土-地铁隧道动力相互作用的大型振动台试验——试验结果分析

在进行土-地铁隧道动力相互作用的大型振动台模型试验中,分别测出了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、结构的侧向土压力反应和隧道结构的应变反应。本文首先对模型体系的加速度反应实测值进行整理,分析了模型地基的边界模拟效果、模型地基和隧道结构的加速度反应规律。其次,对模型隧道结构的应变实测结果进行了分析,给出了地铁区间隧道在水平向地震动作用下横截面的应变分布规律,分析了模型箱侧壁与地基土以及隧道结构与土体接触面上的动土压力实测结果及其反应的规律。最后,对试验中模型土的液化现象、地震裂缝和地下结构上浮等震害现象进行了描述。     

悬挂式层状多向剪切变形模型箱的研制

现有模型箱不能满足开展复杂地下结构水平双向地震反应的振动台模型试验的要求,设计了由钢索吊起的模型箱体、悬挂支架和底板组成的悬挂式层状多向剪切变形模型箱,并对该模型箱进行振动台试验研究,结果表明:模型箱的固有频率远远低于模型地基的固有频率;模型箱能保证模型地基沿水平任意方向产生层状剪切变形;模型地基的加速度反应与深度有关与水平位置无关,模型箱能有效模拟原型水平土层的侧向变形边界条件。该模型箱既消除了现有柔性模型箱在水平地震激励作用下产生的土体拱效应现象,也克服了现有层状剪切模型箱仅能单向输入水平地震激励的不足,能满足开展水平双向输入振动台模型试验的要求。     

高速铁路桥梁-桥墩-桩基础-地基耦合系统的地震反应

高速铁路中的桥梁常采用灌注桩基础以控制沉降,地震作用是桩基础的设计工况之一。建立桥梁-桥墩-桩基础-地基为一体的耦合系统非线性三维数值分析模型,以典型地震波为输入,考虑上部结构和基础的共同工作、土-结构动力相互作用、材料非线性和土层对桩的侧阻及端阻作用,开展三向地震作用下的动力有限元计算,并对地基主要土层压缩模量、桩体材料弹性模量、桩径和桩长进行参数敏感性分析。计算结果表明:现行的桩基础设计方案能有效控制地震荷载作用下桥梁的变形;地震过程中的不同时刻,桩侧阻发挥程度不同且不可忽略,以单纯的梁单元模拟桩的动力学行为的适用性值得商榷;桩长和地基主要土层压缩模量对桥梁地震反应影响最大,桩体材料弹性模量的影响次之,桩径的影响最小。     

横向非一致激励下土层地震响应的振动台模型试验研究

针对自由场土体的非线性地震响应问题,采用悬挂式连续体模型箱,开展了横向一致激励和非一致激励下砂土自由场土体的振动台试验。通过试验,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律,包括场地土体的动力特性、加速度地震响应、剪应力-剪应变以及土体的沉降。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;与一致激励相比,非一致激励下土体运动的不一致性引起了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体的加速度峰值和频谱峰值均有降低,土体的非线性发展相对较快。土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况,所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。     

地面微倾斜可液化场地中地铁地下车站结构的地震反应研究

砂土液化造成了大量建筑物的破坏,但目前对砂土液化地基中地铁地下结构的地震反应研究相对较少,尤其对微倾斜液化地基中地铁地下结构地震反应的研究更为缺乏。基于有限单元法,采用已开发的砂土液化大变形动力本构模型模拟液化土层的剪切大变形,采用基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法的有限单元网格动态自适应调整技术解决土体液化大变形发生后有限单元的畸变问题,建立了地面微倾斜液化地基中土体-地下结构非线性动力相互作用的数值分析模型,分析了地面倾角变化对地铁车站周围地基液化分布特征、车站结构周围土层侧移变形特征、地下结构上浮和应力反应的影响规律,揭示了微倾斜液化地基中地铁地下车站结构的地震反应特征。     

考虑波流影响的深水群桩基础桥墩地震反应分析

用基于ABAQUS软件为平台的平行计算技术,对考虑波流影响的地基土-群桩-桥墩体系进行三维非线性地震反应数值模拟,土体和墩台以八节点等参单元离散,桩以梁单元离散,采用土体黏塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性,采用动力塑性损伤模型描述混凝土的动力特性;基于Morison公式,采用Stokes五阶波浪理论描述表面波流,波浪力以分布力的形式施加于桥墩之上,分析了考虑和不考虑波流作用时不同地震动作用下群桩基础桥墩的地震反应特性,结果表明:波流作用对桩体加速度反应的影响很小,但对桩体相对位移和弯矩的影响显著,波流作用使桩体弯矩和顺流向的相对位移增大、逆流向的相对位移减小,其影响幅度随流速的增大而增大,波流作用与输入地震动特性密切相关。考虑波流作用对深水大型桥梁群桩基础桥墩地震反应的影响是有必要的。     

