软土矩形地铁隧道地震反应特性分析

2019-09-06李永靖马启郁张淑坤张鸿达

中国地质灾害与防治学报 2019年4期

李永靖，马启郁，张淑坤，潘铖，张鸿达

(辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

人们对地下建筑结构的抗震理论及设计研究起源于20世纪中期，特别是在多震国家的日本，几次大地震都使地铁及隧道结构发生了严重震害，引起了人们对地下隧道结构抗震的关注和重视[1]。日本学者大森房吉在20世纪50年代提出了以静力理论为基础来计算地下结构的地震作用力；20世纪70年代，日本学者确立了三种实用抗震分析方法[2]；20世纪80年代末期，WOLF和SONG对DASGUPTA提出的衍生方法加以改进[3]，为求解地下结构抗震中的地基动力阻抗矩阵提供了新思路。国内学者朱合华等[4]分别用样条有限元法和半解析有限元法探究了隧道结构最大内力及其出现位置；李向辉[5]、梁剑[6]进行了地铁抗震设计方面的研究；姜忻良等[7]、蔡海兵等[8]、孔戈等[9]从不同角度进行了隧道地震反应特性的分析。以上专家学者的研究均取得了有益成果，但是，以上研究的地铁隧道断面大都是圆形或三心拱形，对软土条件下矩形地铁隧道的地震反应特性分析及抗震设计研究内容很少，本文以上海地铁11号线三个典型的软土场地为工程背景，建立了矩形地铁隧道的计算模型，通过采用ANSYS数值模拟分析，研究获得了不同软土地层条件下的矩形地铁隧道的地震反应特性及规律，为软土条件下矩形地铁隧道抗震设计和选址提供了参考依据。

1 矩形地铁隧道模型建立

1.1 软土场地背景

选取上海地铁11号线北段二期工程中三个典型的软土场地为工程背景，分别是：场地1为济阳路站到黄石路站，主要是粉质黏土和淤泥质土，土质最软；场地2为浦三路站到森林公园站，主要由粉质黏土和黏质粉土沉积而成，土质较软；场地3为黄石路站到云锦路站，主要由砂质粉土、粉质黏土和细砂沉积而成，土质相对较硬。本文主要分析这三种典型土质条件下的矩形隧道地震反映特性及规律，为软土地区隧道抗震设计及选址提供参考依据。

1.2 边界条件与计算模型的确定

上海地铁11号线地下隧道埋深10～24.6 m，隧道断面为矩形，宽5 m，高5.3 m，运用有限元分析软件ANSYS建立模型并进行网格划分，有限元模型的计算区域取40 m×40 m，建立的模型边界为顶部自由，左右两侧设置竖向约束，底部设置全约束，隧道结构的建模选取Drucker-Prager弹塑性模型。模型的单元划分如图1所示，模型中拾取关键点部位如图2所示。

图2 拾取关键点部位示意图Fig.2 Schematic diagram of key points

2 矩形地铁隧道地震反应主应力

通过ANSYS有限元数值模拟，采用瑞利阻尼法，在矩形隧道计算模型的基岩段水平输入El-Centro地震波，可得到场地1、场地2和场地3的地震反应主应力云图(图3)。

图3 三种场地矩形地铁隧道主应力云图Fig.3 The main stress cloud in three kinds of tunnel

由图3分析可知：在同一水平地震作用下，数值模拟分析得到的每个场地主应力云图特点大致相同，隧道结构局部达到最大主应力的时间基本相同，出现最大主应力的位置也都在矩形隧道断面的拐角处，这说明矩形地铁隧道在软土地层中不论场地土体软弱程度如何，隧道断面的四个拐角处都是主应力最大部位，更是地震荷载作用下的应力集中部位，容易先发生破坏，因而在矩形断面隧道抗震设计中要充分考虑断面拐角处应力集中对衬砌结构的影响，应加强塑性设计。

另外，得到三种场地出现最大主应力时各关键节点的应力值如表1所示，对比表中应力值可以发现，所有节点主应力极值的绝对值大小按场地1、2、3的顺序依次递减。这说明最大主应力极值与土体松软程度有关，土质越松软，主应力极值就越大，这与实际情况相符，也证明ANSYS有限元数值模拟的可行性。

表1 三种场地各关键节点主应力值

3 矩形地铁隧道地震反应水平位移

数值模拟得到三种场地条件下矩形隧道地震反应水平位移云图如图4所示。从图4中分析可知：三种场地条件下，矩形地铁隧道最大水平位移位置均出现在隧道顶部，且在隧道周围土体对衬砌结构的约束作用下，隧道结构整体的水平位移变形较协调，这也说明了混凝土衬砌支护结构的整体性较好；从图4中还可看出，隧道断面上部位移大于下部位移，因此，隧道上部结构容易较早发生破坏，应加强隧道上部衬砌结构的支护和抗震设计。

图4 三种场地条件下地震反应水平位移云图Fig.4 The maximum displacement diagram of the model in three kinds of fields

4 矩形地铁隧道地震反应加速度

图5 地震水平加速度时程曲线Fig.5 The horizontal acceleration path curve

为了研究矩形地铁隧道同一场地条件下不同位置及不同场地同一位置情况下的水平加速度变化情况，选取了场地1中(节点1、3、5)、场地2及场地3中(节点1、3)的隧道顶部、中部及底部的特殊位置进行地震水平加速度时程分析，结果如图5所示。从图5中分析可知：在同一水平地震作用下，处于软土地层中的矩形地铁隧道不论场地条件如何，各个节点地震水平加速度时程变化趋势相似，但矩形隧道地震反应的最大水平加速度在三种场地相同位置处出现的时间并不一致，而对同一时刻加速度进行分析可知，隧道底部的水平加速度最大，隧道中部的水平加速度次之，隧道顶部的水平加速度最小，因此，软土地层条件下的矩形隧道抗震设计应该考虑这方面。