基于液化土体侧向变形效应的地铁地下结构地震破坏机制和分析方法研究

Lateral deformation induced by sand liquefaction is one of the main reasons caused by liquefaction damage of underground structure. First, fluid properties of soil liquefaction is carried out by dynamic triaxial tests, in order to study the rate dependent characteristics of pore water pressure, and to analysed the relationship between stress-strain rate characteristics and dynamic pore water pressure, relative density, clay content, confining pressure. Secondly, an arbitrary Lagrangian-Eulerian format is used to describe liquefaction lateral deformation movement of soil under the coverage of non-liquefied soil, in order to bulid Fluid-Solid interaction analysis model of underground structures in liquefaction soil. The simplified mechanical model of underground structures is bulit, considering earth pressure effect of non-liquefied covered layer and lateral deformation of liquefaction soil. Finally, by analysing lateral deformation and motion effect in level and gentle slope liquefied sites, the phase characteristics of underground structure are researched for process of pore pressure, liquefiable continuous excitation and pore pressure dissipation. So that, the underground structure deformation failure mode is analysed, and soil- underground structure rate-dependent interaction effects is revealed, and relations between liquefaction effects and underground structure damage relations are evaluated. So that, the seismic damage mechanism of underground structure based on lateral deformation of liquefiable soil is solved scientifically.

砂土液化诱发的侧向变形是造成液化区内地下结构震害的最主要原因之一。首先，开展液化土体流体特性的室内动三轴试验，研究土体在孔压增长过程中的率相关性，分析土体应力-应变率特性与振动孔压、相对密度、粘粒含量和围压等因素关系。其次，研究采用任意拉格朗日-欧拉格式描述非液化土层覆盖下液化土体侧向变形运动的方法，建立液化场地地下结构地震反应流固耦合分析模型和方法；建立考虑上覆非液化层土压力效应的液化土体侧向变形作用地下结构的简化力学模型，提出液化场地中地下结构地震响应分析的简化方法。最后，通过水平液化场地和缓倾角斜坡场地的动力侧向变形及其运动效应，分析孔压增长过程、液化持续激振过程以及孔压自由消散过程中的地下结构响应阶段性特征，分析液化土体侧向变形作用下地下结构破坏模式，揭示土-地下结构率相关相互作用效应及其影响，评价液化效应与地下结构地震破坏关系，科学解释液化土体侧向变形作用下地下结构地震破坏机制。

以南京地铁建设和规划为背景，通过试验研究、理论分析与数值模拟研究基于液化土体侧向变形效应的地铁地下结构地震破坏机制和分析方法, 主要结论如下：.（1）通过室内动三轴试验，提出考虑孔压效应条件下饱和细砂动剪切模量的衰减特性，建立了动剪切模量比随孔压比增大而衰减的经验公式，通过拟合的曲线可以描述并预测不同相对密度饱和细砂的动剪切模量比随孔压的衰减特性，得出在不同孔压比时刻对应的动剪切模量。.（2）将液化流动的土体视为流体，运用流体力学原理，求解出动力场解析解；同时采用ABAQUS/CFD进行液化场地流体动力学有限元分析，计算出液化动力场的数值解。液化场地对地下结构的侧向作用力主要由附加惯性和附加阻尼组成，与流体密度、流体粘度、地下隧道半径及地下结构的振动频率有关。.（3）基于BP神经网络方法提出地下隧道结构损伤识别的方法，通过ABAQUS有限元计算平台对地铁地下隧道结构进行了模态分析，通过分析得出将地下工程结构前4阶曲率变化率作为损伤诊断标识量是合理的。.（4）针对液化场地侧向变形对地下结构的作用，建立土-地下结构体系的简化力学模型，考虑弹性小变形和液化大变形两种情况，得出液化土体中地下结构侧向变形的解析解。.（5）将液化土体视为粘性流体，以波动理论为基础，从粘性流体的运动方程和连续性方程导出波动方程，结合复变函数法推导出隧道结构的运动方程，并求解隧道结构周围半无限空间中波动位移场和应力场。.（6）基于ABAQUS软件平台，研究了液化场地的孔压效应，分析了基于液化效应的地铁地下结构的动力反应，得出了地下结构的损伤特性和变形规律，同时分析了液化场地对地下结构的作用效应。.（7）通过主、余震作用下液化场地上地铁地下车站模型结构的振动台试验，考察了液化作用下地下车站结构临界破坏的动力学行为特征，主震和余震作用下，地表的放大效应差异显著，并且中柱是地铁地下车站结构最薄弱的构件。运用达朗贝尔原理定义模型场地的液化势，并与孔压比的分布规律对比。