本發(fā)明涉及地鐵車站抗震分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種富水地層中地鐵車站的抗震分析方法。

背景技術(shù)：

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市交通狀況及環(huán)境條件日趨惡化，而發(fā)展以地鐵為骨干的大運(yùn)量快速公共交通系統(tǒng)是解決問題的重要途徑。通常認(rèn)為，地鐵車站受周圍土體約束，具有較好的抗震性能。但是，已有震害表明，現(xiàn)有的地鐵車站并不安全，如1995年發(fā)生的7.2級日本阪神地震對神戶市內(nèi)地鐵車站造成了嚴(yán)重破壞。而地鐵車站一旦遭受地震破壞，將會(huì)給地震應(yīng)急和震后修復(fù)工作帶來極大困難。因此，出于城市防災(zāi)減災(zāi)的要求，地鐵車站的抗震性能及其抗震設(shè)計(jì)方法的研究越來越受到重視。

因地震的可預(yù)測性差，加之地鐵的大規(guī)模建設(shè)歷史尚淺，在對地鐵車站進(jìn)行抗震研究時(shí)，困難之處是缺乏必要的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，因此常采用土-結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。該方法的思路是將地鐵車站和周圍土層視為共同受力變形的整體，通過直接輸入地震加速度時(shí)程曲線，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計(jì)算地鐵車站和地層在各時(shí)刻的位移、應(yīng)變以及速度、加速度和內(nèi)力，進(jìn)而驗(yàn)算場地的穩(wěn)定性和進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。地層-結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法目前已經(jīng)較為成熟，并在地鐵車站抗震設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。

然而，當(dāng)在富水地層修建地鐵時(shí)，地鐵車站在地震下的響應(yīng)機(jī)理除了與周圍土層有關(guān)，還與地下水環(huán)境密切相關(guān)。在地震作用下，土層中的水產(chǎn)生動(dòng)水壓力，進(jìn)而對地層和結(jié)構(gòu)等固體顆粒產(chǎn)生推動(dòng)、摩擦和拖拽作用。同時(shí)，地震動(dòng)荷載通過改變土體及結(jié)構(gòu)的變形，進(jìn)而影響到土體及結(jié)構(gòu)的滲透特性，從而引起到土體介質(zhì)的滲流變化。但是，目前對于富水地層中地下水-土層-地鐵車站的地震相互作用分析還很欠缺。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中對于富水地層地鐵車站的抗震分析問題，尚缺乏有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種富水地層中地鐵車站的抗震分析方法，可以分析在地震作用下，富水地層中地鐵車站與周圍土層和地下水的相互作用，從而為地鐵車站建設(shè)提供設(shè)計(jì)和施工依據(jù)；

進(jìn)一步的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

富水地層中地鐵車站的抗震分析方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)土-結(jié)構(gòu)地震相互作用模型和比奧固結(jié)滲流模型，確定富水地層地鐵車站抗震分析的水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型，并為水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型確定其力學(xué)參數(shù)；

2)在水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型中設(shè)定位置布置監(jiān)測點(diǎn)；

3)由地表波，進(jìn)行地層地震反演，確定基巖地震加速度時(shí)程波；

4)沿垂直于地鐵車站的方向，向水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型基巖處輸入地震加速度時(shí)程波，對水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型進(jìn)行抗震分析。

進(jìn)一步的，所述步驟1)中，由地震作用下土層位移和孔隙水壓力的關(guān)系將土-結(jié)構(gòu)地震相互作用模型和比奧固結(jié)滲流模型結(jié)合，得出富水地層地鐵車站的水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型。

進(jìn)一步的，所述水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型，模型的力學(xué)邊界條件取為在模型四周及底面施加法向約束，水力邊界采用不透水邊界；模型頂面為自由邊界，水力邊界采用透水邊界；模型的動(dòng)力邊界為模型四周采用自由場動(dòng)力邊界。

進(jìn)一步的，所述水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型，模型的力學(xué)初始條件由土層類型和厚度計(jì)算得到；模型的水力初始條件，采用地質(zhì)勘察實(shí)測的地下水水位作為初始水頭。

進(jìn)一步的，所述步驟1)中，地層力學(xué)參數(shù)包括靜力參數(shù)，水力參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。

更進(jìn)一步的，所述靜力參數(shù)包括土層厚度，密度，粘聚力，內(nèi)摩擦角，靜彈性模量，靜泊松比，靜剪切模量和側(cè)壓力系數(shù)，上述靜力參數(shù)均通過地質(zhì)勘察得出。

