左 熹， 陳國興， 王志華， 周恩全

(1.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院 南京,211169) (2.南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所 南京,210009)

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地鐵車站結(jié)構(gòu)臨界破壞特性的振動臺試驗

左 熹1,2， 陳國興2， 王志華2， 周恩全2

(1.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院 南京,211169) (2.南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所 南京,210009)

以南京地鐵車站結(jié)構(gòu)作為研究對象，采用鍍鋅鋼絲模擬鋼筋、微?；炷聊M原型混凝土，設(shè)計并制作地鐵車站三層三跨模型結(jié)構(gòu)。采用上覆黏土的飽和砂土作為模型場地以模擬地震液化場地。開展了地基液化作用下地鐵地下車站結(jié)構(gòu)臨界破壞特性的大型振動臺模型試驗，測試并分析了模型地基的加速度、振動孔壓和模型結(jié)構(gòu)的加速度、應(yīng)變、水平位移和側(cè)向壓力反應(yīng)等。結(jié)果表明：主震0.8g的什邡波作用時，液化持續(xù)時間較長，上部土層的孔壓消散較慢；運用達(dá)朗貝爾原理定義模型場地的液化勢，并與孔壓比的分布規(guī)律進(jìn)行對比，證明了地下結(jié)構(gòu)具有抑制附近土體液化，并對一定距離處土體具有促進(jìn)液化的作用；中柱是地鐵地下車站結(jié)構(gòu)最薄弱的構(gòu)件，且底層中柱的損傷度已達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。

振動臺模型試驗； 液化； 地鐵車站結(jié)構(gòu)； 臨界破壞特性

引 言

由于城市土地資源日益缺乏，城市交通在平面上的發(fā)展受到了嚴(yán)重的約束，因此城市的交通應(yīng)向立體空間化的地鐵地下交通體系發(fā)展。但近年發(fā)生的地震破壞現(xiàn)象已充分表明，在強(qiáng)震作用下地鐵結(jié)構(gòu)會發(fā)生嚴(yán)重的損傷和破壞，地鐵結(jié)構(gòu)的抗震性能已引起社會的高度關(guān)注。

振動臺試驗是研究地下結(jié)構(gòu)抗震性能的一種重要手段，近年來，國內(nèi)外學(xué)者已針對不同場地條件、不同結(jié)構(gòu)形式和不同模型材料的地下結(jié)構(gòu)振動臺試驗進(jìn)行研究，取得了一些很有價值的研究成果[1-8]。本次試驗是地鐵地下車站結(jié)構(gòu)抗震性能振動臺系列試驗(可液化土、軟土地基；石膏、微粒混凝土模型結(jié)構(gòu)；二層二跨、三層三跨框架式及三拱式車站模型結(jié)構(gòu))之一[7-8]，采用弱化剛度的模型結(jié)構(gòu)，通過主、余震作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)的振動臺模型試驗，測試并分析地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、加速度、側(cè)墻壓力和位移反應(yīng)特性，以及可液化地基的加速度反應(yīng)、孔壓反應(yīng)，探索液化場地上地鐵地下車站結(jié)構(gòu)臨界破壞的地震反應(yīng)特性，揭示三層三跨地鐵車站結(jié)構(gòu)的地震損傷與災(zāi)變機(jī)理。

1 試驗方案

1.1 振動臺試驗設(shè)備、模型地基與模型結(jié)構(gòu)設(shè)計

地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺試驗在南京工業(yè)大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室的大型振動臺試驗設(shè)備上完成。該振動臺采用美國MTS公司的電液伺服加載與控制系統(tǒng)，其臺面尺寸為3.36 m×4.86 m、水平最大加速度為±1.0g；采用自行研發(fā)的疊層剪切土箱作為模型土置放容器[9]，采用自行研制的98通道動態(tài)信號采集系統(tǒng)采集各類測試數(shù)據(jù)[10]。

