李雪梅

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，四川 德陽(yáng) 618000)

0 前 言

近些年，大型建筑工程呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，頻發(fā)的地震使得工程建設(shè)的各個(gè)階均需要解決抗震的問(wèn)題。學(xué)者針對(duì)建筑工程地震災(zāi)變的研究主要集中在上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)[1]、結(jié)構(gòu)-巖土體相互作用[2]等方面，涉及波動(dòng)理論、土動(dòng)力學(xué)、地震工程學(xué)等諸多學(xué)科的交叉[3]，研究方法多為理論分析法[4]、室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)物理模擬[5]、數(shù)值計(jì)算分析[6]等，在結(jié)構(gòu)使用期間結(jié)構(gòu)的抗震性能和減震防震手段等方面取得了有意義的成果[3,7]。但是，基坑臨時(shí)性支護(hù)體系設(shè)計(jì)的等級(jí)遠(yuǎn)不及永久結(jié)構(gòu)，基坑一旦失穩(wěn)，會(huì)對(duì)基坑、周邊的道路、臨近房屋等造成破壞。因此，學(xué)者已對(duì)基坑的土釘支護(hù)[8]、錨噴支護(hù)[9]、地下連續(xù)墻[10]、支護(hù)樁[11]等從結(jié)構(gòu)位移、坑內(nèi)隆起等方面展開(kāi)研究并獲得認(rèn)識(shí)，對(duì)于大型建筑工程基坑地震穩(wěn)定性處于初級(jí)階段。尤其是城市軌道交通工程中車(chē)站深基坑常用的預(yù)應(yīng)力鋼支撐來(lái)說(shuō)，其對(duì)于地鐵支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地震影響的研究相對(duì)匱乏。本文以某站地鐵車(chē)站的基坑為例，研究預(yù)應(yīng)力鋼支撐對(duì)基坑地震響應(yīng)的影響，以探討現(xiàn)行規(guī)程設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)思路的可靠性。

1 工程概況及地質(zhì)條件

某站地鐵車(chē)站基坑平面上呈長(zhǎng)方形，有基坑1區(qū)、基坑2區(qū)組成，長(zhǎng)向約240 m，短向約25 m，開(kāi)挖深度約20 m，基坑等級(jí)為1級(jí)。場(chǎng)地地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土、第四系中～下更新統(tǒng)冰水沉積層，下伏白堊系中統(tǒng)灌口組組成。各層巖土的構(gòu)成和特征分述如下，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

1)第四系全新統(tǒng)人工填土:素填土①：以黏性土、風(fēng)化泥巖巖屑為主，該層在坡頂普遍分布。層厚0.50～1.0 m。

2)第四系中更新統(tǒng)冰水沉積層:中砂②：松散，夾少量粉細(xì)砂及粉土，場(chǎng)地均勻分布，層厚0.5～4 m；粉質(zhì)黏土③：可塑～硬塑，網(wǎng)狀裂隙較發(fā)育，層厚0.80～1.80 m；粉土④：密實(shí)，夾少量粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂，強(qiáng)度低，厚度3.0～5.0 m；粉砂⑤：黑灰色，夾少量黏土及粉砂，在場(chǎng)地內(nèi)均勻分布，厚度在3.0～5.0 m；含卵石黏土⑥：可塑～硬塑，以黏土為主，局部含有少量卵石的團(tuán)狀粉土土體富集。卵礫石粒徑多在1～8 cm，卵礫石含量一般在16%～45%。層厚0.50～7.50 m。

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、基坑開(kāi)挖條件等，采用地下連續(xù)墻墻+預(yù)應(yīng)力鋼支撐+混凝土支撐聯(lián)合支護(hù)形式，其中，地下連續(xù)墻厚度為1.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40；混凝土支撐間距8 m，截面寬0.8 m，高1.3 m，混凝土等級(jí)為C40，在地面±0 m、地面下-8 m、地面下-13 m分設(shè)3道；預(yù)應(yīng)力鋼支撐間距4 m，為圓鋼管支撐，支撐所施加的預(yù)應(yīng)力為800 kN。支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)文獻(xiàn)[12]進(jìn)行。

2 預(yù)應(yīng)力鋼支撐的設(shè)計(jì)

地鐵車(chē)站基坑在經(jīng)歷地震后，要求基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、基坑周邊土體位移仍在1級(jí)基坑所限要求之內(nèi)。需探討，對(duì)于設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼支撐的深基坑，現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)是否合理?；诖?，采用PLAXIS3D有限元軟件對(duì)該基坑開(kāi)展地震時(shí)程響應(yīng)的數(shù)值分析，研究在滿(mǎn)足靜力條件的標(biāo)準(zhǔn)下，在遭受地震荷載作用時(shí)，不同預(yù)應(yīng)力等級(jí)時(shí)，基坑附近地表沉降、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀態(tài)，以說(shuō)明預(yù)應(yīng)力鋼支撐的設(shè)計(jì)方法的優(yōu)劣。

2.1 模型的建立及邊界條件

1)模型建立。根據(jù)場(chǎng)地巖土體條件、基坑規(guī)模、支擋防護(hù)措施建立模型，模型邊界取為基坑開(kāi)挖深度3倍，確定模型尺寸的長(zhǎng)、寬、高分別為170、130、50 m。

