富水地层中地铁车站的抗震分析方法技术

本发明专利技术公开了一种富水地层中地铁车站的抗震分析方法，它解决了富水地层地铁车站的抗震分析问题，可以分析在地震作用下，富水地层中地铁车站与周围土层和地下水的相互作用，从而为地铁车站建设提供设计和施工依据，其技术方案为：根据土‑结构地震相互作用模型和比奥渗流固结模型，确定富水地层中地铁车站抗震分析模型，并为水‑土‑结构耦合作用模型确定其力学参数；在水‑土‑结构耦合作用模型中设定位置布置监测点；确定地震加速度时程波；对水‑土‑结构耦合作用模型进行抗震分析。

【技术实现步骤摘要】
富水地层中地铁车站的抗震分析方法
本专利技术涉及地铁车站抗震分析
，特别是涉及一种富水地层中地铁车站的抗震分析方法。
技术介绍
随着城市化进程的加速，城市交通状况及环境条件日趋恶化，而发展以地铁为骨干的大运量快速公共交通系统是解决问题的重要途径。通常认为，地铁车站受周围土体约束，具有较好的抗震性能。但是，已有震害表明，现有的地铁车站并不安全，如1995年发生的7.2级日本阪神地震对神户市内地铁车站造成了严重破坏。而地铁车站一旦遭受地震破坏，将会给地震应急和震后修复工作带来极大困难。因此，出于城市防灾减灾的要求，地铁车站的抗震性能及其抗震设计方法的研究越来越受到重视。因地震的可预测性差，加之地铁的大规模建设历史尚浅，在对地铁车站进行抗震研究时，困难之处是缺乏必要的现场实测数据，因此常采用土-结构时程分析法对其进行数值模拟研究。该方法的思路是将地铁车站和周围土层视为共同受力变形的整体，通过直接输入地震加速度时程曲线，在满足变形协调条件的前提下分别计算地铁车站和地层在各时刻的位移、应变以及速度、加速度和内力，进而验算场地的稳定性和进行结构截面设计。地层-结构时程分析法目前已经较为成熟，并在地铁车站抗震设计中得到了应用。然而，当在富水地层修建地铁时，地铁车站在地震下的响应机理除了与周围土层有关，还与地下水环境密切相关。在地震作用下，土层中的水产生动水压力，进而对地层和结构等固体颗粒产生推动、摩擦和拖拽作用。同时，地震动荷载通过改变土体及结构的变形，进而影响到土体及结构的渗透特性，从而引起到土体介质的渗流变化。但是，目前对于富水地层中地下水-土层-地铁车站的地震相互作用分析还很欠缺。综上所述，现有技术中对于富水地层地铁车站的抗震分析问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种富水地层中地铁车站的抗震分析方法，可以分析在地震作用下，富水地层中地铁车站与周围土层和地下水的相互作用，从而为地铁车站建设提供设计和施工依据；进一步的，本专利技术采用下述技术方案：富水地层中地铁车站的抗震分析方法，包括以下步骤：1)根据土-结构地震相互作用模型和比奥固结渗流模型，确定富水地层地铁车站抗震分析的水-土-结构耦合作用模型，并为水-土-结构耦合作用模型确定其力学参数；2)在水-土-结构耦合作用模型中设定位置布置监测点；3)由地表波，进行地层地震反演，确定基岩地震加速度时程波；4)沿垂直于地铁车站的方向，向水-土-结构耦合作用模型基岩处输入地震加速度时程波，对水-土-结构耦合作用模型进行抗震分析。进一步的，所述步骤1)中，由地震作用下土层位移和孔隙水压力的关系将土-结构地震相互作用模型和比奥固结渗流模型结合，得出富水地层地铁车站的水-土-结构耦合作用模型。进一步的，所述水-土-结构耦合作用模型，模型的力学边界条件取为在模型四周及底面施加法向约束，水力边界采用不透水边界；模型顶面为自由边界，水力边界采用透水边界；模型的动力边界为模型四周采用自由场动力边界。进一步的，所述水-土-结构耦合作用模型，模型的力学初始条件由土层类型和厚度计算得到；模型的水力初始条件，采用地质勘察实测的地下水水位作为初始水头。进一步的，所述步骤1)中，地层力学参数包括静力参数，水力参数和动力参数。更进一步的，所述静力参数包括土层厚度，密度，粘聚力，内摩擦角，静弹性模量，静泊松比，静剪切模量和侧压力系数，上述静力参数均通过地质勘察得出。更进一步的，所述水力参数包括孔隙率，水平渗透系数，竖向渗透系数，上述水力参数均通过地质勘察得出。更进一步的，所述动力参数包括动弹性模量，动泊松比，动剪切模量，动剪切模量比和阻尼比，其中动弹性模量，动泊松比，动剪切模量均通过地质勘察得出。更进一步的，确定动剪切模量比和阻尼比的公式为：式中：Gd/Gdmax——动剪切模量比；λ——阻尼比；γd——剪应变；γr——参考剪应变；λmax——最大阻尼比。进一步的，所述步骤2)中，在水-土-结构耦合作用模型中地铁车站上、中、下层板各跨及侧墙的中部位置布置位移监测点和内力监测点；在地铁车站上、中、下层板与侧墙连接处以及土层中与车站水平距离为1倍车站宽度、竖向间隔15m处布设土压力、加速度和孔隙水压力监测点。进一步的，所述步骤3)的具体步骤为：根据地质勘探资料和地震统计资料，得到地表波；根据地铁车站所处的地层条件，建立自由场分析模型，由自由场模型的地表处输入地表波，反算得出基岩处地震加速度时程波。进一步的，所述步骤4)的具体步骤为：基于地铁车站动力分析，同时考虑地下水渗流作用对地铁车站的影响，并沿垂直于地铁车站方向于水-土-结构耦合作用模型基岩处输入地震波，得到地铁车站位移及内力反应结果、地层的加速度及土压力反应结果和孔隙水压力反应结果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的分析方法首次考虑富水地区特殊的工程地质及水文地质条件影响，在常规地层-结构相互作用理论基础上，基于三维比奥渗流固结模型，建立地下水-地层-结构耦合作用下的分析模型，计算在地震作用下地铁车站的位移和内力响应、地层的加速度及土压力响应和孔隙水压力响应，对地铁车站的抗震设计和提高其抗震防御水平具有重要的指导意义。本专利技术的方法通过实例验证，对于不同地震作用下的地铁车站风险分析具有较好的适用性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为模型中位移和内力监测点布置示意图；图2为模型中土压力、加速度和孔隙水压力的监测点布置示意图；图3为地层地表处和基岩处加速度时程波的对比图；具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在富水地层地铁车站的抗震分析问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种富水地层中地铁车站的抗震分析方法。本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种富水地层中地铁车站的抗震分析方法，其具体技术方案如下：步骤一，确定富水地层中地铁车站抗震分析模型；步骤二，确定地层静力参数、水力参数、动力参数；步骤三，确定监测点的布置方案；步骤四，确定输入的地震加速度时程波；步骤五，地铁车站的抗震分析。步骤一中，土-结构地震相互作用模型将地铁车站和周围土层视为共同受力变形的整体，通过直接输入地震加速度时程曲线，在满足变形协调条件的前提下进行地震响应分析；比奥固结渗流模型是一种流固耦合理论，该模型从弹性理论出发，在满足土体平衡条件、变形协调条件和水流连续条件下，建立了土中孔隙水压力消散与土体骨架变形的相互关系。步骤一中，通过将土-结构地震相互作用模型和比奥固结渗流模型相结合，解决富水地层中地震荷载作用下水、土层和地铁车站的相互耦合问题。本文档来自技高网...