在模型體系的相似比設(shè)計中，模型地基土的基本物理量為：密度、剪切波速和重力加速度。模型結(jié)構(gòu)的基本物理量為：幾何長度、彈性模量、加速度，地基土-地鐵車站體系的幾何比尺選為1∶30，模型場地縱向截面尺寸為3.5 m(長)×1.4 m(深)，用于模擬105 m(長)×42 m(深)的原型場地。模型車站結(jié)構(gòu)截面尺寸為705 mm(寬)×577 mm(高)，用于模擬21.15 m(寬)×17.31 m(高)的原型車站結(jié)構(gòu)，地基土-車站結(jié)構(gòu)體系的相似比設(shè)計詳見文獻(xiàn)[7]。模型地基土分為2層：表層覆蓋黏土，厚度為15 cm，其余為飽和砂土，厚度為125 cm。模型結(jié)構(gòu)的上覆土層厚度為12 cm。采用水沉法制備模型地基土，分層裝土并控制每層土厚度為25 cm，每層土裝好后，用木板將土層表面掃平，再裝下一層土。為使砂土固結(jié)充分，裝樣完畢后，模型地基土在飽和狀態(tài)下靜置48 h，模型地基土如圖1所示。在振動臺試驗前取土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，測得其不均勻系數(shù)Cu=2.31，曲率系數(shù)Cc=1.07，其顆粒密度Gs=2.71 g/cm3，最大孔隙比emax=1.15，最小孔隙比emin=0.62，砂土的顆粒級配曲線如圖2所示。采用SUMIT剪切波速測試儀量測模型地基土的平均剪切波速，模型地基的平均剪切波速在試驗前后分別為77.9 m/s和119.3 m/s。

圖1 裝箱完成后的模型地基土Fig.1 Model soil after packing

圖2 試驗砂土顆粒級配曲線圖Fig.2 Particle size distribution curve of sand

以南京地鐵車站結(jié)構(gòu)為研究背景，將三層三跨結(jié)構(gòu)作為試驗結(jié)構(gòu)類型，結(jié)構(gòu)中鋼筋用鍍鋅鋼絲模擬、混凝土用微?；炷聊M，模型結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度依據(jù)相似比計算確定，根據(jù)不同配合比的微?；炷翉?qiáng)度試驗，設(shè)計配合比及鋼絲的使用量，微粒混凝土配合比為水∶水泥∶石灰∶粗砂=0.5∶1∶0.58∶5，鍍鋅鋼絲直徑設(shè)計為0.7～1.4 mm(梁為1.4 mm，柱為0.9 mm，箍筋為0.7 mm，板為0.9 mm)。為使車站結(jié)構(gòu)達(dá)到接近破壞的試驗效果，將結(jié)構(gòu)中柱設(shè)計為薄壁空心圓柱，以達(dá)到減弱中柱和結(jié)構(gòu)整體剛度的目的。考慮模型結(jié)構(gòu)的承載能力，采用不完全配重法模擬原型結(jié)構(gòu)的慣性力效應(yīng)，在每層樓板上均勻布置120 kg鉛塊，共計480 kg，采用的附加配重約占完全配重的50%，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 振動臺模型試驗中地鐵車站結(jié)構(gòu)Fig.3 Subway station structure in shaking table model test

1.2 傳感器的布置

采用不同的傳感器分別測試模型地基土的加速度、孔壓和模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、加速度、相對位移及側(cè)墻土壓力。在模型地基中設(shè)置1個主觀測面和2個次觀測面，以獲得模型場地的三維加速度場和孔壓場，模型地基、模型結(jié)構(gòu)的傳感器布置如圖4～圖6所示，共有加速度傳感器16個、孔壓傳感器17個、位移傳感器6個、土壓力傳感器4個和應(yīng)變片32個。圖中字母A代表加速度計、字母W代表孔壓計、字母J代表激光位移計、字母S代表應(yīng)變片。

1.3 試驗相似比與加載方案

圖4 模型場地土中的傳感器布置Fig.4 Arrangement plan of sensors embedded in soil layers

圖5 模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻加速度、土壓力和位移測點布置Fig.5 Arrangement plan of acceleration, soil pressure and displacement sensors on side-wall of model structure

圖6 地鐵車站模型結(jié)構(gòu)橫斷面上各觀測面應(yīng)變片布置圖Fig.6 Distribution map of strain sensors in sections of subway station model structure

圖7 振動臺試驗的輸入地震動加速度時程及傅氏譜Fig.7 Ground motion acceleration time-histories and Fourier spectra from shaking table surface input

將什邡波和Taft波分別作為模擬主震和余震的輸入地震波，加速度時程如圖7所示。什邡波是汶川地震什邡八角臺站的地震記錄，斷層距為10 km，原始峰值加速度為0.548g，持續(xù)時間為200 s，試驗中將峰值加速度調(diào)整為0.8g，模擬主震。Taft地震波是美國加州 Kern縣的地震記錄，斷層距為41 km，原始峰值加速度為0.152g，持續(xù)時間為30 s，試驗中將峰值加速度調(diào)整為0.3g，模擬余震。輸入地震動的時間縮尺比為1∶2，試驗的加載工況如表1所示。

表1 振動臺模型試驗加載工況

2 液化地基土的動力反應(yīng)

