王振強(qiáng), 馮 立, 陳志雄, 魏奇科, 韓 亮

(1.中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶 400080；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

21世紀(jì)是城市地下空間高速發(fā)展、充分利用的時代，為了滿足中國城市現(xiàn)代化建設(shè)的需要，使城市資源得以合理的開發(fā)和利用，城市地下公用管線將逐漸發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)的城市地下綜合管廊[1]，這涉及城市的給水、排水、煤氣、天然氣、熱力、各類化學(xué)液體、電信設(shè)施工程以及工礦輸送油、蒸汽、壓縮氣與循環(huán)水等各種管線傳送系統(tǒng)，城市地下綜合管廊服務(wù)人類生活的方方面面，因此被稱為“生命線工程”。由于地下綜合管廊發(fā)生震害后將直接影響城市供水、供氣、供電、供油或供暖，危及居民的正常生活，而且管廊處于地面以下，具有造價較高，破壞后修復(fù)困難的特點(diǎn)，因此對地下綜合管廊進(jìn)行抗震反應(yīng)分析，分析管廊的振動特性，據(jù)以作出管廊的抗震設(shè)計(jì)和管廊的可靠度評價，是地下綜合管廊建設(shè)發(fā)展過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

在1995年阪神地震前，很少有關(guān)于地下結(jié)構(gòu)在地震中遭到嚴(yán)重破壞的新聞報道，人們認(rèn)為地下建筑結(jié)構(gòu)具有比較好的抗震性能，直到在日本阪神大地震中，地鐵車站以及區(qū)間隧道遭受到了大規(guī)模的破壞，各國專家學(xué)者對地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究開始重視。Tsinidis等[2]發(fā)現(xiàn)在地震激勵下，地下結(jié)構(gòu)周圍土體提供的運(yùn)動荷載大于由結(jié)構(gòu)本身振動引起的慣性荷載，所以地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)的抗震性能完全不同。Hashash等[3]提出綜合管廊屬于開鑿覆蓋式結(jié)構(gòu)，管廊在地震中的結(jié)構(gòu)脆弱性高于傳統(tǒng)的圓形鉆孔隧道。隨著地下綜合管廊在世界范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用，其力學(xué)性能和抗震研究得到廣大學(xué)者的關(guān)注[4-7]，但是對地下綜合管廊抗震的系統(tǒng)研究還不成熟，目前對綜合管廊的加速度響應(yīng)、結(jié)構(gòu)土壓力分布、結(jié)構(gòu)的地震應(yīng)變以及板、邊墻的地震彎曲力矩、復(fù)合變形模式等問題尚不清楚。

中國是開始地下綜合管廊建設(shè)和規(guī)劃較晚的國家，對于管廊抗震的研究較為落后。近年來，中國開始有學(xué)者研究地下綜合管廊的抗震問題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的湯愛平教授團(tuán)隊(duì)[8-9]從管廊整個體系出發(fā)，通過振動臺試驗(yàn)分析了管廊結(jié)構(gòu)各組成部分(干線和支線、混凝土側(cè)壁、管廊內(nèi)管道)的地震反應(yīng)變化規(guī)律。同濟(jì)大學(xué)的李杰教授團(tuán)隊(duì)[10-12]利用疊層狀剪切箱設(shè)計(jì)了地下綜合管廊的振動臺試驗(yàn)并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，試驗(yàn)表明，非一致地震激勵下的管廊結(jié)構(gòu)響應(yīng)比一致地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)大得多，且數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；楊劍等[13]運(yùn)用FLAC軟件對地下綜合管廊在地震激勵下土體液化后的加速度、超孔壓比、結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時發(fā)現(xiàn)土體振動液化后管廊產(chǎn)生了較大的側(cè)向和上浮位移。施有志等[14-15]通過建立非線性有限元三維動力數(shù)值模型，研究了綜合管廊土-接觸面參數(shù)對地震動力響應(yīng)特征的影響。Tan等[16]利用模糊理論對地下綜合管廊的安全性進(jìn)行了評估。由于地下綜合管廊的抗震性能研究較為復(fù)雜，缺乏可靠的分析工具，目前采用較多的方法是對管廊原型進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測或者將管廊模型化后通過試驗(yàn)驗(yàn)證。采用振動臺模型試驗(yàn)的研究方式，能較為科學(xué)地模擬地下結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)[17-20]，以此分析單艙綜合管廊在不同峰值加速度的EL-Centro波作用下，管廊與土體系統(tǒng)的動力響應(yīng)規(guī)律，以期為地下綜合管廊的抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 振動臺模型試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在重慶大學(xué)巖土工程振動臺實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有小型地震模擬振動臺系統(tǒng)，最大加速度為2g(g為重力加速度)，振動頻率為0～50 Hz，臺面尺寸為1.2 m×1.2 m，載重1 t，為美國ANCO公司進(jìn)口成套設(shè)備，具有精度高、快速靈活、試驗(yàn)成本較低的優(yōu)點(diǎn)，主要用于巖土工程、結(jié)構(gòu)工程的地震模擬研究。利用DHDAS動態(tài)信號采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在模擬地下土體半無限空間土域的振動臺模型試驗(yàn)中，疊層剪切模型箱土箱可以比較好地模擬自由場地的邊界條件[21]。試驗(yàn)采用的疊層式土箱參數(shù)如下：內(nèi)壁之間長0.95 m(沿著水平振動方向)，寬0.85 m(垂直于水平振動方向，內(nèi)部高 0.65 m)，如圖1所示。