软土地基核电厂房动力响应振动台试验

为了分析软土地基－筏基础核电厂房结构地震反应规律和特征,利用地震模拟振动台开展了软土地基－筏基础－核电厂房动力相互作用问题的试验研究。分别进行了表面水平土体模型和表面凹陷土体模型的运动相互作用试验、地基土－筏基础－核电厂房振动台相互作用试验、核电厂房直接固定在振动台面上的刚性基底振动台试验。试验采用圆形叠层剪切模型箱,地基土模型为某工程场地的均匀粉质粘土,其剪切波速为213 m/s;核电厂房简化为3层框架剪力墙结构模型。试验输入波形为美国核电规范常用的RG1.60反应谱合成得到的人工地震动时程。振动台试验结果对比分析表明:土－结构体系中系统的振动周期和阻尼明显大于刚性基底下结构的振动周期和阻尼;相同地震作用下在土－结构动力相互作用体系中结构加速度明显小于刚性基底下的结构加速度反应;而位移明显大于刚性基底下结构的位移。本文的研究成果可为软土地基建立核岛厂房的适应研究提供参考。     

地下结构地震反应规律和抗震设计方法研究

随着城市轨道交通系统,尤其是地铁的大规模建设,城市轨道交通系统的安全问题已经成为重中之重。地铁系统要在长时间的运行周期内保证安全,就必须具有良好的抗震性能。对于地下结构抗震问题,模型试验和数值计算是必不可少的两种手段,合理且简便的抗震设计方法是研究所要达到的目标,而地下结构周围土体材料的非线性动力本构模型是研究中的难点。本文对地下结构的地震反应规律和抗震设计方法进行了深入研究,取得了如下研究成果:(1)土的本构模型。根据Hardin和Drnevich提出的土体动应力-应变关系曲线以及其在非等幅往返荷载作用下的Pyke修正,结合Dafilias和Popov等人提出的边界面理论,构造了基于Hardin曲线的土体边界面本构模型,并在ADINA中利用自定义材料的二次开发实现了该本构模型。(2)二维有限元动力计算。采用Opensees对饱和砂土场地的地震反应进行了非线性动力有限元分析,并通过改变土性、地震动幅值、持时、频率等因素后数值模拟的对比,分析了各因素对可液化场地地震反应的影响;然后对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行了输入不同幅值地震动时的动力计算,分析了场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的变形和位移、以及隧道的内力分布,揭示了可液化土层中箱型隧道的地震反应规律和震害机理。(3)饱和砂土中地下结构地震反应振动台试验。完成了饱和砂土中地下结构地震反应的振动台试验,从孔压、土层加速度、土层频谱、地下结构加速度、地下结构频谱、动土压力和地下结构应变等方面分析了试验结果,并观测了宏观的试验现象,分析了饱和砂土场地以及其中埋置的地下结构的地震反应规律。(4)三维有限元动力计算。在Opensees计算平台中建立了穿过饱和砂土和粘土分界面箱型隧道的三维有限元模型并且进行了动力数值计算,对比分析了分界面两侧的土层和隧道的地震反应,此外,亦分析了沿隧道纵向地表竖向位移、隧道变形和隧道内力的分布,揭示了饱和砂土和粘土对隧道地震反应的不同作用,探索了穿过饱和砂土和粘土分界面的箱型隧道的地震反应规律和震害机理,对实际工程建设中此类隧道的抗震研究具有重要意义。(5)地下结构横截面抗震设计方法。详细介绍了反应位移法的原理和具体内容,以动力时程计算的结果作为参照,比较了几种地基弹簧参数取值方法计算结果的准确性;然后在反应位移法的基础上提出了大震下地基弹簧参数取值的非线性修正,并对其计算结果进行了验证;最后又依据地基弹簧参数取值的非线性修正,进而提出了基于反应位移法的地下结构简化pushover分析方法,并根据一具体算例对其计算结果进行了验证。(6)地铁隧道纵向抗震设计方法。介绍了几种常见的隧道纵向抗震设计方法,例如,BART法、质点-弹簧模型法和反应变位法等;然后将桩-土相互作用的p-y曲线弹簧引入到了地铁隧道的纵向抗震设计中,建立了超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型,并且通过对该模型的Pushover分析给出了地铁隧道的一种纵向弹塑性设计方法;最后通过多点激励对超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型进行了动力数值计算,得到了隧道纵向内力和变形的一些规律。     