2.1 地基土加速度反應(yīng)規(guī)律

地基土的峰值加速度放大系數(shù)沿深度變化如圖

8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：在主震0.8g的什邡地震動作用下，地基土中上部的峰值加速度放大效應(yīng)明顯減小，地表放大系數(shù)為0.85；在余震0.3g的Taft地震動作用下，地基土各測點的峰值加速度放大效應(yīng)顯著，地表放大系數(shù)為1.31。

圖8 模型地基土加速度放大系數(shù)Fig.8 Acceleration amplification factor

2.2 液化地基土的孔壓效應(yīng)

模型地基土不同測點的孔壓比時程曲線如圖9～圖10所示?？梢钥闯觯褐髡?.8g什邡波作用時，所有測點的孔壓比都達(dá)到1，說明飽和砂土層全部液化；上部砂土層的孔壓消散不明顯，且液化持續(xù)時間較長，這是因為飽和砂土在地震動作用下引起的孔壓增長會驅(qū)使孔隙水向地表排出，深層土的孔隙水透過砂土孔隙向上轉(zhuǎn)移。但由于黏土覆蓋在砂土表面，使得淺層砂土的孔隙水難以迅速透過黏土向外排泄，同時淺層砂土仍然受到深層砂土孔隙水的補(bǔ)給，所以淺層砂土液化時間長，并且孔壓的消散速度自下而上逐漸減緩。測點W5，W6的孔壓效應(yīng)與其余測點的孔壓效應(yīng)有明顯的差異，這是由于位于結(jié)構(gòu)下部的土體，其埋深與地表存在一定距離，且地下結(jié)構(gòu)阻礙了排水通道的形成，導(dǎo)致孔隙水排水不暢，從而使孔壓不斷增長并難以消散。余震0.3g的 Taft波作用時，淺層砂土全部達(dá)到液化，深層土未達(dá)到液化，淺層砂土的孔壓比明顯大于深層砂土的孔壓比，說明淺層砂土具有更加顯著的液化效應(yīng)。

圖9 主震0.8 g的什邡波作用時地基土測點的孔壓比時程 曲線Fig.9 Time histories of dynamic pore pressure ratio under 0.8 g Shifang ground motion for main shock

圖10 余震0.3 g的Taft波作用時地基土測點的孔壓比 時程曲線Fig.10 Time histories of dynamic pore pressure ratio under 0.3 g Taft ground motion for aftershock

2.3 場地液化勢分析與驗證

由于在振動臺試驗過程中飽和砂土的動剪應(yīng)力不能進(jìn)行直接測量，根據(jù)物理定律，運用達(dá)朗貝爾原理推導(dǎo)出飽和砂土的動剪應(yīng)力[11]，由此得出相應(yīng)的剪應(yīng)力比，從而評價模型場地的液化勢。

在水平地震動作用下，土體受到的水平慣性力與水平剪力大小相等，且方向相反，如圖11所示。因此，從地表到深度z處的土體所受到的慣性力與深度z處的水平剪力相平衡。假設(shè)深度z處的加速度為a(z)，則慣性力為

(1)

其中：A為水平受力面積;a為水平加速度;ρ為土體密度。

作用在深度z處截面上的水平剪力為

(2)

其中：τ(z)為深度z處的水平剪應(yīng)力。

由于水平方向的慣性力和剪力相等,可得

(3)

因此，由式(3)可計算出各點的剪應(yīng)力，通過比較不同深度處的剪應(yīng)力水平，得出相應(yīng)的剪應(yīng)力比，進(jìn)而評價模型場地的液化勢，將剪應(yīng)力比定義為

(4)

圖11 剪應(yīng)力推導(dǎo)示意圖Fig.11 Illustration of shear stress

根據(jù)各測點的剪應(yīng)力比得出液化勢分布如圖12所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：不同位置土體的液化勢差異明顯，地下結(jié)構(gòu)下方土體的液化勢明顯小于同高度地下結(jié)構(gòu)側(cè)邊土體，說明地下結(jié)構(gòu)可以起到抑制其下方土體液化的作用；在結(jié)構(gòu)側(cè)部一定距離處，液化勢顯著，出現(xiàn)明顯的“液化勢中心”，說明地下結(jié)構(gòu)具有促進(jìn)其側(cè)邊一定距離處土體液化的能力。

