关天定 周海娜
广东建设职业技术学院，广东广州，510440
摘要：滨海地下工程处于复杂的海域环境，其破坏机理更为复杂、震害后果严重。本文分析滨海地下结构的特殊场地条件，针对性的分析滨海环境中含软弱土层的成层土场地，探讨土层刚度变化对地下结构抗震性能的影响。具体通过基于有限元软件MSC.Marc二次开发的场地地震反应有限元数值模拟，在滨海场地土体中建立地下结构模型，考虑了土－地下结构相互作用，进而得到了场地刚度变化对地下结构地震反应的影响规律，研究结果有助于揭示滨海地下工程的动力特性和震害机理，提高我国滨海或海域地下工程的设计水平。
关键词：地下结构；滨海环境；抗震性能
1 滨海地下结构震抗性能的重要性
随着粤港澳大湾区世界级城市群的进深化建设，大量滨海、跨海重大工程将逐渐建成或规划建设，加之我国沿海地区处于环太平洋地震带上，沿海地区人口众多，一旦发生地震灾害，人民的生命财产必将损失惨重，后果不堪设想。
滨海是指海岸平原或沿海平原，地势低平向海缓倾的沿海地带。由浪蚀台地、水下浅滩升出海面而成，或由波浪、沿岸流直接堆积而成，因此滨海场地土层一般呈层状分布。加上由于海水的作用，土层在地震荷载作用下可能发生刚度软化，使地基土体发生较大的变形，对地下结构的抗震能力将产生很大影响，可能会威胁到地下结构的地震安全[1、2]。
本文通过基于有限元软件MSC.Marc二次开发的场地地震反应二维有限元数值模拟方法，在场地土体中建立地下结构模型，考虑了土－地下结构相互作用影响，进而研究场地刚度变化对地下结构地震反应的影响。具体以某二层双柱三跨岛式地铁车站为研究对象，在不同的场地类型中建立含软弱夹层的有限元模型，研究滨海场地刚度变化对地下结动力反应的影响。
2 有限元模型的建立
场地所在地区的设防烈度按8度（0.2g）处理，选取频率含量丰富的El Centro波作为地震波从基岩面输入，输入加速度峰值调整为2m/s2。拟对II、III和IV类建筑场地进行分析，场地基岩以上的覆盖层厚统一取为50m。参考某二层双柱三跨岛式地铁车站原型进行简化建模。有限元计算区域宽度为结构左、右各取结构宽度的5倍，即左右各106m。根据《岩土工程勘察规范设计手册》取土与地铁车站之间的摩擦系数，土和地铁车站的材料参数按工程经验选取。土体的动力参数按《工程场地地震安全性评价工作规范》选取土动剪切模量和阻尼比。在有限元模型中采用的是瑞利阻尼，质量系数和刚度系数通过模态分析求得的频率计算，并在每一次迭代计算中进行剪切模量和阻尼的修正[3、4]。
本文主要分析滨海成层土场地，即场地含有软弱夹层的成层土场地，分析软弱土层所在位置与地下结构动力特性和剪切变形的关系。分别考虑三种相对位置关系，第一种是软弱夹层位于地下结构之上，第二种是软弱夹层与地下结构相交，第三种是软弱夹层位于地下结构下部。三种工况的有限元模型如图1、2、3所示。同理，分别讨论上述三种工况在II、III和IV类建筑场地的地震反应。
图1 软弱夹层位于顶部的有限元模型
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图2 软弱夹层位于中部的有限元模型
图3 软弱夹层位于底部的有限元模型
3 地下结构震抗性能分析
分析软弱夹层位于地下结构顶部、中部、和底部时结构顶板的加速度反应发现，当软弱夹层的位置位于地下结构顶部时，地下结构的加速度反应最大，峰值加速度为2.302m/s2；当软弱夹层的位置位于地下结构底部时，地下结构的加速度反应最小，峰值加速度为1.563m/s2；软弱夹层的位置位于地下结构中部时，地下结构的加速度反应介于以上两者之间，峰值加速度为1.872m/s2。地下结构在II、III和IV类建筑场地的地震动反应与上述变化规律一致。
笔者分析认为，软弱夹层的位置位于地下结构底部时地下结构的加速度反应最小，是因为底部的软弱层在地震动过程中起到了类似“隔震垫”的作用。软弱层较小的刚度使其在振动过程中产生较大的变形，一方面起到隔震的作用，另一方面由于大变形使之还具有不错的耗能特性，所以最终软弱层能有效阻隔地震动的向上传播，使地下结构受到的振动减小。当软弱夹层的位置位于地下结构顶部时，软弱层对地下结构的影响最小；软弱层主要对其上土层有隔震消能作用，地下结构的振动特性更多受制于周围土体的约束，受迫于场地土体的放大作用，因而此种情况下地下结构的加速度反应最大。当软弱夹层的位置位于地下结构中部时，振动的传递机制和地下结构的受力情况十分复杂，具体机理仍需进一步深入研究。
在地下结构的变形方面，剪切变形是影响地下结构破坏的一个重要指标，本文采用地下结构顶层楼板与底层楼板的峰值位移相对值来表征剪切变形。在含有软弱夹层的场地，当软弱夹层的位置位于地下结构底部时，峰值相对位移最小，最小峰值相对位移为2.47cm；当软弱夹层的位置位于地下结构中部时，峰值相对位移最大，最大峰值相对位移为6.15cm；软弱夹层的位置位于地下结构顶部时，峰值相对位移介于上述两种情况之间。
分析认为，之所以软弱夹层的位置位于地下结构中部时，峰值相对位移最大，是因为在地震作用下，软弱夹层为整个场地土体变形最为剧烈之处，当地下结构处于软弱夹层之中时将受迫于周围土体的约束，被土体带动而产生较大的剪切变形。因此在地震动作用下，地下结构和周围土体介质一起产生运动，当有软弱夹层贯通地下结构时为地下结构剪切变形最不利情况，地下结构很可能会因产生过度的变形而破坏。
4 结语
本文通过有限元数值模拟，在场地土体中建立地下结构模型，考虑了土－地下结构相互作用，进而研究场地刚度变化对地下结构地震反应的影响规律。包括：（1）当软弱夹层的位置位于地下结构顶部时，地下结构的加速度反应最大；当软弱夹层的位置位于地下结构底部时，地下结构的加速度反应最小。（2）软弱层在地震动过程中起到了类似“隔震垫”的作用，能有效阻隔地震动的向上传播，减小地下结构所受到的振动。（3）当软弱夹层的位置位于地下结构底部时，地下结构的剪切变形最小；当软弱夹层的位置位于地下结构中部时，地下结构的剪切变形最大，对地下结构在地震中是最不利的。
参考文献：
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