權(quán)登州， 王毅紅， 葉 丹， 井彥林， 陳 蘇

(1. 長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 西安 710061； 2. 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081)

黃土與地鐵車站動力相互作用模型的水平位移及沉降分析

權(quán)登州1， 王毅紅1， 葉 丹1， 井彥林1， 陳 蘇2

(1. 長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 西安 710061； 2. 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081)

在黃土場地條件下進行土與地鐵地下結(jié)構(gòu)動力相互作用振動臺試驗。基于實測數(shù)據(jù)對黃土與地鐵車站接觸動土壓力、模型地基豎向沉降及水平位移進行分析，對試驗中模型地基地震破壞特點進行描述。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)側(cè)面頂部動土壓力大于中部和下部，隨輸入峰值加速度的增大結(jié)構(gòu)側(cè)面土壓力均增大；地震動較大時，地基層間剪切位移呈現(xiàn)頂部最大，底部次之，中部最??；地表沉降隨輸入峰值加速度的增加而增大，西安人工波作用下地表沉降大于松潘波和Taft波作用下沉降；結(jié)構(gòu)上方地表沉降始終小于周圍土層，表明結(jié)構(gòu)發(fā)生相對上升運動；分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)頂、底動土壓力差提供結(jié)構(gòu)上升運動的內(nèi)在動力?；貧w分析表明，地基水平相對位移與土層深度可用三次多項式擬合，兩者之間具有較好的相關(guān)性。

黃土地區(qū)； 地鐵車站； 振動臺試驗； 動土壓力； 水平位移； 沉降分析

隨著我國西部黃土地區(qū)地鐵工程逐漸增多，黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震性能及安全性評價日益受到密切關(guān)注[1]。由于黃土具有柱狀節(jié)理、大孔隙、弱膠結(jié)的特殊結(jié)構(gòu)性及對水的特殊敏感性[2]，使得黃土地區(qū)震害相對其它土類要嚴(yán)重的多。動力、靜力及浸水作用分別引起黃土震陷、壓密及濕陷變形，黃土震陷變形大小與動力荷載相對于靜力荷載及浸水作用的先后有密切關(guān)系。因此，黃土場地對地震作用十分敏感，開展黃土場地條件下地鐵地下結(jié)構(gòu)地震模擬振動臺試驗研究具有重要意義。

近年，國內(nèi)外學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性開展了廣泛深入的研究[3-6]，Jafarzadeh等[7]進行了系列振動臺試驗，研究了埋地管線在均質(zhì)和非均質(zhì)場地中的地震反應(yīng)，Amorosi等[8]對圓形隧道的地震響應(yīng)進行了數(shù)值分析，Azadi等[9]基于FLAC 3D軟件研究了可液化地基隧道的地震反應(yīng)，Chian[10]研究了振動臺試驗中不同邊界條件對模型結(jié)構(gòu)上浮特性的影響，楊林德等[11]進行了軟土地層中地鐵車站及地鐵車站與區(qū)間隧道接頭結(jié)構(gòu)的振動臺模型試驗；陳國興等[12-13]在軟弱場地、可液化土層等不同地質(zhì)條件下進行了土-地鐵地下結(jié)構(gòu)動力相互作用大型振動臺試驗和數(shù)值模擬研究；劉晶波等[14]對砂土地基中地下結(jié)構(gòu)進行了離心機振動臺試驗研究；劉妮娜等[15]對黃土自由場地及地裂縫場地中地鐵隧道的地震反應(yīng)進行了研究；秦立科等[16]通過三軸試驗對非飽和黃土的動力本構(gòu)模型進行了研究；趙占廠等[17]基于公路隧道襯砌現(xiàn)場測試，對黃土隧道受力性能進行了研究；張柯等[18]對地鐵行車荷載作用下黃土地層震動響應(yīng)和減震進行了研究，并對城市軌道交通隔振減震機理和措施進行了研究；劉建軍等[19]對西安地區(qū)長周期地脈動進行了觀測，分析了西安地區(qū)地下構(gòu)造固有頻率特性，推斷了觀測區(qū)地下軟土層分布。除此之外，其他一些學(xué)者也對地鐵地下車站、區(qū)間隧道等地下結(jié)構(gòu)抗震進行了大量有益的探索。然而，基于土-結(jié)相互作用大型地震模擬振動臺試驗研究黃土場地及地鐵車站地震反應(yīng)還較少。

