衛(wèi)軼科

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067)

軟土震陷指在地震作用下軟土變形模量減小，土體呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致土層產(chǎn)生附加變形。震害研究表明[1-2]：軟土震陷往往會引發(fā)結(jié)構(gòu)物的傾斜、裂縫，甚至引起結(jié)構(gòu)物、道路以及生命線工程的破壞，造成巨大損失。國內(nèi)外學(xué)者主要從以下3個方面進(jìn)行了研究：一是軟土變形特性和震陷模型方面，Yasuhara等[3]對軟土進(jìn)行了循環(huán)荷載下三軸排水試驗，認(rèn)為最終應(yīng)變由載荷增量比和反復(fù)荷載的頻率所控制；于洪治[4]認(rèn)為土體的震陷與土質(zhì)、初始側(cè)限應(yīng)力、初始偏應(yīng)力和振動荷載等有關(guān)；Seed等[5]對幾種軟粘土的試驗研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)動應(yīng)力往返作用下，土樣的孔隙水壓力升高，抗剪強(qiáng)度減小，剛度隨之下降，表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象；張虎臣[6]在對淤泥地基地震觸變的研究中發(fā)現(xiàn)，在Ⅶ度及以上地震時，淤泥可能受振觸變，其抗剪強(qiáng)度衰減1/2以上，承載力急劇降低；郁壽松等[7]明確了震陷定義，并通過動三軸試驗總結(jié)了土壤震陷的主要影響因素；孟上九等[8]采用不規(guī)則荷載下土的殘余應(yīng)變模型及土體逐步軟化模型，提出了建筑物不均勻震陷二維有限元分析方法。二是軟土震陷對結(jié)構(gòu)的影響方面，盧慈榮等[9]選取等價連續(xù)化模型，將隧道視為粘彈塑性地基上的連續(xù)梁，分析了盾構(gòu)法隧道在不均勻震陷下的縱向受力特性；鄭曉等[10]對地震荷載作用下CFG樁復(fù)合地基的數(shù)值分析表明，在一定置換率范圍內(nèi)，隨著復(fù)合地基置換率的提高，建筑物的震陷值隨之減小；董鵬等[11]在軟土室內(nèi)動力試驗和有限元有效應(yīng)力動力反應(yīng)分析方法的基礎(chǔ)上，引進(jìn)可靠度理論，提出了軟土地下建筑物抗震穩(wěn)定可靠性分析方法；陳國興等[12]開展了軟弱粉質(zhì)黏土場地框架式地鐵車站結(jié)構(gòu)體系的大型振動臺模型試驗，發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)對軟土地基地震動加速度反應(yīng)的影響具有顯著的空間效應(yīng)。三是軟土地基的處治方面，龍朝陽[13]分析了軟土地基中漿噴樁工藝參數(shù)的理論與實際數(shù)據(jù)之間的差異，并對關(guān)鍵施工工藝進(jìn)行了梳理；于曉東[14]、蔣科[15]研究了拋石擠淤法、水泥攪拌樁法、強(qiáng)夯法等在軟土地基中的應(yīng)用。

綜上所述，關(guān)于軟土震陷機(jī)制及軟土地基處理技術(shù)，眾多學(xué)者開展了較為廣泛的研究，但針對穿越軟土地層隧道的動力響應(yīng)及其加固處理方面的研究卻相對缺乏。本文以某一穿越軟土地層的明挖矩形隧道為例，建立三維模型分析隧道的動力響應(yīng)特性，并對裙邊加固及樁基礎(chǔ)加固的參數(shù)進(jìn)行研究分析，以期為穿越震陷軟土隧道的抗震設(shè)計提供參考。

1 震陷性軟土有限元計算

1.1 模型建立

結(jié)合實際工程，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維模型，如圖1所示，縱向長度(Y方向)取40 m，中部13.4 m為震陷性軟土，厚度(Z方向)為40 m，兩側(cè)為非震陷性土層。 地層、隧道結(jié)構(gòu)及維護(hù)結(jié)構(gòu)采用六面體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用Pile單元模擬，明挖段通道結(jié)構(gòu)和底部基巖均采用線彈性本構(gòu)模型，震陷性軟土采用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，周圍土層采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

(a) 模型邊界設(shè)置

單位：m

計算時，先進(jìn)行重力平衡得到模型的初始地應(yīng)力場，然后進(jìn)行巷道開挖，最后在模型底部分別沿橫(X軸)、縱(Y軸)、豎(Z軸)3個方向輸入地震波進(jìn)行動力時程模擬。重力平衡時需限制模型邊界水平方向運動和底部X、Y、Z方向的位移。動力分析時，模型四周采用無反射邊界，底部采用靜態(tài)邊界，從而消除地震波在邊界處反射對計算結(jié)果的影響，模型采用瑞利阻尼，阻尼比取5%。

