中国南水北调工程的实施缓解了北方的水资源危机，导致城市地区的地下水位显著上升[1]。近年来极端降水的频繁发生也导致了地下水位的上升[2,3]。地下水位上升会引起地面回弹变形[4]、结构变形[5]和地下结构的隆起[6]。北京[7]、米兰[8,9]、东京[4]和麦地那[10]都面临着地下水位上升的挑战。这些现象是由于地下水位上升导致地下结构的受力状态发生显著变化[11],[12],[13],[14],[15]，从而对其运行安全和抗震性能构成了威胁。因此，研究地下水位上升对地下结构抗震性能的影响至关重要，以确保其安全性。
地下结构的抗震响应在很大程度上取决于周围的土壤[16]。地下水位上升使土壤饱和，导致土壤的力学性质和地震波传播特性发生显著变化[17]。因此，地下结构的动态性能也会随之变化[18],[19],[20]。砂是一种非粘性土壤，其最显著的抗震响应特征是液化[21]。地震发生时，砂粒的排列会发生变化，使砂骨架压缩并导致孔隙水压力迅速增加[22]。当孔隙水压力达到临界值时，砂会进入液化状态。随后进行了多项研究[17],[23],[24],[25],[26]，以探讨液化对地下结构抗震响应的影响。陈等人[23]对埋设在砂中的地铁站进行了一系列振动台试验，发现随着液化程度的增加，地下结构的不均匀沉降和水平抗震响应变得更加明显。研究结果表明，在饱和砂中，地下结构在地震期间会发生较大的水平变形，但层间位移相对较小[27,28]。尽管地震波引起的地下结构变形会因液化而进一步加剧[29,30]，但液化可以减少传递给结构的地震能量，从而降低结构损伤[31]。相比之下，严等人[24]和沈等人[32]通过研究场地对地下结构抗震响应的影响发现，穿过饱和砂层的结构比位于完全饱和粘土或饱和砂层中的结构具有更高的抗震损伤风险。这是因为埋设在饱和砂中的结构表现出更大的抗震响应，导致层间位移更大。
与砂不同，粘土在地震中通常不会液化，因为其膨胀趋势抑制了孔隙水压力的快速上升[33]。严等人[31]进行了两项离心试验，比较了饱和粘土和饱和砂中结构的抗震响应。研究发现，地下结构在饱和粘土中受到的损伤更为严重。因此，不能直接将饱和砂中地下结构抗震响应的研究结果应用于评估饱和粘土中结构的抗震性能。关于粘土的研究表明，饱和粘土中地下结构的层间位移更为显著，导致更大的结构损伤[31,34]。因此，为了准确研究地下水位上升对地下结构抗震性能的影响，有必要了解饱和粘土的变形特性。
地下水位上升由于浮力的作用会显著改变地下结构的受力状态[35]。随着地下水位上升，作用在结构上的浮力会增加，导致结构构件内部力增大[14,16]。当浮力超过结构及其上方土壤的重力时，结构会发生向上浮起[14]。另一方面，地震前的结构内力对其抗震性能有显著影响[36],[37],[38],[39]。这是因为较大的初始内力会降低结构的抗震能力，影响其变形和额外的承载能力。因此，为了评估地下水位上升对地下结构抗震性能的影响，需要明确地下水位上升如何影响结构的受力状态并改变其抗震能力。
本研究开发了一个单边界表面模型来描述饱和粘土的强度和变形特性。在建立地铁站及其周围粘土的三维有限元模型后，讨论了地下水位上升对结构内部力的影响。然后模拟了不同地下水位下结构的抗震响应。在校准了受受力状态影响的结构构件的抗震性能极限后，评估了受地下水位上升影响的结构的抗震性能。本研究的结果对于地下水位波动的粘土中地下结构的抗震设计具有重要意义。