西安地鐵是我國首次在黃土地區(qū)修建地鐵工程。本文以西安地鐵工程為背景，進行了黃土與地鐵地下車站動力相互作用地震模擬振動臺試驗?；趯崪y數(shù)據(jù)對黃土與地鐵車站接觸動土壓力、模型地基豎向沉降及水平位移進行了深入分析，對試驗中模型地基地震破壞特點進行描述。研究結(jié)論可為黃土地區(qū)地鐵車站、區(qū)間隧道及地下商業(yè)街等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計及相關(guān)理論研究提供可靠資料。

1 試驗簡介

1.1模型設(shè)計與制作

以西安地鐵飛天路車站為原型結(jié)構(gòu)制作模型，該地鐵車站位于黃土臺塬區(qū)，上覆土層厚3 m，為典型的兩層雙跨矩形斷面結(jié)構(gòu)，車站寬19.2 m，高14.01 m，左右跨對稱布置；上、下層側(cè)墻厚度均為0.7 m；上、下層凈高分別為5.65 m和6.16 m；頂板、中板及底板厚度分別為0.8 m、0.4 m及1.0 m；板構(gòu)件與墻、柱連接處做了加腋處理。根據(jù)Bockingham π定理，選取長度、彈性模量及加速度為基本物理量，并充分考慮試驗系統(tǒng)的臺面尺寸、動力性能、承載噸位及其它配套設(shè)備性能等制約，確定模型體系的相似關(guān)系見表1。

根據(jù)相似設(shè)計確定模型結(jié)構(gòu)尺寸；采用微?；炷良板冧\鋼絲分別模擬原型結(jié)構(gòu)混凝土及鋼筋，微粒混凝土彈性模量為6 602 MPa；按照原型與模型構(gòu)件彎矩、剪力等效及施工可操作性原則，確定模型結(jié)構(gòu)中鋼筋布置。同時，在模型結(jié)構(gòu)中黏貼鉛塊以實現(xiàn)附加人工質(zhì)量。

振動臺試驗使用的疊層剪切模型土箱凈尺寸為3.5 m×2.0 m×1.7 m，采用15層疊層方鋼管框架并輔之以雙側(cè)面鋼板約束的方案，在水平振動方向形成可自由滑動的邊界，該疊層剪切模型土箱能較好地消除邊界上地震波反射或散射效應(yīng)[20]。試驗中黃土取自飛天路車站施工基坑，制備模型地基時，將黃土分層裝入模型土箱，按原型場地土天然含水量和密度控制模型地基含水量及密度，黃土樣的基本物理指標(biāo)見表2。

表1 模型相似常數(shù)

表2 黃土材性參數(shù)

1.2傳感器布置與加載方案

基于ABAQUS大型非線性有限元分析平臺，采用有限元-無限元耦合的建模方法，對黃土場地中地鐵車站的地震響應(yīng)進行了數(shù)值模擬[21]。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果、模型尺寸及試驗條件，確定振動臺試驗中位移和動土壓力傳感器布置方案如圖1所示。圖中L1～L5為位移傳感器；G1與G2為激光位移計；P1～P7為土壓力傳感器。本試驗采用的激振系統(tǒng)為美國MTS公司生產(chǎn)的水平單向高性能地震模擬振動臺，臺面尺寸為3.36 m×4.86 m，最大載重量25 t，最大加速度±1.0 g。為了研究地震動特性對黃土場地地鐵車站模型體系地震反應(yīng)的影響，分別選擇Taft波、松潘波和西安人工波作為輸入地震動，其加速度時程及傅里葉譜如圖2所示，加載工況見表3。

