地铁车站周围人工冻融粘土的地震变形特性研究

作     者：侯晨煜 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔振东

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：冻融土 动剪应力折减 双向动三轴 动力特性 地震反应 

摘      要：人工冻结法在地铁车站与隧道的施工中被广泛应用,但是冻融后软土强度明显降低,沉降变形较为显著。许多历史地震灾害表明,软粘土广泛分布地区的工程建设对抗震设防工作带来了很大的安全隐患。本文以上海第（4）层灰色淤泥质粘土为研究对象,采用DEEPSOIL软件对原状土和冻融土场地进行了频域等效线性地震反应分析;通过双向动三轴试验分析了地震荷载下饱和软粘土冻融前后的动力特性;采用ABAQUS有限元数值模拟对两种场地和地铁车站的地震动力相互作用进行了对比;研究成果主要包括以下6个方面。（1）通过频域内地面地震动时程反演,得到场地基岩地震动加速度时程与地面地震动有较大差别。DEEPSOIL等效线性分析结果表明:软土场地对地震动加速度有明显的放大效应,冻融土场地对地震动加速度放大作用更明显。（2）土层内最大动剪应力随着深度的增加,呈现单调增长的趋势。同一深度下,冻融土场地的地震剪应力比原状土场地偏大。随着土层深度的增加,剪应力折减系数逐渐减小。原状土场地和冻融土场地的折减系数曲线较为接近,直接采用Seed抗液化剪应力法会高估粘土场地的剪应力折减系数。（3）静三轴试验中,土样在剪切过程中发生了软化现象,冻融土试样更容易达到破坏。分级加载试验中,在相同的动剪应变下,围压越高,土体的动剪切模量越大;原状土的动剪切模量要比冻融土大,冻融作用会导致土体的抗剪强度降低。（4）同一围压下,冻融土试样的饱和固结变形要比原状土大。软粘土的轴向应变随着加载次数的增大呈现先慢后快的趋势。无论原状土还是冻融土,都存在一个极限最小循环强度,冻融土的轴向应变达到破坏时比原状土所需要的加载次数少。在相同的地震剪应力下,冻融土的超孔隙水压力要比原状土发展更快;加载频率为1 Hz的土体产生的超孔隙水压力最大;深度为12 m的土样超孔隙水压力发展速度最快,并且更容易发生破坏。（5）基于ABAQUS有限元分析,在输入地震动较小时,地表沉降主要集中在车站顶板跨中上方土层;当地震动较大时,车站中柱上方的土层变形很大,冻融土场地地表更容易发生变形。原状土场地在0.4 g地震动下车站整体结构发生“M形倒塌破坏,中柱受压变形较为严重;而冻融土场地车站在地震动为0.3 g时就已经发生了较大破坏。（6）在相同地震荷载作用下,冻融土场地车站层间位移角比原状土场地车站更容易达到限值而发生破坏。地震过程中,中柱因承受较大的轴向压力而最先发生受压破坏。冻融土场地车站由于土体强度较低,中柱破坏更为严重,因此对地铁车站周围人工冻融土进行改良以及提高车站中柱的变形能力是软土地区地铁车站抗震设计的关键。本论文有图90幅,表15个,参考文献144篇。