圖1 疊層式剪切土箱

1.2 綜合管廊模型設(shè)計(jì)

該振動臺模型試驗(yàn)依托實(shí)際工程為原型，管廊截面選取為單箱矩形，結(jié)構(gòu)形式為無接縫單一結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室振動臺尺寸和模型箱尺寸的限制，以1:15的幾何相似比放縮管廊尺寸，管廊高度為300 mm，寬為233 mm，軸向長度為800 mm,壁厚為20 mm，截面倒角寬度為10 mm，并用微?；炷?彈性模量為6 062 MPa)模擬實(shí)際混凝土、12#鍍鋅鐵絲模擬實(shí)際鋼筋、福建標(biāo)準(zhǔn)砂(相對密度為2.63)模擬真實(shí)土層，利用似量綱分析法確定相似系數(shù)，如表1所示。為了保證管廊結(jié)構(gòu)在振動過程中沙粒不進(jìn)入管廊箱體內(nèi)部，并降低地震波在模型箱邊界的反射效應(yīng)[22],管廊軸向兩端粘貼10 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，使管廊體處于密封狀態(tài)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 管廊模型

1.3 傳感器的布置

為了得到該單艙無接縫管廊以及地基土體在橫向一致地震激勵下的動應(yīng)變、加速度、動土壓力等響應(yīng)規(guī)律，該試驗(yàn)中共布置了36張應(yīng)變片，14臺加速度計(jì)以及14臺土壓力盒?？紤]到模型的邊端效應(yīng)，傳感器集中布置在管廊的中部截面，應(yīng)變片沿橫向粘貼，具體位置如圖3、圖4所示。

A為加速度計(jì)；P為土壓力盒

S為應(yīng)變片

1.4 地震波的選取與加載方案

試驗(yàn)選取具有強(qiáng)震記錄的實(shí)測地震數(shù)據(jù)曲線EL-Centro波，其特點(diǎn)為持續(xù)時間較長，頻譜豐富，圖5所示為EL-Centro波的實(shí)測加速度時程曲線及其傅里葉譜。該管廊屬于地下淺埋細(xì)長型結(jié)構(gòu)，在橫向(垂直于管線軸向)地震激勵下破壞更為明顯，故采用橫向一致地震激勵的方式，根據(jù)試驗(yàn)相似比系數(shù)，將地震持續(xù)時間壓縮為實(shí)際地震波的0.115 4倍，地震峰值加速度分別調(diào)幅為0.2g、0.4g、0.8g、1.2g四種依次增強(qiáng)的地震波，以此觀察不同地震峰值加速度下地下綜合管廊的地震響應(yīng)特性變化規(guī)律。