(a) 模型結(jié)構(gòu)觀測斷面位置

(b) 主觀測面位移傳感器布置 (mm)

(c) 動土壓力傳感器布置

圖2 輸入地震動的加速度時程及傅里葉譜

2 試驗結(jié)果分析

2.1黃土與地鐵車站接觸動土壓力

地鐵車站主觀測斷面內(nèi)側(cè)墻不同高度處動土壓力增量如圖3所示(圖中字母和數(shù)字組合代表工況或測點，下同)。由圖3(a)可知，輸入相同峰值加速度時，地鐵車站側(cè)墻動土壓力增量均隨測點高度增加而增大；側(cè)墻頂部動土壓力增量隨輸入峰值加速度增加顯著增大。這是由于隨著測點高度增加，周圍土體地震動力反應(yīng)增強，土層剪切變形增大，土結(jié)動力相互作用下更劇烈，從而動土壓力增量較大。由圖3(b)～(c)可知，隨著輸入峰值加速度增加，地震動所蘊含的能量越多，土-結(jié)動力相互作用逐漸增強，從而地鐵車站側(cè)面各測點的動土壓力增量均增大。同時發(fā)現(xiàn)，地鐵車站側(cè)墻底部和中部測點P1和P2動土壓力增量較小且較接近，其隨輸入峰值加速度增加而增長較緩慢；結(jié)構(gòu)側(cè)墻頂部測點P3動土壓力增量相對較大，且隨輸入峰值加速度增加呈現(xiàn)出緩增-急增-緩增的變化規(guī)律：當(dāng)輸入峰值加速度不大于0.1 g時，動土壓力增量增長較緩慢，當(dāng)輸入峰值加速度大于0.1 g且小于0.4 g時，動土壓力增量急劇增長，當(dāng)輸入峰值加速度大于0.4 g時，動土壓力增量又緩慢增長。上述分析表明，地鐵車站側(cè)墻頂部動土壓力增量顯著大于中部和底部，且隨輸入峰值加速度增大，側(cè)墻頂部動土壓力增量有明顯增大。

由圖3(d)～(f)可知，輸入峰值加速度較小時，不同頻譜特性地震動作用下地鐵車站側(cè)墻底部和中部測點P1和P2動土壓力增量較接近且規(guī)律性不明顯；輸入0.8 g峰值加速度時，不同頻譜特性地震動作用下P1和P2動土壓力增量呈現(xiàn)出相同規(guī)律，即動土壓力增量在西安人工波作用下較大，Taft波作用下居中，松潘波作用下較小。在較小地震動作用下，由于側(cè)墻底部和中部測點P1和P2動土壓力增量較小，受土壓力盒測量精度影響，不同頻譜特性地震動作用下動土壓力增量規(guī)律性不明顯；在強震中P1和P2動土壓力增量有所增大，不同頻譜特性地震動作用下其動土壓力增量呈現(xiàn)出明顯規(guī)律性，由于西安人工波低頻成分較松潘波和Taft波發(fā)育，而地鐵車站周圍土體對輸入地震動低頻成分較敏感，在西安人工波作用下結(jié)構(gòu)周圍土體地震動力反應(yīng)較強，土-結(jié)動力相互作用較劇烈，因此，動土壓力增量呈現(xiàn)出西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下相對較小。地鐵車站側(cè)墻頂部測點P3動土壓力增量相對較大，不同頻譜特性地震動作用下其動土壓力增量始終表現(xiàn)為西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下相對較?。淮送?，隨輸入峰值加速度增加，不同頻譜特性地震動作用下P3動土壓力增量的差異更加顯著。綜上所述，不同頻譜特性地震動作用下結(jié)構(gòu)側(cè)面動土壓力增量呈現(xiàn)出西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下相對較?。磺译S輸入峰值加速度增加及測點高度增加，結(jié)構(gòu)側(cè)面動土壓力增量均對輸入地震動頻譜組成特性更加敏感。