阵列式位移计在动力测试中的应用

阵列式位移计（SAA）是一种基于微电子机械系统测试原理测试加速度和位移的传感器,具有精度高、可重复利用、自动实时采集等特点。该仪器装置可满足静态下岩土工程的变形测试要求,如边坡滑移、隧道、路基沉降、桥梁挠度等变形监测,也适用于动态下的加速度、位移、温度的测试。国内首次将阵列位移计（SAA）应用在大型振动台试验中,对桩基和刚性复合地基以及地基土在地震动作用下加速度和位移等动力响应进行研究。表明加速度动力系数在砂层中放大,软土中减小。随着输入地震动峰值的增大,地基土中不同深度测点的峰值加速度动力系数均有所降低,说明在累加地震作用下土体传递地震波的能力减弱。     

核电站取水结构动力反应及抗震性能分析

利用基于考虑钢筋和混凝土材料非线性的纤维单元模型及土体动力弹塑性模型的有限元程序Open Sees,建立土-结构二维平面应变有限元模型,对强震作用下国外某核电站取水结构进行弹塑性动力时程分析。研究取水结构以及地基土的地震动力反应特性,并对取水结构的变形性能和承载能力进行评估。结果表明,在设计基准地震作用下,取水结构与周围土体的变形呈现出较大的非线性,土体变形以剪切为主,其值随深度的增加逐渐减小。受土-结构动力相互作用的影响,取水结构周围土体的加速度反应较大。取水结构的最大内力和最大抗剪需求能力比分别发生在下层侧壁与底板相交的角点处和靠近侧壁的底板端部。取水结构的层间位移角和抗剪承载力均满足规范规定的抗震安全性要求,并且具有一定的安全裕度。     

不同场地条件下非规则截面地铁地下车站结构地震反应特性研究

我国大型城市轨道交通地下结构建设处于蓬勃发展时期,建设场地条件日趋复杂,车站结构形式也复杂多样,呈现不规则特征。近年的地震灾害现象表明,地下结构在强地震作用下可能会出现严重的震害及次生灾害,城市大型地下结构工程的抗震安全性已成为倍受关注的社会问题之一。因此,研究不良地质条件下不规则地下结构的地震安全性具有重要的学术意义与工程应用价值。本文以苏州星海站的不规则(上层五跨下层三跨)地铁地下车站结构和场地条件为原型,分别采用模拟地震振动台试验和数值模拟方法开展研究,探讨饱和砂土地基和软弱粘土地基中非规则截面地铁地下车站结构的地震反应特性及损伤机理。为满足振动台试验中多种类型物理量的有效测试,采用了分布式柔性孔压传感链测试技术,阵列式位移计(SAA)测试技术,并基于机器视觉研发的非接触性动态位移测试技术实现地下结构灾变过程的可视化及数据化。论文的主要工作和成果如下:(1)将阵列式位移计(SAA)首次应用于地基土-地铁车站结构大型振动台系列模型试验中,实现土体变形的测量,并与基于机器视觉研发的非接触性动态位移测试结果相比较,表明采用SAA可较好地测试地震荷载作用下土体的位移响应;研发了分布式柔性孔压传感链测试技术,可以有效解决振动过程中传感器与土体惯性力不同而产生的自身摇摆、移位等问题。形成了地基土-地铁地下结构体系地震损伤与破坏时空演化过程的大型振动台试验可视化及数据化试验技术,可展现非规则截面地下结构的变形模式。(2)将研发的测试技术应用于大型振动台模型试验,开展了可液化地基和软弱粘土地基中非规则截面(上层五跨下层三跨)地铁地下车站结构的地震反应特性研究,给出了模型地基-结构体系加速度、变形、震陷特性,模型地基土与结构接触动土压力反应,模型结构动应变特性以及可液化地基土孔压反应及空间效应等,揭示了不良工程地质条件下地铁车站结构地震灾变特性和破坏机理。(3)对完成的不同场地条件下地铁地下车站结构的振动台系列试验结果进行对比分析,包括地铁车站模型结构周围地基土的加速度反应规律、地表震陷特征,模型地基土与结构接触动土压力反应特性,非规则截面地铁车站模型结构的加速度、侧向位移和动应变的反应规律等,得出了不同场地中非规则截面地铁地下结构地震反应特性的差异性。(4)基于有限元软件ABAQUS计算平台,形成了地基土-地下结构体系成套数值分析流程,开展了软弱场地中非规则截面地铁地下车站结构振动台试验的数值模拟,并与振动台模型试验结果进行了比较,验证了该数值分析方法的可行性和有效性。在此基础上,对复杂环境下足尺非规则截面地铁地下车站结构进行了数值模拟计算,给出了其地震反应特性。     