圖5 EL-Centro地震動時程及其傅里葉譜

2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

振動臺試驗(yàn)采用地震峰值加速度逐漸增強(qiáng)的方式進(jìn)行，初期當(dāng)加速度為0.2g時，土體表面僅有輕微晃動，無其他明顯現(xiàn)象發(fā)生；加速度為0.4g時晃動幅度明顯增強(qiáng)，模型箱邊界砂土有向中間聚攏的趨勢，土體表面整體出現(xiàn)輕微下沉，管廊結(jié)構(gòu)完好，未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生；當(dāng)加速度達(dá)到0.8g時，土體表面少許砂粒出現(xiàn)跳動，模型箱邊界與砂土在振動過程中出現(xiàn)反復(fù)分離，土體沉降量增大；當(dāng)加速度達(dá)到1.2g時，模型箱在振動方向晃動劇烈，箱體邊界與砂土分離愈加明顯，沙粒在振動沉降過程中變得十分緊實(shí)。在整個振動臺地震激勵過程中，管廊結(jié)構(gòu)體未出現(xiàn)失效破壞。下面針對不同峰值加速度地震激勵下，地下綜合管廊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變和加速度特性，以及土體不同部位、不同埋深動土壓力和加速度響應(yīng)進(jìn)行分析。

2.1 加速度響應(yīng)分析

為了觀測模型土體自由表面在地震作用下加速度的分布特性，從管廊模型邊墻上方到模型邊界方向，每間隔120 mm分別在土表布置了A7、A2、A12三臺加速度計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，土體自由表面選取的該三個點(diǎn)在不同加速度地震波作用下，各點(diǎn)加速度特性均無明顯差異，這說明疊層剪切模型箱較好地模擬了土體的自由邊界，土體表面的地震作用響應(yīng)幾乎未受到模型條件的干擾。以表2中EL-0.4g地震波的試驗(yàn)值為例。

表2 土體自由表面加速度特性(EL-0.4g)

圖6 管廊側(cè)壁土體加速度峰值隨深度變化曲線

圖7 管廊側(cè)壁土體加速度放大系數(shù)隨深度變化曲線

在沿管廊邊墻的豎直方向分別布置了A7、A8、A3、A11、A4、A15等六臺加速度計(jì)，由于A7加速度計(jì)位于土體表面，在振動臺試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)安裝松動等不利因素，因此重點(diǎn)分析A7以下五處加速度的響應(yīng)特性。其中A8與A3、A4與A15間距100 mm,其他加速度計(jì)之間間距150 mm。土體加速度反應(yīng)特征表明：①土體在地震作用下的加速度響應(yīng)隨著地震峰值加速度的增強(qiáng)而增強(qiáng)；②當(dāng)?shù)卣鸱逯导铀俣刃∮?.8g時，土體峰值加速度呈現(xiàn)隨深度逐漸減小的趨勢，而當(dāng)?shù)卣鸱逯导铀俣冗_(dá)到0.8g及以上時，土體峰值加速度出現(xiàn)上底兩端大中間小的變化規(guī)律，這說明在強(qiáng)震作用下，由于管廊結(jié)構(gòu)的存在，破壞了土體原本的穩(wěn)定性，底層土體活躍性變強(qiáng)，如圖6所示；③隨著地震輸入峰值加速度的增強(qiáng)，土體各點(diǎn)的加速度放大系數(shù)減小，當(dāng)?shù)卣鸱逯导铀俣冗_(dá)到0.8g后，加速度放大系數(shù)開始降低至1以下,在同以地震波作用下，土體各點(diǎn)加速度放大系數(shù)隨著深度加深而減小，如圖7所示,這表明在地震過程中，模型上部土體受到地震作用的響應(yīng)明顯強(qiáng)于模型底部土體，土體自由表面加速度放大效應(yīng)最為強(qiáng)烈；④從頻譜特性來看，在模型上部土體中的卓越頻率明顯大于下部的卓越頻率，且從卓越頻率對應(yīng)的振幅來看，也有隨著深度逐漸減小的趨勢。由于文章篇幅限制，圖8僅展示0.8g峰值加速度EL-centro地震波作用下，A8、A3、A11、A4、A15各點(diǎn)的加速度時程及傅里葉譜。

圖8 管廊側(cè)壁土體各點(diǎn)加速度時程曲線及傅里葉譜(EL-0.8g)

