EPS涂层轻质土的单轴抗压强度与小应变动态特性研究及其在抗液化盾构隧道中的应用

针对液化土层中盾构隧道抗震响应难题，研究人员采用OpenSees平台建立流固耦合有效应力模型，结合PM4Sand/PM4Silt本构模型和非线性弹簧接头模拟技术，揭示了低频地震动下隧道轴向力空间变异规律及液化土-结构动力相互作用机制，为长距离盾构隧道抗震设计提供理论支撑。

　　

在地震频发的今天，埋置于液化土层中的盾构隧道如同潜伏在地下的"玻璃走廊"，其抗震性能直接关系城市生命线安全。传统研究多聚焦于非液化土中隧道的横向响应，却忽视了液化引发的"土壤变流"现象对长距离隧道纵向变形的致命影响。更棘手的是，由数千个管片和螺栓拼装而成的盾构隧道，其纵向刚度仅为横向的1/10，这种"刚柔失衡"特性使得隧道在液化场址中如同"多米诺骨牌"，可能因连锁接头失效导致整体崩塌。

同济大学岩土与地下工程教育部重点实验室的沈奕翱团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表的研究，首次将PM4Sand液化本构模型与三维梁-弹簧接头模型耦合，构建了能同时模拟孔隙水压力(EPWP)累积、土体大变形和接头非线性行为的分析框架。研究采用三种频谱特性地震波（峰值加速度0.1-0.4g），通过OpenSees平台实现了50米深饱和土-隧道体系的精细化模拟。

关键技术包括：1）采用PM4Sand模型模拟65%相对密度砂土的循环液化特性；2）用非线性弹簧表征螺栓连接接头的压缩-拉伸刚度差异（混凝土抗压刚度>螺栓抗拉刚度）；3）建立考虑流固耦合的有效应力分析方法；4）通过纵向等效连续模型处理千米级隧道尺度效应。

【Evaluation conditions】
模型对比了液化（30m砂土+20m黏土）与非液化（50m均质黏土）两种地层工况。水位线设定为地表下2米，采用Davidenkov模型模拟土体非线性，接头弹簧刚度根据GB/T 51336-2018标准确定。

【Results and discussion】
研究发现：1）液化土层中隧道轴向力变异系数达1.8倍，显著高于非液化场址；2）低频地震动（如El Centro波）引发接头张开量比高频波高40%；3）压缩工况下管片弯矩峰值是拉伸时的2.3倍，反映混凝土与螺栓的刚度失配；4）液化区土体刚度退化导致隧道"浮起效应"，最大竖向位移达非液化区的5倍。

【Summary and conclusions】
该研究揭示了液化诱发隧道破坏的三重机制：孔隙水压力累积弱化土体约束、接头刚度非线性引发应力重分布、低频地震动加剧纵向变形。创新性提出"轴向力空间变异系数"作为液化敏感指标，发现当EPWP比>0.6时，隧道接头失效风险骤增。成果为《地下结构抗震设计标准》修订提供了关键参数，特别适用于长三角、环渤海等软土液化区的隧道抗震设计。Zhang等（2024）后续研究验证了该模型对盾构-竖井连接部位差异变形的预测精度达85%以上。