1.2 模型計算

1) 本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)

已有研究表明，土體發(fā)生震陷主要是由土體經(jīng)歷循環(huán)剪切后力學(xué)參數(shù)弱化引起。為反映震陷土力學(xué)參數(shù)弱化的特性，計算中采用了應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，該模型假設(shè)土體在彈性階段應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性，當(dāng)達(dá)到屈服應(yīng)力后，應(yīng)力會隨著應(yīng)變增加而逐漸減小，應(yīng)變值為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變的和。數(shù)值模型中除考慮隧道本身及樁基礎(chǔ)和裙邊加固措施外，還應(yīng)考慮明挖法施工期間施作的直徑850 mm、深度為12 m的SWM樁。巖土體參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 軟土物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

2) 輸入地震動

根據(jù)工程場地地震安全性評價報告，計算采用的地震模型為廣東省地震工程勘測中心提供的50年超越概率2.5%，地震動峰值加速度為3.998 cm/s2的地震波，分別沿X、Y、Z方向輸入，振動持時40.96 s，地震波波形如圖3所示。

2 隧道動力響應(yīng)特性分析

對軟土震陷區(qū)采用裙邊加固和樁基礎(chǔ)加固，分別在有無加固措施2種情況下進(jìn)行三維動力計算，分析地層及隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特點，在地表及隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點處設(shè)置監(jiān)測點用于監(jiān)測位移和應(yīng)力，監(jiān)測點布置如圖4所示。

(a) 橫向(X)地震動

(b) 縱向(Y)地震動

(c) 豎向(Z)地震動

(a) 地表監(jiān)測點

(b) 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置監(jiān)測點

2.1 地層位移響應(yīng)分析

提取各監(jiān)測點所得數(shù)據(jù)，地表位移時程曲線和沉降曲線如圖5、圖6所示。從圖5可以看出，未采取加固措施與采取加固措施2種條件下，地表位移時程曲線有所不同，非震陷土體基本圍繞原位置上下波動，而震陷土體則隨著地震波振動的同時，逐漸下降并產(chǎn)生震陷。從圖6可見，未加固條件下，震陷性土與非震陷性土的最終沉降值分別為5.28 cm、1.79 cm；采取加固措施后，震后沉降值降為3.16 cm、1.32 cm。由此可知，地震作用下震陷性土發(fā)生明顯沉降，而非震陷性土沉降量相對較小，采取加固措施可以顯著減小由于震陷導(dǎo)致的地表沉降。

(a) 非震陷軟土

(b) 震陷軟土

圖6 地表沉降曲線

2.2 結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力響應(yīng)分析

提取隧道結(jié)構(gòu)上各監(jiān)測點軸向應(yīng)力繪制其沿隧道縱向的分布曲線如圖7、圖8所示。

(a) 隧道頂板

(b) 隧道側(cè)墻和底板

(a) 隧道頂板

(b) 隧道側(cè)墻和底板

從圖7(a)和圖8(a)可知，隧道頂板各監(jiān)測點軸向應(yīng)力沿隧道縱向分布規(guī)律相同，且在震陷附近區(qū)域的軸向應(yīng)力較其他區(qū)域的軸向應(yīng)力較大，隧道頂板①號監(jiān)測點在沿通道縱向20 m處(即震陷區(qū)域中間處)達(dá)到最大值，未加固和加固2種條件下其值分別為2.7 MPa和2.3 MPa，可見地震中隧道頂板中心處受到較大軸向應(yīng)力作用，是受力薄弱位置。隧道側(cè)墻在2種條件下的軸向應(yīng)力均較小，約為0.2 MPa且沿隧道縱向變化不大。隧道底板各監(jiān)測點應(yīng)力分布各有不同，應(yīng)力最值既存在拉應(yīng)力也存在壓應(yīng)力，其中監(jiān)測點⑥在沿通道縱向20 m處(即震陷區(qū)域中間處)達(dá)到最大值，未加固與已加固條件下分別為1.29 MPa和1.27 MPa。

對比圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，采取加固措施后結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)力有所減小，其中頂板中點應(yīng)力減小最為明顯，底板⑥號監(jiān)測點最值略有減小，但其軸向應(yīng)力沿隧道軸向的分布發(fā)生改變，整體上有所下降。

3 加固措施和深度的影響分析

3.1 加固工況

為進(jìn)一步分析不同加固措施及加固深度的影響，在計算模型中，通過改變?nèi)惯吋庸躺疃燃皹痘A(chǔ)的長度，探究加固深度對地層及結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特性的影響。分別設(shè)置如表3所示的5種工況進(jìn)行對比分析，其中，工況1、4、5的樁基礎(chǔ)深度穿越了震陷性軟土層并嵌入基巖內(nèi)部，且其樁基礎(chǔ)深度不變，裙邊加固深度依次提高，工況1、2、3的裙邊加固深度不變，樁基礎(chǔ)加固深度依次降低。