圖9 EL-Centro地震波下管廊側(cè)壁及其相鄰?fù)馏w的峰值加速度比較

在管廊模型結(jié)構(gòu)側(cè)壁內(nèi)部從上到下分別布置了A14、A10、A5三臺加速度計(jì)，管廊側(cè)壁加速度反應(yīng)特征表明：①隨著地震波輸入峰值加速度的增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)變強(qiáng)。在同一地震波作用，結(jié)構(gòu)側(cè)壁上部的加速度響應(yīng)最強(qiáng)，中部次之，底部最弱，這說明整個地震過程中管廊結(jié)構(gòu)上端晃動最為強(qiáng)烈，與周圍土體運(yùn)動規(guī)律一致；②從邊墻峰值加速度與周圍土體峰值加速度對比可以看出，在結(jié)構(gòu)邊墻中部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)加速度明顯大于周邊土體峰值加速度的現(xiàn)象(圖9)，說明地下管廊在受到地震的激勵作用下，盡管周邊墻體受到周圍土體的包裹束縛，邊墻和土體在振動過程中出現(xiàn)了脫離，管廊結(jié)構(gòu)的加速度運(yùn)動響應(yīng)依舊較活躍；③比較管廊邊墻三點(diǎn)的加速度響應(yīng)頻譜特征，盡管三點(diǎn)的加速度幅值和卓越頻率對應(yīng)幅值有所差異，但是其傅里葉譜線能很好地吻合，其頻率組成幾乎沒有差異(圖10)，這說明管廊在地震作用過程中保持了較好的整體性。

圖10 管廊側(cè)壁各點(diǎn)加速度時程曲線及傅里葉譜(EL-0.8g)

2.2 動土壓力響應(yīng)分析

如圖3中所示，本模型試驗(yàn)在單艙管廊模型及周邊土體的各個部位有序布置了一系列土壓力盒，以此來監(jiān)測地震作用過程中整個實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)的動土壓力響應(yīng)。由于振動的時效性，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時，主要考慮每次振動下的最大水平動土壓力。

圖11反映了管廊側(cè)壁豎直平面上的水平土壓力響應(yīng)。由圖11可知，土體表面以下，水平土壓力響應(yīng)的分布幾乎都呈現(xiàn)“W”形，管廊上下邊緣處的水平土壓力增量值較大，而中部則小很多，這是由于在振動臺試驗(yàn)過程中，由于振動作用的影響以及管廊側(cè)壁對周邊土體運(yùn)動的約束作用，部分土體發(fā)生移動而部分土體保持位置不變或者變化較小，土體之間發(fā)生了不均勻位移或相對位移，這種土顆粒之間的相對運(yùn)動受到土體抗剪強(qiáng)度的阻抗，導(dǎo)致產(chǎn)生移動的土體壓力變小，而位置不變或者移動很小的土體壓力變大，產(chǎn)生了土拱效應(yīng)[23]。一般來說，管廊上下邊緣的水平土壓力增量比管廊中部大180%～500%，而在1.2g的EL-Centro地震波作用時，管廊上水平土壓力增量的最小值轉(zhuǎn)移到了上邊緣，可推測在強(qiáng)烈地震加速度作用下，管廊與土體發(fā)生了較大程度的脫離，而且整個截面產(chǎn)生了往復(fù)偏斜傾覆。另外，管廊結(jié)構(gòu)和其周圍土體這兩部分來看，土體的最大水平土壓力增量一般均小于結(jié)構(gòu)表面的土壓力增量，由此可以得知管廊結(jié)構(gòu)對地震的響應(yīng)要大于周圍土體。

圖11 不同峰值加速度地震作用下管廊側(cè)壁沿深度最大水平土壓力分布

由圖11可知，當(dāng)加速度小于等于0.8g時，隨著地震波加速度的增大，引起管廊的水平土壓力響應(yīng)也不斷增大，而當(dāng)加速度大于0.8g時，引起的土壓力響應(yīng)產(chǎn)生了例外，其土壓力響應(yīng)開始轉(zhuǎn)而變小。這說明在不同加速度作用下，管廊與土體之間的相互作用也發(fā)生了變化。

2.3 管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)分析

根據(jù)以往的地震案例，在地震發(fā)生后，地下結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了不同程度的裂紋，這是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了較大拉應(yīng)力，引起結(jié)構(gòu)開裂導(dǎo)致。而結(jié)構(gòu)輕微開裂盡管能夠滿足承載力要求，但是滲透性將會發(fā)生顯著改變，鋼筋會遭受嚴(yán)重銹蝕。所以研究地震作用發(fā)生時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)很有必要的?？紤]到結(jié)構(gòu)面臨最危險的情況，所以此處主要分析最大應(yīng)變響應(yīng)。

