two tests with and without vertical input ground motion shows that the vertical ground motion does not significantly influence the pile bending moment in liquefiable ground, as the dynamic vertical total stress increment is mainly carried by the excess pore water pressure. The influence of previous liquefaction history during a sequence of seismic events is also analysed, suggesting that liquefaction history could in certain cases lead to an increase in liquefaction susceptibility of sand and also an increase in dynamic forces on the piles.     

可液化场地微型桩地震响应特性研究

可液化场地微型桩的地震响应分析是确保工程安全和优化抗震设计的前提。应用动态离心机试验和三维有效应力数值分析方法,研究了微型单桩桩台的侧向变形和加速度、不同埋深桩身弯矩、可液化场地的加速度及超孔隙水压力等响应特征。首先开展了相对密实度为57%饱和土层、输入波是频率为1 Hz和峰值加速度为1.516 m/s2正弦波的微型桩40 g动态地震响应离心机试验,进而应用基于多重剪切机构塑性模型和液化前缘状态面概念的三维有效应力分析方法,反演了试验结果,并进行了对比分析,结果表明,数值模拟与离心机试验结果吻合,液化场地特性控制着建于其中微型桩的地震响应特征,微型桩桩台的水平变形和残余变形可达78、30 mm,桩身最大弯矩和最大残余弯矩呈现向桩身底部迁移特点,同时表明,基于动态土工离心机试验和数值分析相结合的研究方法,分析可液化场地微型桩地震响应特性是有效可行的,研究结论为可液化场地微型桩的抗震设计提供了可靠的依据和参考。     

碎石桩复合地基桩体减震作用研究

地震引起的土体液化和地基失效对岩土工程师而言仍是一个热点问题。地震液化及地基变形可以采用多种地基加固方法防治,碎石桩技术是常用方法之一。碎石桩复合地基抗液化效用主要是增加桩周土体的密度、桩体的排水以及桩体分担地震水平剪应力作用(桩体减震作用)。目前,以抗液化为主的碎石桩复合地基的设计以及效果评价方法仍只考虑加密作用。首先通过3个模型(1个饱和砂土地基模型、2个碎石桩复合地基模型)的振动台试验研究抗液化碎石桩的减震作用。然后以试验记录的模型动力反应以及建立的理论模型为基础,分析碎石桩复合地基的桩体减震作用。试验及理论分析结果表明,复合地基中的碎石桩可以明显地降低作用在桩间可液化土上的地震剪应力。     

Seismic response of pile foundations in liquefiable soil: parametric study

The performance of pile foundations in liquefiable soil subjected to earthquake loading is a very complex process. The strength and stiffness of the soil decrease due to the increase in pore pressure. The pile can be seriously destroyed by the soil liquefaction during strong earthquakes. This paper presents the response of vertical piles in liquefiable soil under seismic loads. A finite difference model, known as fast Lagrangian analysis of continua, is used to study the pile behavior considering a nonlinear constitutive model for soil liquefaction and pile?Csoil interaction. The maximum lateral displacement and maximum pile bending moment are obtained for different pile diameters, earthquake predominant frequencies, Arias intensities, and peak accelerations. It is found that the maximum lateral displacement and the maximum pile bending moment increase when the predominant earthquake frequency value decreases for a given peak acceleration value.     

水平液化场地土表位移简化理论解答

水平液化场地地表往返位移的求解是基础和地下工程抗震设计的迫切需求。利用双层模型模拟实际水平场地,提出了可考虑液化层存在下的土表位移简化计算方法并给出频域理论解答,同时采用逐循环累计方法给出水平场地任意荷载下土表位移时域解答。采用适于水平场地孔压增量模型,并逐循环修正土层模量,模拟液化引起的土层的非线性过程。振动台试验结果和提出棋型的计算结果吻合,验证了所提方法能够反映土体液化对土表位移影响的基本过程。提出的方法和解答物理意义明确,可代表土体液化对土表位移影响的基本形态,并可用于频域及时域的无量纲分析。