表3 加固工況

3.2 計算結(jié)果分析

根據(jù)2.2節(jié)中的分析，地震作用下隧道頂板和底板處的①號和⑥號監(jiān)測點的軸向應(yīng)力反應(yīng)最大，是結(jié)構(gòu)受力不利部位，因此，提取不同工況下沿隧道縱向地表沉降數(shù)據(jù)及①號和⑥號監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化分析，結(jié)果如圖9、圖10所示。

由圖9可發(fā)現(xiàn)，工況2和工況3震陷區(qū)地表最終沉降量較大，其中工況3加固效果最差，最大地表沉降值為3.9 cm，工況2次之，地表沉降值為3.2 cm；

圖9 不同工況下地表沉降曲線

Fig.9 Surface settlement curve under different working conditions

(a) 頂板監(jiān)測點①

(b) 底板監(jiān)測點⑥

工況1、工況4和工況5的加固效果明顯較好，地表沉降量大大減小，從表3中可以看到，這3種工況均采用長度為30 m的樁基礎(chǔ)進(jìn)行了加固，且樁基礎(chǔ)穿過震陷土層嵌入基巖1.5 m，其地表沉降值均較為接近，說明加大裙邊加固的深度對降低震陷量作用不大，而采用較深的樁基礎(chǔ)加固可取得較好的效果。

由圖10(a)可以看出，不同工況下隧道頂板軸向應(yīng)力反應(yīng)沿隧道縱向分布規(guī)律基本相同，均在震陷區(qū)中點達(dá)到最大值。在樁基礎(chǔ)和裙邊加固深度均最小的工況3中，加固效果最差，地震作用下隧道軸向應(yīng)力極值最大，達(dá)到了2.37 MPa；而在樁基礎(chǔ)和裙邊加固深度均最大的工況5中，加固效果最好，隧道軸向應(yīng)力極值最小，為2.16 MPa，比工況3小了8.86%。另外，工況1、4、5中，樁基礎(chǔ)加固深度不變，隨著裙邊加固深度依次提高，隧道軸向應(yīng)力反應(yīng)極值變化不大；在工況1、2、3中，裙邊加固深度不變，隨著樁基礎(chǔ)加固深度依次降低，隧道軸向應(yīng)力反應(yīng)極值變化同樣較小。由此可知，不同加固工況下隧道軸向應(yīng)力反應(yīng)極值相差不大,這表明隧道基礎(chǔ)的加固措施和加固深度對隧道頂板位置的動力響應(yīng)影響較小。

由圖10(b)可以看出，底板監(jiān)測點⑥所在位置軸向應(yīng)力表明沿隧道縱向分布規(guī)律在不同工況下有所不同，在工況1、4、5三種情況中均采用了長度為30 m的樁基礎(chǔ)進(jìn)行了加固，隨著裙邊加固深度依次提高，其隧道軸向應(yīng)力分布仍然較為接近，應(yīng)力最值也較工況2和工況3小，說明這3種方案加固效果更為顯著，且此時增加裙邊加固的深度效果并不明顯。而在工況1、2、3中，隨著樁基礎(chǔ)加固深度依次降低，隧道底板監(jiān)測點⑥處的軸向應(yīng)力極值逐漸增大，工況1最小為1.1 MPa,而工況3的加固效果最差，達(dá)到了1.28 MPa，兩者相差14%，這表明樁基礎(chǔ)加固深度對隧道底板的動力影響較大。

4 結(jié)束語

本文采用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型對穿越震陷性軟土區(qū)的矩形明挖隧道在地震作用下的動力響應(yīng)特性及樁基礎(chǔ)和裙邊加固的參數(shù)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1) 地震發(fā)生時，非震陷土體的豎向位移基本圍繞原位置振動，而震陷土體隨著地震波振動的同時，振點逐漸下降并產(chǎn)生震陷，其中震陷區(qū)中點震后沉降值最大。

2) 在震陷區(qū)內(nèi)隧道頂板中心處受到軸向應(yīng)力最大，應(yīng)作為抗震設(shè)防的重點。

3) 震陷區(qū)內(nèi)隧道側(cè)墻應(yīng)力較小，且沿隧道縱向變化不大；隧道底板受力較為復(fù)雜，可能同時出現(xiàn)較大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，采取的加固措施對其應(yīng)力分布有較大影響。

4) 采取樁基礎(chǔ)加固震陷性軟土地層時，建議樁基礎(chǔ)應(yīng)穿過容易產(chǎn)生軟土震陷的地層并嵌入一定深度，可達(dá)到良好的加固效果；增加裙邊加固的深度效果并不明顯，為了控制工程成本，裙邊加固深度不宜過大。