地下结构物对饱和砂土地基液化的影响
摘 要: 以我国东南沿海地区砂土地层大型地铁站为背景，进行了自由场和埋设地下结构物的饱和砂土地基动力离心模型试验，对比分析了强震作用下两种模型不同深度的地基加速度、超孔隙水压力及地基沉降等变化规律，数据结果显示埋设地下结构物的饱和砂土层地基相比于自由场相同位置的砂土层地基更易发生液化，提升了人们对地下结构物影响砂土液化效果的认识．
关键词: 砂土液化; 地下结构; 离心机振动台
0 引 言
随着中国城市化进程的加速发展，地下空间的开发和利用，大断面、浅埋地下结构越来越多，地铁地下结构有时不可避免地穿越可液化地层，例如我国南京、深圳等城市的地铁，以及台北捷运系统中某些盾构隧道均遇到了可液化地层［1，2］，在地震作用下，地层内饱和砂土孔隙水压力会急剧增长，有时有效应力甚至降为零，失去抗剪能力，土体呈现流体的性状，地铁等地下结构物可能由于地基液化时过高的超孔压而产生上浮或沉陷破坏，其危险性程度往往高于软土的震陷． 本文通过对自由场和埋有地下结构物的砂土地基模型在动力离心机试验中获得的试验数据进行对比，分析了地下结构物对饱和砂土层地基液化的影响．
1 试验方案及试验过程
1． 1 试验设备、试验土样及模型地基的制备
本次动力离心模型试验确定模型与原型的几何尺寸比例为 1/50，重力加速度场为 50g，保证模型与原型的应力条件相同，所用模型箱为叠环式层状剪切箱，剪切箱内部尺寸为: 500mm( 长) ×400mm( 宽) × 560mm( 高) ，可移动框架 22 层，每层厚 24mm，层间最大相对变位 5mm．剪切箱主体结构采用高强铝合金材料，内壁贴有高强耐久性橡胶膜，其具有良好的吸波和防水性能; 地下结构物模型是由铝硅合金和铝镁合金加工而成，尺寸为214mm x 214mm x 214mm，模拟的实际原型尺寸为10．7m x 10．7m x 10．7m，模型箱及地下结构物实体图如图 1 与图 2 所示． 由于本次试验研究侧重点是砂土液化等问题，孔隙流体选用水［4］．
试验研究中的试样为福建平潭标准砂，属于中砂范畴． 其物理特性指标为比重 Gs =2．643、最大干密度 ρdmax= 1．74g / cm3、最小干密度 ρdmin= 1．43g /cm3、最大孔隙比 emax= 0．848、最小孔隙 emin= 0．519、平均粒径 d50= 0．34mm、不均匀系数 Cu= 1．542、曲率系数 Cc= 1．104。
为了使砂土试样充分饱和，达到既定的要求来模拟我国东南沿海砂土地基的自然沉积的特性，本次试验制样采用水中沉砂法，所制模型如图 3、图 4所示． 为方便起见，分别记自由场饱和砂土地基试验与埋有地下结构物饱和砂土地基试验为试验 1与试验 2．
1． 2 地震波的选取
试验中的原型波采用 1995 年神户地震中采集到的地震波( Kobe 波) ，加速度峰值为 0．543g，持续时间为 82s，在波形数控系统中，根据需要对地震波进行缩放，将其峰值加速度调整至 0．298g，由于试验振动台的振动频率为 20 ～200Hz 之间，50g状态下相当于地震波入射限制在 0．4 ～4Hz 之间，所以对应 50g 离心状态要对输入地震波按照振动台频率限制进行滤波处理，最终的地震波形如图 5所示．
2 试验结果对比与分析
2． 1 超孔隙水压力比
图 6 与图 7 分别为试验获得的饱和自由场砂土地基及埋有地下结构物的饱和砂土地基各深度处的超孔隙水压力时程曲线． 首先，由图 6 可以看出，超孔压基本在 2． 5s 到 5s 左右急剧上升到一峰值平台并在平台上持续一段时间后，在 10s 左右开始下降，最后下降到一高于零的值，即有剩余超孔隙水压力． 超孔压消散速率从下往上逐渐减小，主要是因为模型地基只有一个向上的排水通道，下部孔压向上消散缓解了上部砂土层超孔压的消散，从图中可以看出，超孔压为底部最大，往上逐渐减小，为了判断砂土地基各深度的液化程度，将各个深度的超孔压与相应位置的初始竖向有效应力做比值［6］，得出 P1 到 P5 的超孔压比依次分别为 0． 57，0． 60，0． 81，0． 98，0． 83，顶部地层超孔隙水压力已接近该点竖向有效应力，说明该处砂土处于液化状态，下层砂土未达到液化． 其中 P3 与 P5 处于同一深度，两则超孔压的大小及变化趋势基本相同，证明模型地基模型制样均匀及层状剪切箱边界效应影响小．
图7 中，因为孔压计 P4 出现故障，这里没有列出． P1 ～ P3 及 P5 的超孔压大小分别为157．64kPa，110．7kPa，70． 80kPa 及 110． 52kPa，相应的超孔隙水压力分别为 0．85，0．69，0．74 和 0．69． 深度400mm 处的超孔压比是自由场同一深度的 1．5 倍左右，同时深度 293mm 处的超孔压比是自由场相同深度的 1． 15 倍． 这种试验现象产生的主要原因是结构物的存在改变了砂土地基原有的排水特性，阻碍孔隙水往上流动，孔隙水在结构物地面积聚，然后再绕过结构物地面而从结构物侧面向上流动，从而使得结构物周围的超孔压比自由场同一深度的要大． 试验结果表明，地下结构物周围砂土层相比于自由场相同位置的砂土层更易发生液化．
2． 2 加速度响应
试验 1 与试验 2 中加速度计 AH1 ～ AH4 记录的地基内不同深度的加速度响应曲线如表 1 所示．加速度随深度变化规律与自由场饱和砂土地基基本一致，峰值先增大后减小，其结果与前人一致［8］，原因主要是因为在大震作用下中砂基地液化程度不高，对加速度有一定的放大作用，随着深度的减小，砂土地基液化程度增高，阻尼增加，刚度降低，不利于地震波传递的．
2． 3 竖向位移分析
图 8 与图 9 分别为自由场砂土地基竖向位移沉降及埋有地下结构物的饱和砂土地基竖向沉降曲线． 由图可见，自由场的地表沉降为 80．3cm，而埋设结构物的砂土层沉降约 40．7cm． 后者沉降要小的多，这主要是因为本次试验主要研究的是大型结构物对砂土层液化的影响，试验所取的地下结构物高度大于土层深度的三分之一比例，而结构物的变形远远小于土体的变形，所以两者相差较大．
3 结 论
本文通过对自由场砂土层及含有地下结构物的砂土层进行动力离心模型试验，分析比较两者宏观振动响应时程曲线，得出以下几点结论:
( 1) 埋有地下结构物的饱和砂土地基，由于地下结构物的存在改变了砂土地基原有的排水特性，阻碍孔隙水往上流动，使得结构物周围的超孔压比自由场同一深度的要大，所以地下结构物周围砂土层相比于自由场相同位置的砂土层更易发生液化．
( 2) 埋有地下结构物饱和砂土地基各位置的加速度响应，其随深度变化规律与自由场饱和砂土地基基本一致，加速度峰值先从下往上先略增大后减小．
( 3) 由于地下结构物的变形要远远小于土体的变形，埋有地下结构物的饱和砂土地基竖向位移沉降比自由场砂土地基竖向位移沉降要小．
参考文献:
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