(a) 西安人工波下動土壓力

(b) 松潘波下動土壓力

(c) Taft波下動土壓力

(d) P1 動土壓力

(e) P2動土壓力

(f) P3動土壓力

振動臺試驗中，在主觀測斷面地鐵車站底板下表面及頂板上表面分別布置土壓力盒P4和P5，1號次觀測斷面下層側(cè)墻底部及上層側(cè)墻中部分別布置土壓力盒P6和P7，不同觀測斷面內(nèi)結(jié)構(gòu)動土壓力增量見表4。由表可知，底板下表面測點P4動土壓力增量顯著大于頂板上表面測點P5。由于結(jié)構(gòu)底板以下土體同時承受結(jié)構(gòu)自重及上覆土層重，在地震動力作用下土與結(jié)構(gòu)相互作用力較大，從而底板下表面測點P4動土壓力增量較大。同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入地震動小于0.4 g時，隨輸入峰值加速度增加P4動土壓力增量逐漸增大，當(dāng)輸入峰值加速度大于0.4 g時，P4動土壓力增量有所減??；不同頻譜特性地震動作用下，P4動土壓力增量呈現(xiàn)出西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下相對較小。由于地鐵車站埋深較淺，上覆土層較薄，結(jié)構(gòu)頂板上表面測點P5動土壓力增量相對較?。怀齻€別工況外，隨輸入峰值加速度增加P5動土壓力增量逐漸增大；不同頻譜特性地震動作用下P5動土壓力增量無明顯規(guī)律。

對比表4中1號次觀測斷面內(nèi)P6及P7動土壓力增量可知，輸入峰值加速度小于0.4 g時，上層側(cè)墻中部P7動土壓力增量小于下層側(cè)墻底部P6；輸入峰值加速度大于0.4 g時，P7動土壓力增量則大于P6。在較小地震動作用下，土-結(jié)動力相互作用較弱，1號次觀測斷面內(nèi)各測點動土壓力增量較小，由于P6測點與結(jié)構(gòu)底板同高度，P7測點位于上層側(cè)墻中部，因此P7測點處水平剛度較小，在土-結(jié)動力相互作用過程中會產(chǎn)生相對較大水平位移，從而使P7動土壓力增量較??；在較大地震動作用下，土-結(jié)動力相互作用較強，1號次觀測斷面內(nèi)各測點動土壓力增量相對較大，而上層側(cè)墻中部P7測點水平位移有限，此時由于P7測點高度較大，周圍土體地震反應(yīng)較強，土層剪切變形較大，土-結(jié)動力相互作用更劇烈，從而動土壓力增量增大。

對比表4中不同觀測斷面內(nèi)下層側(cè)墻底部測點動土壓力增量，發(fā)現(xiàn)1號次觀測斷面內(nèi)P6動土壓力增量始終大于主觀測斷面內(nèi)P1動土壓力增量。這主要受兩方面因素影響：其一，由于地鐵車站縱向端部土-結(jié)動力相互作用較強，1號次觀測斷面距結(jié)構(gòu)端部較近，受結(jié)構(gòu)端部影響其內(nèi)P6測點的動土壓力增量較大；其二，由于在施工及安裝傳感器過程中，模型地基不可避免的產(chǎn)生一定程度密度不均勻性，不同觀測斷面處土-結(jié)動力相互作用強度存在一定差異，從而使1號次觀測斷面內(nèi)P6動土壓力增量較大。

表4 不同觀測斷面的土壓力增量

2.2模型地基豎向沉降

布置于模型地表的激光位移計G1和G2測得了模型體系不同位置處的豎向沉降。輸入不同峰值加速度時，松潘波、Taft波和西安人工波作用下，模型地基表面豎向沉降見表5。由表可知，除個別工況外，地基表面各測點的豎向沉降隨輸入地震動峰值加速度的增大而增大；輸入相同峰值加速度時，在不同頻譜組成地震動作用下地基表面各測點豎向沉降基本呈現(xiàn)出西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下較小。