在余震0.3g的Taft地震動作用下，模型場地中孔壓比的分布如圖13所示。可以看出：最大孔壓比區(qū)域位于場地上部并與結(jié)構(gòu)側(cè)邊保持一定距離。緊貼結(jié)構(gòu)側(cè)墻處的孔壓比相對外側(cè)較小，在向遠(yuǎn)離 模型結(jié)構(gòu)方向的同一水平位置上，孔壓比先逐漸增大后逐漸減小。說明在地震動作用下非自由場地中孔壓的“壓力中心”出現(xiàn)在離地下結(jié)構(gòu)一定距離的位置，該處液化程度較高，與液化勢分析得出的結(jié)論一致，證明了地下結(jié)構(gòu)具有抑制附近土體液化，并同時對一定距離處土體具有促進(jìn)液化的作用。這是因為地下結(jié)構(gòu)一方面阻礙了附近土的體積壓應(yīng)變積累，使得附近孔壓難以升高，另一方面地下結(jié)構(gòu)的存在阻礙了排水通道的形成，使孔壓必須通過較遠(yuǎn)處的排水通道向地表排出，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了較遠(yuǎn)處土體的液化。因此，地下結(jié)構(gòu)抑制了附近土體的液化，同時促進(jìn)了一定距離處土體的液化。

圖13 0.3 g Taft地震動作用下孔壓比分布圖 圖12 液化勢分布云圖 Fig.13 Pore pressure ratio distribution under Fig.12 Liquefaction potential distribution 0.3 g Taft ground motion

3 車站結(jié)構(gòu)臨界破壞特性

3.1 宏觀破壞現(xiàn)象

圖14 模型結(jié)構(gòu)宏觀現(xiàn)象Fig.14 Macroscopic phenomenon of model structure

在主震、余震作用后，觀察地下結(jié)構(gòu)的破損情況，發(fā)現(xiàn)部分中柱出現(xiàn)45°斜裂縫，并且中柱已經(jīng)被裂縫切斷，說明中柱已基本喪失受力功能，梁、板和側(cè)墻的破損情況相對較輕，結(jié)構(gòu)未發(fā)生整體坍塌現(xiàn)象，如圖14所示。根據(jù)《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》可將其評定為中等破壞結(jié)構(gòu)。

3.2 車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反應(yīng)

3.2.1 峰值應(yīng)變反應(yīng)

圖15 地鐵車站結(jié)構(gòu)的峰值拉應(yīng)變分布(單位:με)Fig.15 Tensile strain of subway station structure (unit : με)

主震、余震作用下模型結(jié)構(gòu)各測點的應(yīng)變反應(yīng)峰值如圖15所示。在主震0.8g什邡波作用下，結(jié)構(gòu)中柱損傷嚴(yán)重，峰值應(yīng)變反應(yīng)最大處位于模型結(jié)構(gòu)底層中柱底端右側(cè)，拉應(yīng)變峰值為58.25 με，已超過微?；炷恋膽?yīng)變極限強(qiáng)度，底層中柱的應(yīng)變反應(yīng)大于其余各層中柱的應(yīng)變反應(yīng)，車站結(jié)構(gòu)中柱是抗震最薄弱的構(gòu)件。車站結(jié)構(gòu)中板的應(yīng)變反應(yīng)最大，頂板的應(yīng)變反應(yīng)相對較小；側(cè)墻上部和下部的應(yīng)變反應(yīng)較大。部分測點在余震作用下發(fā)生的應(yīng)變反應(yīng)大于主震作用下的應(yīng)變反應(yīng)，這是由于在主震作用下結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域已發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)，影響了結(jié)構(gòu)整體的受力性能。

3.2.2 車站結(jié)構(gòu)的動力損傷分析

采用應(yīng)變損傷度來衡量結(jié)構(gòu)在地震動作用下的破壞程度，將應(yīng)變損傷度定義為等效峰值應(yīng)變與基準(zhǔn)峰值應(yīng)變的比值

(5)

其中：SD為應(yīng)變損傷度；ES為等效峰值應(yīng)變；RS為基準(zhǔn)峰值應(yīng)變。

地震動作用會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生拉伸與壓縮變形，拉伸時構(gòu)件開裂產(chǎn)生裂縫，壓縮時構(gòu)件擠壓也可產(chǎn)生裂紋，因此可以將等效峰值應(yīng)變定義為拉伸峰值應(yīng)變和壓縮峰值應(yīng)變的線性疊加形式

(6)

其中：St為拉伸峰值應(yīng)變；Sc為壓縮峰值應(yīng)變；α為比例因子。

式(6)中α為小于1且大于0的數(shù)值，對于不同力學(xué)特性的材料， 取不同的值。對于鋼筋混凝土材料，由于鋼筋和混凝土的共同作用，取0.7，并將應(yīng)變損傷度達(dá)到0.7時的材料判定為完全破壞，以此作為結(jié)構(gòu)的破壞判據(jù)[12-13]。