土-结构动力相互作用及基础形式对超大型冷却塔结构地震反应的影响分析

采用ABAQUS有限元分析软件,分别对基于刚性地基假定的环板基础、考虑土-结构动力相互作用的环板基础和桩基础超大型冷却塔模型进行了模态分析、弹性和弹塑性时程分析,研究了土-结构动力相互作用和基础形式对超大型冷却塔结构动力特性和地震反应的影响。结果表明:当考虑相同阶数的振型时,刚性地基模型的振型参与质量系数最小。地震作用下,刚性地基模型和桩基础模型的加速度响应、支柱内力、塔壳混凝土主应力等一般比考虑土-结构动力相互作用的环板基础模型偏大,但塔顶水平位移偏小。土-结构动力相互作用比基础形式对冷却塔动力特性以及地震反应的影响更大,且二者对冷却塔竖向振动的影响比水平向大。三种模型计算所获得的冷却塔薄弱部位均集中于支柱,且支柱最大侧移角相差不大。     

Research on Dynamic Interaction Characteristics of Soil-pile-steel Frame Structure

利用振动台模型试验和有限元数值模拟的方法对土质地基-群桩-钢框架结构体系动力相互作用的规律和特征进行研究,并讨论了基桩长径比对于体系动力相互作用特征的影响。试验地基土体模型为均匀粉质黏土,剪切波速约为213 m/s;群桩基础由9根长2.0 m、直径0.1 m的基桩3×3对称布置;上部结构模型简化为三层钢框架结构。本文研究结果表明:土-桩-钢框架结构体系的阻尼比相较固定基础情形有所增加,输入相同地震动时其地震反应小于固定基础情形;动力相互作用体系中运动相互作用的贡献与惯性相互作用相当,不应忽略;随着基桩长径比的增大,运动相互作用增大,钢框架结构的加速度反应增大。     

饱和土体-地下综合管廊结构地震响应分析

将土体视为固-液两相介质,基于饱和土体有效应力原理,建立饱和土体-地下综合管廊结构体系相互作用动力模型:在地应力平衡的静力状态下采用Duncan-Chang非线性弹性本构模型,在地震波作用的动力状态下采用Davidenkov非线性黏弹性本构模型;考虑饱和土体黏弹性动力人工边界条件,将地震动作用转化为作用在人工边界节点上的动力荷载。模型考察不同地震波时程、地震波加速度峰值、入射角度、孔隙率以及地应力场的影响,得出如下结论:(1)地震波的卓越周期与场地卓越周期相近时引起结构上的变形最大;随着地震波加速度峰值的增大结构变形增大;随着地震波入射角度的增加结构变形增大,地震波斜入射情况下产生的行波效应使得结构变形最大。(2)土体材料的孔隙水压力是影响地震中结构变形的主要因素之一。(3)将土体材料考虑为单相介质时结构上的变形要比考虑为固-液两相介质时大得多,直接将饱和土体场地中得到的地震波等效荷载施加到单相土介质-结构动力相互作用模型上,能够得到与完全基于有效应力法一致的结果。     

层状横观各向同性场地地震反应分析

沉积风化作用使得天然土体表现出明显的成层特性和横观各向同性(TI)特性,然而目前还很少有针对层状TI场地地震反应分析的研究。本文推导了层状黏弹性TI场地的精确动力刚度矩阵,进而采用刚度矩阵方法求解了层状黏弹性TI场地的地震反应。文中通过与已有文献结果以及与经典EERA程序计算结果的比较验证了方法的正确性,并且分别在频域内和时域内进行了数值计算分析,研究了土体的TI性质对地表地震反应的影响。数值结果表明,TI场地与其等效各向同性场地地震反应有着显著的差异;当q P或q SV波以倾斜角度入射时,土体的TI参数对地表位移幅值放大谱的峰值及峰值频率具有显著影响;TI参数的改变将导致场地动力特性的改变,进而显著影响场地的地表加速度时程和相应的地震反应谱。     

