可液化土层分布对土-地铁地下结构地震响应影响的振动台试验研究

2021-10-19刘春晓

中国铁道科学 2021年5期

刘春晓

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

随着我国轨道交通建设大规模发展，以及城市化进程的加快，很多地下交通设施需修建在可液化土层中，例如太原地铁2 号线、北京地铁7 号线和北京机场线。土层发生液化时可能引起较大的结构水平向变形、结构上浮和地基沉降，都会对地铁车站结构安全产生重要影响［1-6］。

国内外大量学者开展了振动台模型试验［7-9］，从不同角度研究地下结构在液化场地条件下的动力变形特征和地震响应规律。许成顺等［10］考虑了地震动持时，陈国兴等［11］考虑了近、远场地地震动的频谱特性，认为地震动特性对地基-结构体系有较大影响；唐柏赞等［12］、陈苏等［13］、安军海等［14］分别考虑了不规则断面地铁车站、三拱立柱式地铁地下车站、盾构扩挖地铁车站等不同形式结构在液化场地条件下的响应，得知不同形式结构存在特有的破坏规律。许成顺等［15］考虑土层分布，进行了含上部黏土层、饱和砂土层、密实砂土层的液化自由场地的振动台试验，发现土层分布不同时，地基土的液化响应不同；刘春晓等［16-18］采用数值模拟，对目前地铁区间隧道建设中常见的单层双跨断面形式结构位于可液化土层不同位置时土和结构的地震响应进行研究，发现可液化土层的位置对地下结构地震响应有很大影响；刘春晓等［19］进一步设计了用于研究结构在可液化土层不同位置时土-地下结构的地震响应和结构的破坏规律的振动台试验，对试验设计流程进行详细介绍，并通过分析液化场地自由场工况地基土地震响应，验证试验设计的可靠性。整体而言，考虑结构位于可液化土层不同位置时的研究较少。

本文开展振动台试验，研究不同液化土层工况下和不同地震动下地基土的液化现象、位移响应、动土压力响应和结构的位移响应。

1 试验设计

模型相似关系设计、相似比、模型地基土制备、试验设备与量测装置等参见文献［19］。

1.1 工况设置

试验共设置4 种工况：饱和地基土自由场（工况1）、结构整体位于可液化土层（工况2）、结构底部存在可液化土层（工况3）和结构位于非液化土层（工况4）。图1 为4 种工况下结构与土层的相对位置，其中蓝色方框代表结构模型位置。

图1 各工况土层分布及结构模型位置（单位：mm）

1.2 结构模型

结构模型原型为北京地区典型的区间隧道结构，结构模型横截面尺寸（不含防水层厚度）如图2 所示。设置防水层后模型最终总高度为235 mm，总宽度为440 mm。在结构侧墙预埋铁钉用于后期位移测量，预埋件位置可见图2红线处。

图2 结构模型横截面尺寸（单位：mm）

1.3 地震波选择

参考相关研究，考虑不同地震动作用影响［19-20］，振动台试验过程中采用的经相似关系换算后地震动如图3—图5 所示。图中：g为重力加速度。其中，北京人工波为北京地区试验用砂所处场地的人工波，由于北京人工波产生位移较大，受到振动台振动允许范围限制，北京人工波地震动加速度峰值时只能加到0.3g（经后期分析，非液化场地条件下，北京人工波加速度峰值为0.3g时对应的设防烈度对结构实际影响大于9度）。

图3 名山波地震动加速度时程曲线及傅里叶谱

1.4 加载方案

采取阶梯加载的方式对模型箱进行逐级加载。表1为振动台试验加载工况。

1.5 测试方案

图6 为4 种工况下传感器布置方案。图中：A为加速度传感器编号；P 为孔隙水压力传感器；T为土压力传感器；W为非接触式位移计。

图4 Kobe波地震动加速度时程曲线及傅里叶谱

图5 北京人工波地震动加速度时程曲线及傅里叶谱

表1 振动台试验加载工况

图6 传感器布置方案

2 试验结果

2.1 地基土宏观表现

2.1.1 工况1

图7 为工况1 模型地基土试验前后的宏观表现。由图7 可知：振动前地基土表面比较平整，随着地震动输入时长的增加，模型地基表面开始逐渐冒水喷砂，最终在地表积累了大量的水和砂，喷砂区域中可见的少量气泡为地基土内残留的空气；地表并没有出现明显的开裂现象，喷砂冒水位置的分布较均匀。

图7 工况1模型地基土宏观表现

2.1.2 工况2

图8 为工况2 模型地基土试验前后的宏观表现。由图8可知：模型结构上浮、地基土下沉造成的位移差导致模型结构2 侧和地基土分离，引起地表显著开裂；随着地震动输入的增加，首先出现裂缝1 和裂缝2 并伴随冒水现象，随后出现裂缝3 和裂缝4。

图8 工况2模型地基土宏观表现

2.1.3 工况3

图9 为工况3 模型地基土试验前后的宏观表现。由图9可知：结构底部存在可液化土层时，随着地基土的液化程度增大，结构的上浮并不明显，但是由于和周围地基土的差异沉降，在结构和地基土的连接位置仍然出现贯通裂缝，但裂缝不如工况2 中的明显；由于可液化土层埋深较大，工况3 中地表孔隙水的聚集也不如工况2中多。

2.1.4 工况4

图10 为工况4 模型地基土试验前后的宏观现象。由图10 可知：可见当结构位于非液化土层时，结构和周围土层的沉降较一致，但是由于结构和周围土体的刚度差异，结构和周围土体仍存在一定的相对运动，结构上部土体损坏明显比地表其他部位土体严重。