更進(jìn)一步的，所述水力參數(shù)包括孔隙率，水平滲透系數(shù)，豎向滲透系數(shù)，上述水力參數(shù)均通過地質(zhì)勘察得出。

更進(jìn)一步的，所述動(dòng)力參數(shù)包括動(dòng)彈性模量，動(dòng)泊松比，動(dòng)剪切模量，動(dòng)剪切模量比和阻尼比，其中動(dòng)彈性模量，動(dòng)泊松比，動(dòng)剪切模量均通過地質(zhì)勘察得出。

更進(jìn)一步的，確定動(dòng)剪切模量比和阻尼比的公式為：

式中：gd/gdmax——?jiǎng)蛹羟心Ａ勘龋?/p>

λ——阻尼比；

γd——剪應(yīng)變；

γr——參考剪應(yīng)變；

λmax——最大阻尼比。

進(jìn)一步的，所述步驟2)中，在水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型中地鐵車站上、中、下層板各跨及側(cè)墻的中部位置布置位移監(jiān)測點(diǎn)和內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)；在地鐵車站上、中、下層板與側(cè)墻連接處以及土層中與車站水平距離為1倍車站寬度、豎向間隔15m處布設(shè)土壓力、加速度和孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述步驟3)的具體步驟為：

根據(jù)地質(zhì)勘探資料和地震統(tǒng)計(jì)資料，得到地表波；根據(jù)地鐵車站所處的地層條件，建立自由場分析模型，由自由場模型的地表處輸入地表波，反算得出基巖處地震加速度時(shí)程波。

進(jìn)一步的，所述步驟4)的具體步驟為：

基于地鐵車站動(dòng)力分析，同時(shí)考慮地下水滲流作用對地鐵車站的影響，并沿垂直于地鐵車站方向于水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用模型基巖處輸入地震波，得到地鐵車站位移及內(nèi)力反應(yīng)結(jié)果、地層的加速度及土壓力反應(yīng)結(jié)果和孔隙水壓力反應(yīng)結(jié)果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的分析方法首次考慮富水地區(qū)特殊的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件影響，在常規(guī)地層-結(jié)構(gòu)相互作用理論基礎(chǔ)上，基于三維比奧滲流固結(jié)模型，建立地下水-地層-結(jié)構(gòu)耦合作用下的分析模型，計(jì)算在地震作用下地鐵車站的位移和內(nèi)力響應(yīng)、地層的加速度及土壓力響應(yīng)和孔隙水壓力響應(yīng)，對地鐵車站的抗震設(shè)計(jì)和提高其抗震防御水平具有重要的指導(dǎo)意義。

本發(fā)明的方法通過實(shí)例驗(yàn)證，對于不同地震作用下的地鐵車站風(fēng)險(xiǎn)分析具有較好的適用性。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1為模型中位移和內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖；

圖2為模型中土壓力、加速度和孔隙水壓力的監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖；

圖3為地層地表處和基巖處加速度時(shí)程波的對比圖；

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在富水地層地鐵車站的抗震分析問題，為了解決如上的技術(shù)問題，本申請?zhí)岢隽艘环N富水地層中地鐵車站的抗震分析方法。

本申請的一種典型的實(shí)施方式中，提供了一種富水地層中地鐵車站的抗震分析方法，其具體技術(shù)方案如下：

步驟一，確定富水地層中地鐵車站抗震分析模型；

步驟二，確定地層靜力參數(shù)、水力參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)；

步驟三，確定監(jiān)測點(diǎn)的布置方案；

步驟四，確定輸入的地震加速度時(shí)程波；

步驟五，地鐵車站的抗震分析。

步驟一中，土-結(jié)構(gòu)地震相互作用模型將地鐵車站和周圍土層視為共同受力變形的整體，通過直接輸入地震加速度時(shí)程曲線，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下進(jìn)行地震響應(yīng)分析；比奧固結(jié)滲流模型是一種流固耦合理論，該模型從彈性理論出發(fā)，在滿足土體平衡條件、變形協(xié)調(diào)條件和水流連續(xù)條件下，建立了土中孔隙水壓力消散與土體骨架變形的相互關(guān)系。

步驟一中，通過將土-結(jié)構(gòu)地震相互作用模型和比奧固結(jié)滲流模型相結(jié)合，解決富水地層中地震荷載作用下水、土層和地鐵車站的相互耦合問題。