振動臺試驗(yàn)施加的是橫向一致地震激勵，即振動方向垂直于管廊軸向方向，故管廊結(jié)構(gòu)在振動過程中主要產(chǎn)生橫向的應(yīng)力和應(yīng)變。因此模型試驗(yàn)在管廊的端部截面和中部截面沿橫向有序地布置了共36張應(yīng)變片，以此記錄管廊結(jié)構(gòu)在振動過程中的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①管廊模型各點(diǎn)的橫向應(yīng)變均隨著地震峰值加速度的增大而增大，不管是對于中部截面還是端部截面，對于頂、底部和側(cè)壁各角點(diǎn)處應(yīng)變較大而中間位置應(yīng)變較小(幾乎為零)，且同一面上的兩個對稱角點(diǎn)最大應(yīng)變響應(yīng)數(shù)值較接近，這說明在振動過程中管廊結(jié)構(gòu)的對稱性較好；②比較端部截面和中部截面各點(diǎn)的最大應(yīng)變響應(yīng)可知，中部截面的應(yīng)變響應(yīng)比端部截面的應(yīng)變響應(yīng)更強(qiáng)，管廊結(jié)構(gòu)在地震作用下中部截面更容易破壞。

為了更加形象地分析管廊結(jié)構(gòu)的變形反應(yīng)，模型試驗(yàn)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)公式計(jì)算出了管廊結(jié)構(gòu)的彎矩分布圖。由于地震反應(yīng)的時程性，管廊結(jié)構(gòu)在地震過程中的彎矩分布變化十分迅速，為了找出最大的彎矩響應(yīng)，搜索一次模擬試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)所有測點(diǎn)中產(chǎn)生的最大響應(yīng)及其對應(yīng)的時刻，然后根據(jù)此刻的應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)彎矩的進(jìn)行分析。在計(jì)算彎矩時，取管廊結(jié)構(gòu)一延米長(即單位長度)進(jìn)行分析，具體計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 管廊結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算參數(shù)

管廊截面彎距M計(jì)算公式為

M=μεWE10-9

(1)

式(1)中：M為管廊截面彎矩，N·m；με為管廊結(jié)構(gòu)的微應(yīng)變，10-6；W為一延米長管廊結(jié)構(gòu)的抗彎截面系數(shù)，mm3；E為混凝土的彈性模量，MPa。圖12所示為單艙模型管廊在不同地震波、不同加速度地震作用下的中部截面的最大彎矩響應(yīng)。

單位：N·m

2.4 頻率響應(yīng)

每個系統(tǒng)都有其自振頻率，如果振動頻率與自振頻率相近，振動響應(yīng)將會加強(qiáng)，當(dāng)振動頻率與系統(tǒng)自振頻率相同時，將會發(fā)生共振。為了研究試驗(yàn)中土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的頻率特性，峰值地面加速度(peak ground acceleration，PGA)為0.2g且具有不同頻率的正弦波，比較它們的動土壓力與加速度響應(yīng)規(guī)律，如圖13所示。結(jié)果表明動土壓力與加速度均在15 Hz附近產(chǎn)生了陡變，當(dāng)正弦波頻率為15 Hz振動響應(yīng)最強(qiáng)烈，因此可以推斷，中土-管廊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自振頻率在15 Hz左右。

圖13 不同頻率正弦波作用下土壓力與加速度變化

3 結(jié)論

根據(jù)不同峰值加速度EL-Centro地震波作用下的單艙地下綜合振動臺模型試驗(yàn)結(jié)果，所得結(jié)論如下。

(1)土體與管廊結(jié)構(gòu)在振動過程中相互制約，存在明顯的土-結(jié)構(gòu)相互作用，在強(qiáng)震作用下管廊側(cè)壁和土體出現(xiàn)脫離的情況，但管廊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動始終保持了較好的整體性。

(2)管廊周邊土體由于受到管廊壁的約束作用，土體發(fā)生不均勻位移或相對位移，水平動土壓力分布形式錯綜復(fù)雜，土拱效應(yīng)明顯。

(3)在橫向一致地震作用下，管廊結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)變隨著地震輸入峰值加速度的增強(qiáng)而增大，其中管廊結(jié)構(gòu)中部截面變形最為明顯，各截面角點(diǎn)處的變形位移最大，是抗震設(shè)計(jì)中需要重視的關(guān)鍵部位。