饱和砂土中箱型隧道的地震反应分析

饱和砂土地基在地震作用下存在液化的潜在危险,液化引起的地基失效可能会导致地下结构的严重震害。以Opensees作为计算平台,对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行输入不同幅值地震动时的动力数值计算,研究场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的震后位移以及隧道的内力分布。计算结果表明,饱和砂土中箱型隧道的地震附加内力仍受周围土体的相对位移控制,此外在震后隧道可能会产生侧移和上浮的永久位移,并且可能存在残余内力。     

基于P-Z模型的直立墙振动台试验数值模拟

基于块石静、动室内三轴试验确定的广义塑性模型参数,对直立墙结构振动台试验进行有限元数值模拟,并与试验结果进行对比分析,进一步探讨直立墙结构在地震荷载作用下的破坏过程和破坏特征。计算表明:该模型可较合理地模拟直立墙结构的地震反应特性和破坏特征,计算结果与试验现象基本相符。位于抛石基床上的直立墙结构破坏模式为直立墙向外海侧的滑移、倾斜和竖向沉降,其破坏过程为:当输入加速度较小时,直立墙处于稳定状态;随着输入加速度逐渐增大,直立墙在自身惯性力和墙后回填块石的动土压力作用下缓慢向外海侧水平滑移、倾斜和竖向沉降,墙后回填块石出现沉陷,但变形较小;当加速度达到一定值时,直立墙向外海侧移动和回填块石沉陷速率急剧增加,变形较大。     

高边坡在水平动荷载作用下的动力响应规律研究

高岩石边坡在水平动荷载作用下的动力响应规律是有关工程界十分关心的问题。本文通过大量的数值模拟分析对边坡的动力响应规律进行研究，发现了高岩石边坡在水平动荷载下动力响应的加速度、速度、位移三量放大系数等值线在边坡剖面上分布的规律性特点。对于一定的岩土体材料，当边坡高度在一定时，边坡动力响应的加速度、速度、位移三量会随着边坡角度的增大而减小；当边坡的角度一定时，边坡动力响应的加速度、速度、位移三量会随着边坡高度的增加而放大；边坡的下覆岩层的材料特性对于边坡的动力响应的加速度、速度、位移三量的放大作用的影响具有一定的规律性；边坡动力响应的加速度、速度二量受动荷载的特征周期影响较位移明显，具有一定的规律性。边坡的边缘部位对振动的反应幅值较之内部存在放大现象，坡度决定了三量分布的等值线方向的走向。其结论性成果体现了高岩石边坡的地震动力响应特征，为高边坡工程提供理论基础和实践依据。     

西北黄土地区地震作用下地铁车站动力响应分析

以甘肃兰州地铁一号线某地铁车站为工程背景,基于ADINA分析软件32CPU有限元显式计算平台,建立地基土与车站结构相互作用的非线性地震响应计算模型。数值分析在El-Centro、Kobe和兰州波的多遇地震条件下其车站及地基土的动力响应差异。结果表明:车站结构振型与周围地基土振型基本一致;车站底板、中板及顶板的加速度时程曲线形状基本相同;中柱和侧墙均随着埋深的增加其水平位移减小;车站周围的地表土体均发生了不同程度的沉降,其距车站7.5m范围的沉降尤为显著,致使周围建筑物会遭受到一定程度的损坏。     

地震诱发低角度黄土-泥岩滑坡动力响应及变形分析

基于室内试验获取黄土滑坡的静力和动力力学强度参数,建立低角度黄土滑坡破坏大型物理模拟试验模型,结合FLAC^3D有限差分软件,分析黄土滑坡的动力响应规律和宏观破坏特性,阐明在地震作用下黄土滑坡的失稳演化规律,揭示黄土滑坡滑体运动迁移路径。结果表明：低角度黄土-泥岩滑坡在地震荷载作用下地震波水平方向和垂直方向均出现明显的放大效应;在黄土层内部,随着斜坡高度增加,坡肩和斜坡后缘加速度放大效应较为明显,对比坡脚、坡腰和坡肩处剖面上加速度放大系数,下伏泥岩对地震波产生一定的放大效应。松弛拉张裂隙,土体强度降低,接触面和坡肩、斜坡后缘处的拉张裂缝形成弧形滑移面,上覆黄土层由内向外依次连带下滑,坡肩处土体的下滑力和地震力促使坡腰土体大面积长距离滑动,最大滑动涉及范围长达200 m左右,土体下滑至坡脚发生堆积并产生隆起。数值模拟结果和振动台试验结果在动力响应和宏观变形破坏特征均呈现较高的吻合度。