步驟一中，將地層劃分為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，并將模型單元視為水力學(xué)中的各向異性多孔連續(xù)介質(zhì)和土力學(xué)中的各向同性mohr-coulomb理想彈塑性材料；地鐵車站結(jié)構(gòu)的側(cè)墻、頂板、中板、底板視為殼體結(jié)構(gòu)單元，中柱視為梁結(jié)構(gòu)單元。

在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，由流-固耦合分析模塊和動(dòng)力分析模塊，將地震作用下地層中孔隙水壓力產(chǎn)生及消散、土層變形和地鐵車站的響應(yīng)聯(lián)系起來，即可實(shí)現(xiàn)水-土-結(jié)構(gòu)的耦合作用分析。

步驟一中，富水地層中地鐵地鐵車站抗震分析模型以土-結(jié)構(gòu)地震相互作用模型和比奧滲流固結(jié)模型為基礎(chǔ)，考慮滲流場和應(yīng)力場的二次耦合作用。其中，土-結(jié)構(gòu)地震相互作用模型的公式為：

式中：——結(jié)點(diǎn)加速度列陣；

——結(jié)點(diǎn)速度列陣；

[u]——結(jié)點(diǎn)位移列陣；

[m]——體系的整體質(zhì)量矩陣；

[c]——體系的整體阻尼矩陣；

[k]——體系的整體剛度矩陣；

[l]——元素均為1的列陣；

——輸入的地震加速度時(shí)程曲線；

[f(t)]——荷載向量列陣。

對于比奧固結(jié)滲流固結(jié)模型，忽略地下水的可壓縮性，僅僅考慮土體中孔隙的可壓縮性，單位時(shí)間內(nèi)單元的地下水體積變化量為：

式中：n——巖體中含水層的孔隙度；

ρw——流體的密度(kg/m³)；

t——時(shí)間；

εv——單元的體積應(yīng)變。

由質(zhì)量守恒定律可知，單位時(shí)間內(nèi)流入單元的水量和流出單元的水量之間的差值等于單元的體積變化量。

即：

式中：vx,vy,vz——分別是x,y,z三個(gè)方向上流體的滲流速度。

又由于

式中：h——地下水水頭(m)；

p——靜水壓力(pa)；

g——重力加速度(m/s²)，一般取值9.8；

z——位置水頭高度(m)。

結(jié)合達(dá)西定律得：

式中：k——滲透系數(shù)(m/s)；

反映土體形變和位移的幾何方程為：(以壓縮為正)

式中：ux,uy,uz——分別是x,y,z三個(gè)方向上的巖土介質(zhì)的位移；

εx,εy,εz——分別是x,y,z三個(gè)方向上的巖土介質(zhì)的線應(yīng)變；

γxy,γyz,γzx——分別是巖土介質(zhì)的剪切應(yīng)變。

三維條件下，巖土體連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)平衡方程為：

式中：σx,σy,σz——分別是x,y,z三個(gè)方向上的巖土介質(zhì)的總應(yīng)力；

x,y,z——分別是x,y,z三個(gè)方向上單元體的應(yīng)力；

τxy,τxz,τzy——分別是巖土介質(zhì)的剪切應(yīng)力，其中τxy＝τyx，τxz＝τzx，

τzy＝τyz。

三維條件下，連續(xù)介質(zhì)土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：

式中：——巖土介質(zhì)的體積變形模量；

——巖土介質(zhì)的剪切變形模量；

e——巖土介質(zhì)的彈性模量；

υ——巖土介質(zhì)的泊松比。

三維條件下，飽和巖土介質(zhì)的有效應(yīng)力表達(dá)式為：

式中：σex,σey,σez——分別是x,y,z三個(gè)方向上巖土體的有效應(yīng)力。

將式子(7)(8)(9)代入式子(10)中得如下：

式中：——拉普拉斯算子，

結(jié)合式子(6)和式子(11)可得巖土介質(zhì)的三維biot流固耦合的連續(xù)介質(zhì)模型，即如下：

式中：體積變量εv是一個(gè)過渡變量，所以以上四個(gè)公式中僅有p,ux,uy,uz四個(gè)變量。

另外，在確定富水地層中地鐵車站抗震分析模型時(shí)，還要確定模型的邊界條件和初始條件。對于邊界條件，包括力學(xué)邊界，水力學(xué)邊界和動(dòng)力邊界。其中，力學(xué)邊界：模型四周及底面邊界施加法向約束邊界，上部為自由邊界；水力邊界：模型四周及底面邊界采用不透水邊界，上部采用透水邊界；動(dòng)力邊界：模型四周采用自由場邊界。對于初始條件，包括力學(xué)初始條件和水力初始條件。力學(xué)初始條件根據(jù)土層類型和厚度計(jì)算；水力初始條件根據(jù)地質(zhì)勘察實(shí)測的地下水水位作為初始水頭施加于三維模型。