支護(hù)結(jié)構(gòu)按實(shí)際尺寸采用板單元進(jìn)行模擬，并考慮與周?chē)鷰r土體的界面關(guān)系建立接觸面，分析一定受力條件下產(chǎn)生的錯(cuò)點(diǎn)滑移、分開(kāi)、閉合。

混凝土內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬、鋼支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元進(jìn)行模擬。所建立的模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2)計(jì)算中模型邊界條件的處理遵循以下原則：底部邊界設(shè)定水平和豎直方向位移約束；側(cè)向邊界設(shè)定水平向位移約束；頂部邊界為自由邊界；樁板墻為不透水界面，開(kāi)挖過(guò)程中基坑即已完成工程降水。

3)地震荷載。地震波采用汶川地震臥龍波，地震歷時(shí)0～10 s，地震最大峰值加速度為2 m/s2，如圖2所示。在模型底部以面位移方式x向水平輸入。不考慮水平和豎向地震波的耦合作用。

圖2 地震波曲線(xiàn)

4)計(jì)算過(guò)程。

場(chǎng)地地應(yīng)力平衡→地下連續(xù)墻施工→地表第一層混凝土支撐施工，進(jìn)行第一次開(kāi)挖(-4 m)→預(yù)應(yīng)力鋼支撐施工，施加預(yù)應(yīng)力→第二次開(kāi)挖(-8 m)→第二層混凝土支撐施工(-8 m)，進(jìn)行第三次開(kāi)挖(-13 m)→第三層混凝土支撐施工(-13 m)，進(jìn)行第四次開(kāi)挖(-18 m)→開(kāi)挖完成后，施加地震荷載。巖土體計(jì)算本構(gòu)模型采用HSS模型，結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型采用彈塑性模型。參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

2.2 現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50497—2019)[14]對(duì)基坑的評(píng)判，結(jié)果分析如下。

1)基坑周邊土體變形計(jì)算結(jié)果，基坑周邊土體水平、豎向位移云圖見(jiàn)圖3所示。從圖3中可見(jiàn)以下內(nèi)容。

(1)基坑頂部的變形應(yīng)最為明顯，向深部變形逐漸減小，由于地震是從模型底部的基礎(chǔ)中輸入的，故而基坑的周?chē)馏w的底部的變形反應(yīng)是可以很明顯地看出的。

(2)基坑周邊土體的水平位移在4 s以后的響應(yīng)較為明顯，豎向變形則在8 s以后的響應(yīng)較為明顯，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，變形的影響區(qū)逐漸擴(kuò)展。

(3)地震作用后，基坑周邊土體水平位移最大值約為5 cm；基坑周邊土體豎向位移最大值約為3 cm。小于文獻(xiàn)[14]對(duì)于基坑位移預(yù)警要求。

(4)預(yù)應(yīng)力鋼支撐施加800 kN預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足抗震需求。

(a)地震后水平位移云圖

2)采用現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼支撐設(shè)計(jì)，除了可以承受計(jì)算的靜載荷外，仍有一定的能力承受地震荷載作用，并維持基坑的穩(wěn)定性。

2.3 預(yù)應(yīng)力大小對(duì)基坑地震響應(yīng)的影響

進(jìn)一步分析鋼支撐的預(yù)應(yīng)力大小的影響，考慮力為500、600、800 kN，其他條件不變。當(dāng)鋼支撐施加的預(yù)應(yīng)力小于設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力(800 kN)時(shí)，無(wú)論是基坑周邊土體的變形還是基坑圍護(hù)墻體的變形均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且隨著預(yù)應(yīng)力施加等級(jí)的降低，變形是逐漸呈近似線(xiàn)性增大的(見(jiàn)圖4)，且在預(yù)應(yīng)力600 kN時(shí)，其變形的標(biāo)準(zhǔn)已超過(guò)了規(guī)范[12]的相關(guān)要求，故而，可以認(rèn)為，現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[12]在面對(duì)地震荷載時(shí)，優(yōu)化空間有限，需嚴(yán)格按照既有規(guī)范進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。

圖4 不同預(yù)應(yīng)力基坑圍護(hù)墻變形曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

本文以某站地鐵車(chē)站的基坑為例，研究預(yù)應(yīng)力鋼支撐對(duì)基坑地震響應(yīng)的影響，以探討現(xiàn)行規(guī)程設(shè)計(jì)方法中設(shè)計(jì)思路的可靠性。結(jié)論如下。

1)采用現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼支撐設(shè)計(jì)，除了可以承受計(jì)算的靜載荷外，仍有一定的能力承受地震荷載作用，并維持基坑的穩(wěn)定性。

2)基坑周邊土體的變形、地下連續(xù)墻體變形均隨著預(yù)應(yīng)力施加等級(jí)的降低而呈現(xiàn)線(xiàn)性增大，變形的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在低于預(yù)設(shè)預(yù)應(yīng)力(800 kN)后即刻超限，需嚴(yán)格按照既有規(guī)范進(jìn)行基坑支護(hù)抗震設(shè)計(jì)。

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