實測沉降數(shù)據(jù)表明，地鐵車站結(jié)構(gòu)上方地基表面測點G2的豎向沉降始終小于遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)處地基表面測點G1的豎向沉降，這是由于地鐵車站結(jié)構(gòu)與周圍土體豎向運動不一致引起的沉降反應(yīng)差異。在地震動作用下，由于G2測點豎向沉降小于G1測點，因此地鐵車站結(jié)構(gòu)相對周圍土體產(chǎn)生了上升運動，上升幅度可用G1與G2側(cè)點豎向沉降差表示，不同峰值加速度的各類地震動作用下，結(jié)構(gòu)上升高度見表5。由表可知，地鐵車站結(jié)構(gòu)上升高度均具有如下規(guī)律：在較小地震動時，隨著輸入峰值加速度增大，結(jié)構(gòu)上升高度逐漸增大；當(dāng)輸入峰值加速度為0.4 g時，結(jié)構(gòu)上升高度最大；在較大地震動時，隨著輸入峰值加速度增大，結(jié)構(gòu)上升高度有所減小。為研究地鐵車站結(jié)構(gòu)上升運動機理，將表3中結(jié)構(gòu)頂?shù)撞縿油翂毫υ隽颗c表4中結(jié)構(gòu)上升高度進行對比分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)底板下表面測點P4的動土壓力增量顯著大于頂板上表面測點P5，且P4與P5測點的動土壓力增量差與結(jié)構(gòu)上升高度均具有相似的變化規(guī)律：在較小地震動時，P4與P5測點的動土壓力增量差隨著輸入峰值加速度增大而逐漸增大；當(dāng)輸入峰值加速度為0.4 g時，P4與P5測點的動土壓力增量差達到最大值；在較大地震動時，P4與P5測點的動土壓力增量差隨著輸入峰值加速度增大則有所減小，如圖4所示。因此，可以推斷結(jié)構(gòu)底部與頂部動土壓力增量差是地鐵車站結(jié)構(gòu)豎向運動的內(nèi)在動力。

2.3模型地基水平位移

為得到模型地基水平位移反應(yīng)，在疊層剪切模型土箱側(cè)邊布置5個位移測點。不同工況下，模型地基表面測點L5水平位移時程如圖5所示。由圖可知，松潘波和西安人工波作用下，地表水平位移時程較飽滿，曲線與坐標(biāo)橫軸交點較密集，Taft波作用下，地表水平位移時程較松散，曲線與坐標(biāo)橫軸交點較稀疏。不同特性地震動作用下，模型地基中各測點在正負(fù)兩個方向水平位移幅值如圖6所示。西安人工波作用下，隨土層深度減小，地基中正負(fù)兩個方向水平位移幅值均增大；隨輸入峰值加速度增大，其正負(fù)兩個方向上水平位移幅值亦增大，且隨埋深減小其增加速度越快；同時發(fā)現(xiàn)，地基中正負(fù)兩個方向水平位移幅值分布并不對稱，隨輸入峰值加速度增大，地表負(fù)向水平位移幅值增加的幅度逐漸大于正向，這是由于地震動加速度時程正負(fù)兩個方向幅值不對稱，具有一定的方向性。松潘波作用下，隨輸入峰值加速度增大，地基中正負(fù)兩個方向上水平位移幅值均增大；在較小地震動作用下，地基中正負(fù)兩個方向水平位移幅值隨土層深度減小變化較小，在較大地震動作用下，地基中正負(fù)兩個方向水平位移幅值隨土層深度減小出現(xiàn)微幅增加。Taft波作用下，隨輸入峰值加速度增大，地基中正負(fù)兩個方向上水平位移幅值均增大；隨土層深度減小，其正負(fù)兩個方向水平位移幅值變化較小。松潘波和Taft波作用下，地基中正負(fù)兩個方向上水平位移幅值差異較小，未表現(xiàn)出明顯的方向性。

