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。     

可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构地震反应特性振动台试验研究

开展了近、远场地震动作用下可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构大型振动台模型试验。分析了模型地基的加速度、孔压、地表震陷及模型结构的加速度、应变。结果表明:模型地基的孔压累积经历了缓发展、急增长两个阶段;模型地基的加速度Arias强度释放时刻与孔压急增长阶段的起点时刻相对应,加速度Arias强度峰值较大的工况,模型地基孔压比峰值也较大;模型地基孔压场分布呈现出小震时模型结构底部液化程度较低、大震时场地底部液化程度较低的现象。强地震动作用下,模型结构发生了显著的上浮;模型地基、模型结构均表现出对低频相对发育的地震动反应更为强烈的现象。强震作用下,浅层可液化土在循环流动过程中发生了由于剪切刚度瞬态突增而导致峰值加速度瞬时急增的现象。模型结构中柱为此类型车站的最不利构件,附拱在与竖向成±(30°~60°)区域内应变反应较大,中庭上拱在45°位置处应变反应较大;随着模型结构拉应变幅值的增加,模型结构自振频率不断衰减。主观测面测点和次观测面测点的拉应变幅值均存在不同程度的差异,模型结构的应变反应存在空间效应。     

盾构扩挖地铁车站结构地震反应特性振动台试验

开展了近远场地震动作用下盾构扩挖地铁车站结构的振动台试验,分析了砂土模型地基的水平位移、地表变形、加速度、土压力反应及模型结构的加速度、应变等。结果表明：模型地基-结构体系的地震响应对中低频成分发育的地震波反应更为强烈;强震作用下地铁车站结构具有明显的空间效应,地下结构的存在将会改变模型地基表面变形的分布模式。小震时模型结构中柱的加速度反应自下而上逐渐增加,而大震时其反应规律变成先增大后减小;车站结构中板的加速度反应最大、底板次之、顶板最小;小震时,同等深度处模型结构的加速度反应与模型地基土的加速度反应大小相当,侧墙的动土压力自下而上逐渐增大;大震时,模型结构的加速度反应明显大于同深度处模型地基土的加速度反应,动土压力的最大值发生在扩挖隧道的拱肩和中间部位。基于震后模型结构的宏观现象和拉应变幅值,给出了砂土地基中盾构扩挖车站结构的地震损伤演化机制。     

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。     

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。     

可液化地基上地铁车站结构地震反应特征有效应力分析

采用Byrne简化的Martin-Finn振动孔压增量模型描述土体的液化特性,采用Davidenkov黏弹性本构模型描述土体的非线性特性,建立了可液化地基-地铁车站结构非线性静、动力耦合相互作用的二维分析模型,采用动力有效应力分析方法对可液化地基上两层三跨岛式地铁车站结构的地震动反应进行了数值分析,并与动力总应力方法分析的结果进行对比,结果表明：地铁车站结构两侧及底部邻近位置的土体较易液化,地基土的液化对地下结构邻近地表的加速度反应有明显的影响,且在地基土液化的影响下地下结构有明显上浮的趋势,并呈现出中部上凸的变形特征,地下结构的破坏型式为上层顶板和底板两端的受拉破坏、下层底板边跨跨中的上拱弯曲破坏、中柱的受压破坏、侧墙底端的弯曲破坏。     

考虑饱和土的地铁车站结构非线性地震反应研究

饱和土广泛存在于自然界之中,将土体视为固－液二相介质,基于biot饱和土介质动力方程的u-p形式研究了反映饱和土无约束域能量辐射效应影响的等效黏弹性人工边界单元,基于地震波转化为作用于人工边界节点上等效荷载的方法实现了波动输入。采用算例验证了等效人工单元的精度。建立饱和土-地铁车站非线性有限元整体模型,分析了考虑双相介质饱和土的波动传播,对比了饱和土及单相土在地震作用下地铁车站的地震反应,并与振动台试验结果进行了比较,研究表明：地震作用下采用考虑多孔介质的特性分析地基土与单相固体介质相比更加合理。通过对车站结构关键构件的加速度、位移和内力等进行分析,研究了饱和土－地下结构相互作用体系的地震反应。     