圖16 主震作用下結(jié)構(gòu)各應(yīng)變測點的損傷度分布Fig.16 Damage degree of subway station structure under main shock ground motion

模型結(jié)構(gòu)各測點應(yīng)變損傷度分布如圖16所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：中柱為地震損傷最嚴(yán)重的構(gòu)件，底層中柱的損傷最為嚴(yán)重，底層中柱右端的損傷度為0.61，已接近完全破壞，處于臨界破壞狀態(tài)；其余測點位置的損傷程度相對較輕。

由于地震作用的隨機(jī)性，中柱左右兩側(cè)的應(yīng)變損傷度分布不一致，在主震作用下，中柱兩側(cè)應(yīng)變損傷度的較大值沿高度方向呈“S”形分布，如圖16所示。在余震作用下，中柱應(yīng)變損傷度的“S”形分布規(guī)律不明顯。這是由于在主震作用結(jié)束后，中柱已損傷嚴(yán)重，其剛度的連續(xù)性被破壞，導(dǎo)致余震對中柱的損傷作用規(guī)律不明顯。

3.3 車站結(jié)構(gòu)側(cè)向壓力與水平位移反應(yīng)

圖17 模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻動土壓力反應(yīng)Fig.17 Dynamic soil pressure response on the sidewall of subway station structure under ground motion

圖17比較了模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻各測點的土壓力反應(yīng)?？梢钥闯觯簜?cè)墻中部的土壓力反應(yīng)較大，在20 s左右逐步增大到峰值后保持穩(wěn)定。模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻的水平位移反應(yīng)如圖18所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：側(cè)墻頂部的水平位移比側(cè)墻其余位置的水平位移大，頂部與底部之間具有一定的相對位移。結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力與水平位移具有一定的相關(guān)性，結(jié)構(gòu)頂部位置處地基土的液化程度較高、流動性較強(qiáng)，對結(jié)構(gòu)頂部的約束減小，使得結(jié)構(gòu)頂部的接觸壓力較小，所產(chǎn)生的位移相對較大；隨著土層深度的增加，地基土的圍壓較大，流動性相對較弱，對結(jié)構(gòu)的壓力較大，位移相對較小。

圖18 地鐵車站結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移沿高度分布特征Fig.18 Horizontal relative displacement time histories on the sidewall of subway station structure

圖19 地鐵車站結(jié)構(gòu)的峰值加速度反應(yīng)Fig.19 Peak acceleration response of subway station structure

3.4 車站結(jié)構(gòu)的水平峰值加速度反應(yīng)

圖19比較了模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻各測點的水平峰值加速度反應(yīng)?？梢钥闯觯褐髡鹱饔脮r，側(cè)墻頂部的峰值加速度最大，底部的峰值加速度最小，兩者相差約17%；余震作用時，側(cè)墻上各測點的峰值加速度變化不大，各測點的變化值均不超過10%。

4 結(jié) 論

1) 主震和余震作用下，地表的放大效應(yīng)差異顯著，地震波在傳播過程中頻譜反應(yīng)體現(xiàn)出明顯的低頻集中與放大效應(yīng)，主震產(chǎn)生的地基土液化作用可以明顯減弱余震作用，具有一定的減震效應(yīng)。

2) 主震作用時，飽和砂土層全部液化，上部砂土層的液化持續(xù)時間較長且孔壓消散不明顯；運用達(dá)朗貝爾原理定義模型場地的液化勢，并與孔壓比的分布規(guī)律對比，證明了地下結(jié)構(gòu)具有抑制附近土體液化，并對一定距離處土體具有促進(jìn)液化的作用。

3) 主、余震作用下，中柱為地震損傷最嚴(yán)重的構(gòu)件，且底層中柱的損傷最為嚴(yán)重，已接近完全破壞，處于臨界破壞狀態(tài)；結(jié)構(gòu)側(cè)墻的動土壓力與水平位移具有一定的相關(guān)性。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.05.008

國家自然科學(xué)基金資助項目(51408281)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20140108)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2013M540442)

2014-08-12；

2014-10-22

TU375.4; TU354; TH82

左熹，男，1982年11月生，博士后、副教授。主要研究方向為地下結(jié)構(gòu)動力分析。曾發(fā)表《近遠(yuǎn)場地震動作用下地鐵地下車站結(jié)構(gòu)地基液化效應(yīng)的振動臺試驗》(《巖土力學(xué)》2010年第 31卷第12期)等論文。

E-mail：zxjit@jit.edu.cn