表5 不同工況下模型體系的豎向沉降

(a) 松潘波

(b) Taft波

(c) 西安人工波

模型地基表面與底面發(fā)生最大剪切變形時刻，地基內(nèi)各測點相對于底部的水平相對位移如圖7所示。由圖可知，在較小地震動作用下，隨土層深度減小，地基內(nèi)水平相對位移基本呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的波浪式變化，且不同頻譜特性地震動作用下水平相對位移相差不大，沿深度分布在較窄的帶狀區(qū)域內(nèi)。在較大地震動作用下，隨土層深度減小，地基內(nèi)水平相對位移逐漸增大，且其曲線均出現(xiàn)明顯反彎點，曲線斜率呈現(xiàn)出頂部最小，底部次之，中部最大的形態(tài)特征，因此，模型地基層間剪切位移具有頂部最大，底部次之，中部最小的反應(yīng)規(guī)律。此外，輸入較大峰值加速度時，不同頻譜特性地震動作用下地基內(nèi)相同深度處水平相對位移顯著不同，均呈現(xiàn)出西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下較小。這是由于西安人工波低頻成分較松潘波和Taft波發(fā)育，土體基頻較低，對低頻成分較敏感，從而表現(xiàn)為西安人工波作用下水平相對位移反應(yīng)較大。

圖5 模型地基水平位移反應(yīng)時程曲線

(a) 松潘波

(b) Taft波

(c) 西安人工波

圖7 模型地基水平相對位移分布

輸入較大峰值加速度時，模型地基表面與底面發(fā)生最大剪切變形時刻，不同頻譜特性地震動作用下模型地基內(nèi)水平相對位移沿深度的分布較相似。為了研究地基水平相對位移與土層深度之間關(guān)系，將輸入相同峰值加速度時，不同特性地震動作用下地基內(nèi)水平相對位移取平均值，并采用非線性回歸分析對水平相對位移平均值與土層深度進行擬合。輸入不同峰值加速度時，水平相對位移與土層深度非線性擬合曲線如圖8所示。由圖可知，模型地基水平相對位移與土層深度之間有較好的相關(guān)性，可采用形如式(1)的三次多項式表示。輸入不同峰值加速度時，水平相對位移與土層深度之間擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)見表6。

δ=Ah3+Bh2+Ch+D

(1)

式中：δ為模型體系表面與底面發(fā)生最大剪切變形時刻的水平相對位移，單位為mm；h為土層深度，單位為m；

表6 水平相對位移擬合曲線參數(shù)

圖8 模型地基水平相對位移擬合曲線

A，B，C與D為擬合參數(shù)。

3 模型地基震害

振動臺試驗中，在各工況加載結(jié)束后，對模型地表裂縫發(fā)育進行觀察。X4工況完成時，地表位于模型結(jié)構(gòu)側(cè)墻位置開始出現(xiàn)沿垂直于振動方向延伸的縱向裂縫。X5工況結(jié)束時，地表位于模型結(jié)構(gòu)端頭位置開始出現(xiàn)沿振動方向延伸的橫向裂縫，同時，縱向裂縫發(fā)育更為明顯。X6工況結(jié)束時，地表沿模型結(jié)構(gòu)四周的縱、橫向裂縫快速發(fā)展，并相互貫通形成閉合的主裂縫，且以主裂縫為源頭出現(xiàn)數(shù)條枝裂縫向遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)方向蔓延。X7工況過程中，地表閉合主裂縫外部模型地基產(chǎn)生了較大豎向沉降，模型結(jié)構(gòu)所在位置發(fā)生了明顯的相對上升運動，如圖9(a)；同時，主裂縫周邊的枝裂縫發(fā)育較快，枝裂縫數(shù)量增多，裂縫寬度更大，并延伸的更遠(yuǎn)，如圖9(b)所示。試驗結(jié)束后，地表裂縫最寬處達1.5 cm，豎向沉降差最大3.2 cm，如圖9(c)所示。

(a) 地表宏觀震害

(b) 主裂縫與支裂縫

(b) 地表豎向沉降

4 結(jié) 論

本文開展了黃土與地鐵車站動力相互作用大型地震模擬振動臺試驗，基于實測數(shù)據(jù)對黃土與地鐵車站接觸動土壓力、模型地基豎向沉降及水平位移進行分析，研究結(jié)論可為黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及相關(guān)理論研究提供重要參考，主要結(jié)論如下：