远场大地震作用下大尺度深软场地的非线性地震效应分析

基于ABAQUS软件自行研制的并行计算显式算法集群平台,针对苏州城区典型地层剖面,建立了大尺度深软场地的二维精细化非线性有限元分析模型,对人工地震波和大地震远场地震动作用下深软场地的非线性地震效应进行了比较研究。研究结果表明：（1）与人工地震波作用时深软场地的地表峰值加速度放大效应相比,大地震远场地震波作用时的放大效应尤为显著,由于土介质的横向不均匀性及其非线性,使不同地表的峰值加速度放大效应存在明显的变异性。（2）深软场地对周期小于0.3 s的高频地震波均具有显著的滤波效应;大地震远场地震波作用时,深软场地对周期0.85～1.65 s的长周期地震波的放大效应非常显著,但对2.5～7.0 s的长周期地震波呈现出明显的滤波效应。（3）地震动峰值加速度PGA值沿土层深度和横向的分布形态呈现出明显的高低起伏现象,在不同成因的土层更迭面附近及土介质横向不均匀性显著的区域,地震波的局部聚焦放大和过滤减小现象尤为明显,且大地震远场地震动作用时,20 m以浅土层的PGA值呈现出非常显著的放大效应。（4）地震波的频谱特性、土层的横向不均匀性对深软场地地表加速度反应谱? 谱的谱形有显著影响;给出了描述加速度反应谱沿土层深度变化特征的三维谱形曲线,可以直观地展示出深软场地中细长地下结构地震反应可能存在类共振现象的土层深度。     

地震动持时压缩比对可液化地基地震反应影响的振动台试验研究

在与可液化场地相关的振动台模型试验中,地震动持时按照时间相似比压缩后,所输入地震动的持时、频率、能量等特性均发生改变,这将对液化地基在地震荷载下的动力响应产生显著影响。本文以持时压缩比例为本次研究中的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展等,针对与可液化场地相关振动台试验设计中的地震动持时按照时间相似比压缩后对液化场地动力响应影响的问题进行研究。试验结果表明:地震动记录按照很小的相似比压缩后持时太短,地震动峰值一定时,可液化场地则有可能不发生液化;地震动持时越长,地震动能量越大,超孔隙水压力随地震动的输入积累迅速,场地土液化现象越明显,土体中加速度反应也表现出不同规律。根据得到的试验结果,涉及可液化场地的振动台模型试验中,建议采用原始持时地震动记录或按照较大的时间相似比压缩的地震动记录。     

地震动持时压缩比对可液化地基地震反应影响的振动台试验研究

在与可液化场地相关的振动台模型试验中,地震动持时按照时间相似比压缩后,所输入地震动的持时、频率、能量等特性均发生改变,这将对液化地基在地震荷载下的动力响应产生显著影响。本文以持时压缩比例为本次研究中的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展等,针对与可液化场地相关振动台试验设计中的地震动持时按照时间相似比压缩后对液化场地动力响应影响的问题进行研究。试验结果表明:地震动记录按照很小的相似比压缩后持时太短,地震动峰值一定时,可液化场地则有可能不发生液化;地震动持时越长,地震动能量越大,超孔隙水压力随地震动的输入积累迅速,场地土液化现象越明显,土体中加速度反应也表现出不同规律。根据得到的试验结果,涉及可液化场地的振动台模型试验中,建议采用原始持时地震动记录或按照较大的时间相似比压缩的地震动记录。     

关于地铁地震响应的模型振动试验及数值分析

为明确大地震时地铁的破坏过程及原因,以1995 年日本阪神－淡路大地震中遭受严重破坏的神户大开地铁车站为对象,进行了一系列的模型振动试验和动力有限元分析。对于作用于地下结构的地震动土压的发生原理、地震波输入方向、结构的埋设深度、地基与结构间的刚性比对地震动土压的影响及在地基-结构系统的非线性响应下结构周围地基终局状态时的地震动土压进行了研究。明确了地震动土压的极限值及在大地震时周围地基的残余应变引起的静止土圧力的存在。为今后改进地震土压力计算方法、提高地下结构抗震设计水平提供了依据。     

三向地震作用下叠交隧道地震响应振动台试验研究

叠交隧道是涉及隧道之间、隧道与土体相互作用的复杂体系,其安全性将严重影响城市轨道交通建设。目前,对于叠交隧道振动台试验的研究集中在水平平行和交叉叠交隧道、单向和双向地震动输入。鉴于此,利用自行设计的层状三向剪切模型箱,对竖直平行叠交隧道开展三向地震作用下的振动台模型试验,研究地基土−叠交隧道模型体系动力特性、地基土加速度、叠交隧道加速度、地表沉降、地基土孔压、叠交隧道动土压力及叠交隧道应变等地震响应。结果表明：随着震波峰值加速度（peak ground acceleration,简称PGA）依次增加,地基土−叠交隧道模型体系的自振频率随之减小,而阻尼比随之增大;叠交隧道周围地基土加速度和孔压的梯度差随着地震波PGA的增大而增大,且上隧道周围梯度差比下隧道更大;地基土对加速度的放大效应随着地震波PGA的增大而减弱;相同地震波作用下,相同位置处的叠交隧道加速度傅里叶谱形状相似,但幅值随着地震波PGA的增大而增大。此外,与顶部和底部位置相比,腰部位置加速度傅里叶谱频段范围变宽,幅值峰值有所降低;地表沉降峰值随着地震波PGA的增大而减小,相比地基土两侧位置,中心位置的沉降峰值明显较小;地震波的类型对叠交隧道动土压力峰值和应变峰值影响较小;对于动土压力峰值,两隧道的最大值均为腰部,而上、下隧道的最小值分别为底部、顶部;对于应变峰值,上隧道在腰部明显大于顶部和底部,而下隧道在4个位置相差不大。     

