有关地铁车站结构的震害调查表明,地铁车站结构在地震荷载作用下会发生严重的损伤破坏甚至整体塌毁,因此,系统地开展地震作用下地铁车站结构塌毁破坏机理的研究,对地下结构抗震设计具有理论指导意义。本文采用理论分析和数值模拟手段,开展了地铁车站结构地震破坏机理和实效模式的相关研究,取得的主要研究成果如下:1.岩土类材料统一强度及三维弹塑性本构模型(1)在分析多种岩土类材料强度模型中剪切滑动面差异的基础上,提出了特征应力的概念,能够反映不同岩土材料的中主应力效应;将岩土类材料的破坏归结为剪切破坏,从材料黏聚强度和摩擦强度的产生机理出发,采用特征应力空间内的八面体剪切滑动面,解释了岩土类材料的剪切破坏机理;基于特征应力和八面体面建立了岩土类材料的非线性统一强度模型,并验证了非线性统一强度模型描述岩土类三维强度特性的合理性。(2)针对剑桥模型存在过高估计土的强度这一问题,提出了在特征应力空间内直接建立土的三维弹塑性本构模型的新方法,并建立了正常固结黏土的三维弹塑性本构模型;通过引入下加载面和统一硬化参数,将建立的本构模型发展用于描述超固结土的应变软化和循环加载下土塑性变形积累过程等特性。本文基于下加载面和统一硬化参数建立的弹塑性本构模型在进行数值实现时,具有不需要加卸载判断的优点,显著提高了数值计算效率。2.地铁车站结构地震反应分析及塌毁破坏机理(1)基于近场波动有限元方法,实现了黏弹性人工边界条件、地震动SV波和P波的波动输入,搭建了地下结构地震反应分析数值模拟平台,并验证了该平台的有效性和精度。在此基础上,以大开地铁车站结构为例,模拟了大开车站结构在阪神地震作用下的非线性地震反应和损伤破坏过程,数值模拟结果与震害调查结果吻合良好。(2)对比分析了不同围岩土体介质、不同地震作用组合以及不同地震记录下大开车站结构的地震反应。从围岩土体对地下结构的地震作用效应、组成结构构件的受力功能以及关键构件的力学性能与体系受力分配等方面,系统阐述了地铁车站的地震破坏机理和失效模式,并提出了抗震关键支撑柱的概念。(3)分析了地层损失对地下结构与围岩土体的应力场的影响规律,探讨了地层损失对模拟深埋地下结构地震反应的必要性;在考虑地层损失的基础上,研究了埋深对地下结构地震反应的影响规律,从结构变形和地面沉降的角度进行分析,合理解释了地下结构抗震最不利埋深现象,并给出了不同埋深处地下结构的抗震设计建议。(4)基于地下结构抗震关键柱的概念,提出了将地下结构中柱的侧向变形能力作为地下结构抗震性能评价指标;划分了地下结构地震反应等级,并对结构的抗震性能进行了评价;将摩擦支座用于地下结构进行减震研究,从结构构件反应和结构整体反应两个方面,探讨了减震支座应用于地下结构抗震设计的有效性。