(1) 地鐵車站側(cè)墻頂部動土壓力增量大于中部和底部；隨輸入峰值加速度增大，結(jié)構(gòu)側(cè)墻動土壓力增量均增大；不同頻譜特性地震動作用下結(jié)構(gòu)側(cè)墻動土壓力增量呈現(xiàn)出西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下相對較小，且隨輸入峰值加速度增加及測點高度增加結(jié)構(gòu)側(cè)墻動土壓力增量均對輸入地震動頻譜組成更加敏感。

(2) 除個別工況外，地表測點豎向沉降隨輸入峰值加速度增加而增大；不同頻譜特性地震動作用下，地表測點豎向沉降基本呈現(xiàn)出西安人工波作用下較大，松潘波和Taft波作用下較小。

(3) 分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)底部P4及頂部P5動土壓力增量的差值與結(jié)構(gòu)上升高度具有相同的變化規(guī)律：當(dāng)?shù)卣饎虞^小時，其值隨輸入峰值加速度增加而增大；在0.4 g地震動作用下其值最大；當(dāng)?shù)卣饎虞^大時，其值有所減小。因此，可以推斷結(jié)構(gòu)底部與頂部動土壓力增量差是地鐵車站豎向上升運動的內(nèi)在動力。

(4) 隨輸入峰值加速度增大，模型地基內(nèi)水平位移反應(yīng)幅值均增大；在較大地震動作用下，地基水平相對位移隨土層深度變化曲線呈現(xiàn)出明顯的反彎點，曲線斜率呈現(xiàn)出頂部最小，底部次之，中部最大的形態(tài)特征，因此，模型地基層間剪切位移具有頂部最大，底部次之，中部最小的反應(yīng)規(guī)律。

(5) 非線性回歸分析表明，模型地基水平相對位移與土層深度之間具有較好的相關(guān)性，均可采用三次多項式擬合。因此，在黃土地區(qū)地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，采用反應(yīng)位移法計算地震作用時可考慮使用多項式表述自由場地水平相對位移沿土層深度的分布規(guī)律，其具體應(yīng)用還需進一步研究驗證。

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Horizontaldisplacementandsettlementanalysisforloess-subwaystationdynamicinteractionmodel

QUAN Dengzhou1, WANG Yihong1, YE Dan1, JING Yanlin1, CHEN Su2

(1. School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China;2. Institute of Geophysics, China Seismological Bureau, Beijing 100081, China)

A series of shaking table tests were performed for a loess-subway station dynamic interaction model. The dynamic soil pressure between loess and subway station, the horizontal displacement and vertical settlement of the model foundation were analysed, the seismic damage features of the model foundation were described after the tests. The results showed that the dynamic soil pressure of the structure’s side face increases with increase in input PGA, it is higher at the side top than that at the side middle and bottom; under higher PGA foundation motion, the shear displacement between soil layers is larger at the foundation top than that at the bottom, while the shear displacement at the foundation middle is smallest; the settlement of the ground surface increases with increase in input PGA, and the peak value of settlement is larger under Xi’an artificial wave than that under Songpan wave and Taft one; the settlement above the subway station is always smaller than that surrounding soils, the subway station uplifts relatively; the difference between dynamic soil pressures at the top and bottom of the subway station provides an uplifting force; meanwhile, after using the nonlinear regression analysis method, the relationship between the relative horizontal displacement of the ground and soil depth can be well fitted with a cubic polynomial.

loess area; subway station; shaking table test; dynamic soil pressure; horizontal displacement; settlement analysis

國家自然科學(xué)基金(41472267)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項(310828171010)；西安市地下鐵道有限責(zé)任公司科研基金(D4-YJ-042014048)

2015-10-30 修改稿收到日期：2016-02-23

權(quán)登州 男，博士，講師，1983年8月生

王毅紅 女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1955年1月生

E-mail：wangyh@chd.edu.cn

P315.97

： A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.17.018