【技术保护点】
富水地层中地铁车站的抗震分析方法，其特征是，包括以下步骤：1)根据土‑结构地震相互作用模型和比奥固结渗流模型，确定富水地层地铁车站抗震分析的水‑土‑结构耦合作用模型，并为水‑土‑结构耦合作用模型确定其力学参数；2)在水‑土‑结构耦合作用模型中设定位置布置监测点；3)由地表波，进行地层地震反演，确定地震加速度时程波；4)沿垂直于地铁车站的方向，向水‑土‑结构耦合作用模型基岩处输入地震加速度时程波，对水‑土‑结构耦合作用模型进行抗震分析。

【技术特征摘要】
1.富水地层中地铁车站的抗震分析方法，其特征是，包括以下步骤：1)根据土-结构地震相互作用模型和比奥固结渗流模型，确定富水地层地铁车站抗震分析的水-土-结构耦合作用模型，并为水-土-结构耦合作用模型确定其力学参数；2)在水-土-结构耦合作用模型中设定位置布置监测点；3)由地表波，进行地层地震反演，确定地震加速度时程波；4)沿垂直于地铁车站的方向，向水-土-结构耦合作用模型基岩处输入地震加速度时程波，对水-土-结构耦合作用模型进行抗震分析。2.如权利要求1所述的分析方法，其特征是，所述步骤1)中，由地震作用下土层位移和孔隙水压力的关系将土-结构地震相互作用模型和比奥固结渗流模型结合，得出富水地层地铁车站的水-土-结构耦合作用模型。3.如权利要求1所述的分析方法，其特征是，所述水-土-结构耦合作用模型，模型的力学边界条件取为在模型四周及底面施加法向约束，水力边界采用不透水边界；模型顶面为自由边界，水力边界采用透水边界；模型的动力边界为模型四周采用自由场动力边界。4.如权利要求1所述的分析方法，其特征是，所述水-土-结构耦合作用模型，模型的力学初始条件由土层类型和厚度计算得到；模型的水力初始条件，采用地质勘察实测的地下水水位作为初始水头。5.如权利要求1所述的分析方法，其特征是，所述步骤1)中，力学参数包括静力参数，水力参数和动力参数；所述静力参数包括土层厚度，密度，粘聚力，内摩擦角，静弹性模量，静泊松比，静剪切模量和侧压力系数，上述静力参数均通过地质勘察得出。6.如权利要求5所述的分析方法，其特征是，所述水力参数包括孔隙率...

【专利技术属性】
技术研发人员：商金华，徐西永，王国波，王晓昱，毛荣吉，
申请(专利权)人：济南轨道交通集团有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37