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        液化土層注漿加固對地下車站抗震性能的影響

        2021-03-18 04:02:58鄒明
        運(yùn)輸經(jīng)理世界 2021年4期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)模型

        鄒明

        (中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城軌院,北京102600)

        0 引言

        地鐵具有運(yùn)輸量大、快捷、安全、低耗能、少污染等優(yōu)點(diǎn),能有效地緩解城市交通的壓力。但是,地震對地下結(jié)構(gòu)的影響大,一旦造成破壞產(chǎn)生的后果非常嚴(yán)重。

        1995年阪神地震對地鐵車站造成嚴(yán)重的破壞,引起學(xué)者們對地鐵車站及地下結(jié)構(gòu)抗震的關(guān)注和重視[1]。洑旭江等[2]通過反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法和時程分析法對比不同地震動強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度及頂板埋深等因素對地下結(jié)構(gòu)地震彎矩的影響;張鵬、馬振庭、莊海洋、呂嬌嬌等[3]采用地震系數(shù)法、反應(yīng)位移法、時程分析法等多種方法研究地鐵車站的受力情況;李晟等研究發(fā)現(xiàn)圓形中柱比方形中柱有更好的抗震性能;宋林等研究對比了地下車站在水平和豎向地震作用下的變形特點(diǎn);劉晶波等對比多種方法研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)加速度法與動力時程分析法在常見地下結(jié)構(gòu)環(huán)境條件下有更好的適用性和計(jì)算精度;莊海洋等通過對兩層雙柱島式地鐵車站結(jié)構(gòu)的模擬發(fā)現(xiàn),站在側(cè)墻和頂板、中板和底板的連接處會發(fā)生動應(yīng)力集中現(xiàn)象。

        本文以某標(biāo)準(zhǔn)地下兩層車站為例,使用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS進(jìn)行模擬,通過時程分析法計(jì)算比較液化土層注漿加固處理對地下車站抗震性能的影響,并進(jìn)行綜合分析。

        1 車站概況

        車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面為地下兩層三跨框架結(jié)構(gòu),安全等級為一級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。圍護(hù)樁為永久結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)使用年限為100年??拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.3g),設(shè)計(jì)地震分組為第二組,基本地震加速度值為0.30g,場地類別為III類,特征周期為0.4s,基巖面埋深83m。

        車站所在的主要地層有1-1雜填土層、2-2粉細(xì)砂層、4-1粉質(zhì)黏土層、5黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土層、5-1黏質(zhì)粉土層、5-2粉細(xì)砂層、7粉質(zhì)黏土層、7-3粉細(xì)砂層等;5-2細(xì)砂層存在土層液化,液化指數(shù)為1/3。

        2 車站計(jì)算模型

        取車站標(biāo)準(zhǔn)段二維模型進(jìn)行時程計(jì)算分析,使用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS進(jìn)行建模。模型的動力平衡方程為

        式(1)中:M表示剛度矩陣;C表示質(zhì)量矩陣;K表示阻尼矩陣;表示加速度;˙表示速度;u表示位移;ft表示地震荷載。

        2.1 土層參數(shù)

        車站所在場地土層主要是粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂,在模型中對土層進(jìn)行適當(dāng)歸并,歸并后土層參數(shù)如表1所示。

        表1 車站場地土層信息

        2.2 計(jì)算模型

        分別建立各土層的二維模型,液化土層的彈性模量折減至1/3;車站建立一維的梁單元進(jìn)行模擬;考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對液化土層的影響,建立二維單元對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

        模型上邊界取至地表,下邊界至基巖,橫向取三倍結(jié)構(gòu)寬度,模型尺寸為141.6m×83m。在模型豎向邊界添加一維自由場單元,底部邊界添加固定約束。模型如圖1所示。

        2.3 地震動的輸入

        計(jì)算E3(2450年一遇)的地震作用,根據(jù)地震安評報(bào)告分別輸入三個地震動時程波。原始地震動時程圖如圖2所示。

        3 計(jì)算結(jié)果

        3.1 原場地計(jì)算結(jié)果

        用層間位移來表示車站的變形情況,圖3給出了地層未進(jìn)行液化處理時的車站結(jié)構(gòu)橫向位移云圖,可以看出,E3地震作用下,車站頂板的位移最大,底板位移最小。負(fù)一層層間位移分別為25.8mm、26.4mm、32.5mm,負(fù)二層層間位移分別為50.7mm,56mm,70.2mm。

        3.2 注漿加固計(jì)算結(jié)果

        對車站附近的液化土層進(jìn)行注漿加固,注漿加固范圍為3m,對相應(yīng)網(wǎng)格的土層參數(shù)不折減來模擬加固效果,其余液化土層折減1/3,計(jì)算結(jié)果如圖4所示??梢钥闯?,最大位移位于車站頂板,底板位移最小。負(fù)一層層間位移分別為25.3mm、25.9mm、31.7mm,負(fù)二層層間位移分別為43.3mm、48.6mm、58.9mm。與原場地相比,車站的層間位移角減小,說明注漿加固有一定的效果。

        3.3 結(jié)果分析

        參考表2分別對比車站兩層的變形情況,可以看出,對地層進(jìn)行注漿加固后,車站的變形總體上呈現(xiàn)減小趨勢:在三種地震條件下,負(fù)一層的位移分別減小了1.93%、1.89%和2.46%。負(fù)二層的位移分別減小了14.6%、13.2%和16.1%(見圖5)。注漿加固措施對減小車站負(fù)二層的變形有明顯效果,而對負(fù)一層的效果較弱。

        表2 車站層間位移

        4 結(jié)語

        本文分別對地下車站所在的原場地環(huán)境和注漿加固處理后的場地環(huán)境進(jìn)行了抗震模擬分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)對土層進(jìn)行注漿加固,抵消土層液化的影響后,車站的抗震性能有所提升,且車站負(fù)二層的抗震性能提升較負(fù)一層更明顯。

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