图10 工况4模型地基土宏观表现

2.1.5 工况对比结果

对比以上4 种工况下模型地基土的宏观表现，可得出以下结论。

（1）结构存在时，全液化场地和底部液化场地表层液化现象出现不均匀性，即一侧地基土出现裂缝和喷砂冒水现象比另一侧严重，且结构的上浮也呈现不均匀性，这跟输入地震动正负波幅值的不对称和地基土的不均匀震陷有关；在自由场工况，表层地基土的液化现象分布较对称和一致。

（2）自由场工况表面容易积聚水，而工况2 中结构存在位置容易出现较大贯通裂缝，使底部液化土体积聚的超静孔压从此处消散，从而逐渐缓解液化现象，因而工况2 中喷砂冒水现象比工况1 轻微；由于可液化土体埋深较大，工况3 中地表的喷砂冒水量和结构的上浮量都小于工况2。

（3）工况4 中由于不存在超静孔隙水压力，结构不上浮，结构和地基土的运动较一致，两者之间的相对位移最小。

2.2 地基土位移响应

图11—图13 分别为工况2、工况3 和工况4 中模型箱侧壁相对于箱底水平向位移（地基土水平向位移），其中负值代表左摆位移，正值代表右摆位移。由于输入地震波正负峰值的不对称，土体左摆与右摆的位移峰值也不对称［10］。由图11—图13 可知：输入地震动峰值相等时，地基土水平向位移在北京人工波作用下最大，Kobe 波作用下次之，名山波作用下最小；输入地震动相同时，工况3 中地基土水平向位移最大，工况2 次之，工况4 最小。这与已有研究［17-18］是一致的。

图11 工况2模型箱侧壁相对于箱底位移

图12 工况3模型箱侧壁相对于箱底位移

图13 工况4模型箱侧壁相对于箱底位移

由于结构本身尺寸较小，且横断面材料及尺寸进行了一定的弱化处理［19］，结构和土体刚度差异较小，因此在均一土层中结构所在位置同一埋深（对应监测点高度915～1 150 mm）的地基土位移所受结构影响并不明显。受不同土层差异影响，地基土分层位置处的地基土水平向位移变化差异较明显，如工况3 对应监测点高度915 mm 处，上下位移开始出现较大差异，且上层土体和下层土体的刚度差异导致上层土体受鞭梢效应影响较大，模型箱顶部位移也较大。

2.3 动土压力响应

2.3.1 结构侧墙动土压力响应

表2、表3 和表4 分别为工况2、工况3 和工况4 下，试验过程中结构侧墙顶、底动土压力（土压力与初始静土压力之差）的最大值。由表2—表4可知：随着地震动输入强度的增加，结构侧墙顶部和底部测点动土压力的最大值也逐渐增加，且侧墙顶部动土压力最大值大于底部动土压力。

表2 工况2结构侧墙动土压力最大值

表3 工况3结构侧墙动土压力最大值

表4 工况4结构侧墙动土压力最大值

图14 为侧墙顶底动土压力差峰值，即侧墙顶底动土压力时程曲线相减所得动土压力差值时程曲线的最大值。由图14 可知：侧墙顶底动土压力差峰值随着地震动输入强度的增加而增加；仅当结构底部存在可液化土层时，会显著加大结构侧墙顶底动土压力差值。

图14 侧墙顶底动土压力差峰值

整体而言，结构2 侧存在可液化土层时，侧墙单一测点受到的动土压力最大值大于结构2 侧存在非液化土层时，因此，当结构位于非液化土层中时，结构所承受的动土压力最小，即液化土层作用在结构上的动土压力大于非液化土层。

2.3.2 结构顶底板动土压力响应

表5、表6 和表7 分别为工况2、工况3 和工况4 下，试验过程中结构顶、底板动土压力的最大值。由表5—表7 可知：随着地震动输入强度的增加，结构顶板和底板动土压力最大值也逐渐增加，且底板动土压力最大值大于顶板动土压力。

表5 工况2结构顶底板动土压力最大值

表6 工况3结构顶底板动土压力最大值

表7 工况4结构顶底板动土压力最大值

图15 为结构顶、底板动土压力差峰值。由图15 可知：工况2 中的结构顶底板动土压力差最大，工况4 次之，工况3 最小。结构整体位于可液化土层时所受顶底板动土压力差最大、侧墙摩擦力较小，因此整体上浮量最大；仅有底部存在可液化土层时，上浮量较小。

图15 顶底板动土压力差峰值

2.4 结构位移响应

试验过程中采用拉线式位移计结合本文设计装置对结构位移时程曲线进行监测。

2.4.1 侧墙绝对位移峰值

图16 为不同工况不同峰值加速度作用下结构侧墙绝对位移峰值。由图16 可知：结构侧墙绝对位移峰值随着地震动输入峰值的增加而增大；工况3 中侧墙绝对位移最大，随着地震动输入峰值的增大，工况4 中结构侧墙绝对位移峰值逐渐超过工况2。

图16 侧墙绝对位移峰值

2.4.2 结构竖向位移时程曲线

图17 为在北京人工波作用下工况2 中结构的竖向位移曲线。图中：正值为上浮。由图17可知：在振动过程中，结构随着地震动输入处于上下波动的状态，首先由于地基土的振密而下沉，后由于土体液化、结构底部孔压上升而上浮，待地震动结束之后，孔压下降，结构有所下沉；因结构上浮导致的结构底部土体的空缺由两侧土体填充，所以结构并不能恢复到原始竖向位置，而是产生一定的永久竖向位移。