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。     

桩板式抗滑挡墙地震响应的振动台试验研究

汶川地震路基震害调查表明,在顺层或堆积体边坡中的桩板式抗滑挡墙具有良好的抗震性能。为了更好地了解该结构的抗震性能和优化抗震设计方法,以大型振动台模型试验为手段对其进行研究。为明确地震作用下桩板式抗滑挡墙的地震响应特性,试验采用缩尺的卧龙台站实测地震波对模型激励。试验结果揭示了土压力沿桩身分布规律、桩体位移和边坡岩土体加速度的地震响应特征。研究表明,地震土压力沿桩身呈非线性分布,竖向地震荷载对水平加速度有放大效果。所以,双向加载时的地震土压力比水平单向加载时大,但二者差距在地震基本烈度VII、VIII度区域不显著。滑坡推力、滑床对桩的土体抗力和桩身位移均与输入地震动峰值加速度成正比,即随着地震动峰值加速度的增加,加速度放大比增大;滑动面材料剪切强度折减,滑坡推力、土体抗力和抗身位移均增大,且增大速率加快。此外,结合试验成果,建议了桩板式抗滑挡墙设计时地震综合影响系数Cz的合理取值,对应地震基本烈度VII、VIII、IX度区分别为0.2、0.35、0.4。试验结果有助于揭示该结构抗震机制,也为其抗震设计提供了可靠依据。     

不同含水状态堆积体边坡地震响应特性大型振动台模型试验

堆积体边坡动力响应特性复杂,影响因素众多。已有的大型动三轴试验结果表明,含水状态对堆积体的动剪切模量比与阻尼比有重要影响。针对含水状态这一因素,开展了2组不同含水率的1:12比尺的大型振动台堆积体边坡模型试验,对比分析了其在连续地震荷载序列作用下的加速度响应特性与坡顶位移发展趋势。试验结果表明：2组边坡模型均表现出第一阶自振频率随着加载序列递减、阻尼比随着加载序列增大的现象,但含水率为6.6%时,边坡第1阶自振频率与阻尼比均大于含水率为0.7%的堆积体边坡。堆积体边坡含水率为6.6%时的输入地震动峰值加速度（PGA）放大系数大于堆积体边坡含水率为0.7%时的工况。2组模型坡顶水平响应加速度的傅里叶频谱特征相似,均表现出输入地震波的特征频率越接近模型第1阶自振频率,坡顶水平加速度放大效应越明显,而且从低频侧接近第1阶自振频率的响应比从高频侧接近的要显著。含水率为6.6%的堆积体边坡在多级地震荷载作用下的坡顶永久位移均大于含水率为0.7%的边坡,堆积体边坡含水率为6.6%,坡顶永久位移对输入地震波的频谱特性更敏感。研究结论有助于增强不同含水状态对堆积体边坡动力响应规律影响的认识。     

基于地表冲击荷载作用下的城市地下空间结构动力响应分析

由于地震效应、重载车辆的震动效应或由于不同爆炸物引起的强烈冲击效应,都会给城市地下空间结构带来较大的影响。通过土体的混凝土改进剑桥动力本构模型和混凝土塑性损伤本构模型,建立地表爆炸冲压荷载简化计算模型,对城市地下空间结构在TNT当量100 kg的炸药爆炸冲压荷载作用下进行了动力分析,研究了结构埋深、土体刚度对结构动力响应的影响,分析了远场爆炸地震波作用下地下空间结构的动力响应。计算结果表明,地下空间结构中部顶板产生了轻微的拉伸损伤;当埋深小于5 m时,结构动应力响应较大;结构覆盖土刚度越小,土对爆炸能量的吸收作用越显著;由于爆炸产生的地震波频率高,其对结构动应力的影响较小。研究结果对地下结构的抗爆设计具有一定的参考意义