給定了水-土-結(jié)構(gòu)耦合分析模型、邊界條件和初始條件，即可進(jìn)行富水地層中地鐵車站的抗震分析。

步驟二中，地層中的靜力參數(shù)：土層厚度，密度，粘聚力，內(nèi)摩擦角，靜彈性模量，靜泊松比，靜剪切模量和側(cè)壓力系數(shù)；水力參數(shù)：孔隙率，水平滲透系數(shù)，豎向滲透系數(shù)；動(dòng)力參數(shù)：動(dòng)彈性模量，動(dòng)泊松比，動(dòng)剪切模量，動(dòng)剪切模量比和阻尼比。其中，除動(dòng)剪切模量比和阻尼比外的其他參數(shù)由地質(zhì)勘察得到，動(dòng)剪切模量比和阻尼比由以下公式確定：

式中：gd/gdmax——?jiǎng)蛹羟心Ａ勘龋?/p>

λ——阻尼比；

γd——剪應(yīng)變；

γr——剪應(yīng)變；

λmax——最大阻尼比。

步驟三中，模型邊界部位不能真實(shí)的反應(yīng)地震作用下的響應(yīng)特征，并且地鐵車站、地層及地下水地震響應(yīng)表現(xiàn)為對稱及局部放大效應(yīng)，所以選取車站縱向中間位置處的橫切面布置測點(diǎn)來監(jiān)測車站在地震作用下的變形、受力規(guī)律，具體布設(shè)如下：由于上、中、下層板各跨及側(cè)墻的中部位置處易出現(xiàn)撓度最大值或彎矩最大值，各層板與側(cè)墻、中柱的連接處易出現(xiàn)剪力及彎矩最大值，所以，如圖1所示，在這些關(guān)鍵位置處布設(shè)相應(yīng)測點(diǎn)，監(jiān)測車站主體結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩、剪力、撓度及結(jié)構(gòu)整體位移變化等。同時(shí)，如圖2所示，在車站主體結(jié)構(gòu)的上、中、下層板與側(cè)墻連接處以及土層中與車站水平距離為1倍車站寬度、豎向間隔15m處布設(shè)水壓力、加速度和孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)。

步驟四中，地鐵車站抗震分析時(shí)的地震波理想輸入位置為基巖處或剪切波速大于500m/s的土層。由于所給出的人工波及記錄的實(shí)際地震波都是地表波，需要進(jìn)行地層地震反演，思路如下：首先，根據(jù)地質(zhì)勘探資料和地震統(tǒng)計(jì)資料，得到場地的地表波；然后，根據(jù)地鐵車站所處的地層條件，建立自由場分析模型，其中自由場的地層參數(shù)同步驟二；最后，在自由場模型的地表處輸入地震波，反算得出基巖處地震波，如圖3所示。

步驟五中，由流-固耦合分析模塊和動(dòng)力分析模塊，并沿x方向(垂直于地鐵車站方向)于模型基巖處輸入地震波，進(jìn)行地鐵車站抗震計(jì)算，步驟如下：

(1)將輸入地震加速度的計(jì)算時(shí)間劃分成若干個(gè)足夠微小的時(shí)間間隔；

(2)假設(shè)在每個(gè)微小的時(shí)間間隔內(nèi)，地震加速度及體系的反應(yīng)加速度均隨時(shí)間呈線性變化，基于流-固耦合分析模塊，算得該時(shí)間間隔最后時(shí)刻的位移{u}、速度及加速度

(3)根據(jù)位移{u}求出應(yīng)變和應(yīng)力；

(4)重復(fù)步驟(2)～(3)，計(jì)算下一時(shí)間間隔的最后時(shí)刻的位移、速度、加速度、應(yīng)變和應(yīng)力，直到輸入地震加速度的計(jì)算時(shí)間結(jié)束。

(5)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提煉得到地鐵車站位移及內(nèi)力反應(yīng)結(jié)果、土層的加速度及土壓力反應(yīng)結(jié)果和孔隙水壓力反應(yīng)結(jié)果。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。