陳 聰，舒 恩,，蔡海兵，洪榮寶

(1.中大檢測(cè)(湖南)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

一直以來(lái)，人們的普遍觀點(diǎn)都認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)受到土與地下結(jié)構(gòu)的互相約束作用，其抗震性能比地上相對(duì)較好。自研究日本阪神地震中大開(kāi)地鐵車(chē)站受災(zāi)情況后，人們開(kāi)始逐漸認(rèn)識(shí)到對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)和研究是非常有必要的[1]。一些專(zhuān)家和學(xué)者的研究[2-3]發(fā)現(xiàn)，中柱是地下結(jié)構(gòu)最容易受地震作用影響的薄弱環(huán)節(jié)。因此，地下結(jié)構(gòu)中柱后來(lái)一直作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和要點(diǎn)，一些專(zhuān)家學(xué)者[4-5]也對(duì)其做出了研究，例如滑動(dòng)支座和鉸支座等，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)雖然可以通過(guò)改變支座的形式來(lái)改善地下結(jié)構(gòu)中柱的抗震性能，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施來(lái)說(shuō)可能難以達(dá)到預(yù)期的效果。

目前，通過(guò)注漿加固的方式可以使地基土物理性能得到很好的改善[6]。在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，能否采取注漿加固的方式來(lái)提高地下結(jié)構(gòu)中柱的抗震性能，因此，本文以日本阪神大開(kāi)地鐵車(chē)站作為研究的實(shí)際工程背景?？紤]對(duì)結(jié)構(gòu)的上下側(cè)和左右側(cè)進(jìn)行注漿加固，以結(jié)構(gòu)在未注漿情況下的作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，研究在不同側(cè)注漿對(duì)地下結(jié)構(gòu)中柱抗震性能的影響。

1 地下車(chē)站參數(shù)以及模型的建立

1.1 大開(kāi)車(chē)站尺寸和土層物理參數(shù)

阪神大開(kāi)地鐵車(chē)站是典型地采用明挖法施工鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的單層雙跨車(chē)站，尺寸如圖1所示，共有6層土，其中上覆土的厚度為4.8 m，并假設(shè)各層土的阻尼比均為0.05，其具體的土層物理參數(shù)如表1所示。由于大開(kāi)地鐵車(chē)站在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮地震的影響，地震后近百米范圍內(nèi)的中柱發(fā)生嚴(yán)重的剪切破壞。中柱和頂板是采用剛性連接，因此，在此次地震中頂板也出現(xiàn)嚴(yán)重的坍塌，中柱和頂板的破壞情況分別如圖2～3所示[7]。

圖1 地下結(jié)構(gòu)模型尺寸(單位：mm)

圖2 大開(kāi)地鐵車(chē)站中柱破壞狀況

圖3 大開(kāi)地鐵車(chē)站坍塌引起的地面沉降

1.2 注漿后土層物理參數(shù)

地震的發(fā)生往往具有隨機(jī)和不可測(cè)性，再加上研究條件的限制沒(méi)有辦法進(jìn)行相似模型試驗(yàn)，所以無(wú)法獲得相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，本文在考慮注漿后土層物理力學(xué)參數(shù)全部由相關(guān)文獻(xiàn)得到。由于沒(méi)有找到室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注漿后土層泊松比的相關(guān)文獻(xiàn)，故本文考慮采用本層位的原狀土與混凝土的均值來(lái)作為注漿后本層位的泊松比值；彈性模型在注漿后可用增大55倍來(lái)進(jìn)行考慮[8]；馬海龍通過(guò)水泥土的實(shí)驗(yàn)分析得到，注漿后土層的密度一般改變不大，大約在1.0%～4.0%，本文按密度增幅3.0%考慮[9]。

1.3 地下車(chē)站模型的建立

本文采用有限元軟件ANSYS建立地下車(chē)站三維有限元模型，根據(jù)樓夢(mèng)麟等[10]研究表明當(dāng)取地下結(jié)構(gòu)左右各5倍土層深度時(shí)，地下結(jié)構(gòu)中柱采用離散的梁?jiǎn)卧w，側(cè)壁采用離散的板單元體，離散后的三維模型共有107 800個(gè)八節(jié)點(diǎn)六面體等參元，3 780個(gè)板單元體、168個(gè)梁?jiǎn)卧w。當(dāng)施加完邊界荷載后共有349 037個(gè)自由度。地下結(jié)構(gòu)三維模型如圖4所示。

圖4 大開(kāi)車(chē)站地下結(jié)構(gòu)模型

2 輸入地震波及其頻譜特性

由于無(wú)法收集到日本阪神地區(qū)的強(qiáng)震下的地震波數(shù)據(jù)信息。因此，在考慮整個(gè)土層與結(jié)構(gòu)互相作用的地震反應(yīng)時(shí)，本文選用在某一重大工程場(chǎng)地安全評(píng)估的三條50年超越概率為10%的地震時(shí)程，其加速度峰值為0.10 m/s2，其地震時(shí)程曲線、傅里葉幅值譜和反應(yīng)譜曲線分別如圖5～7所示[11]。三條地震波依次簡(jiǎn)稱(chēng)為IV波、JY波和WC波，將它們作為激勵(lì)地震波分別依次輸入。

(a)時(shí)程

(a)時(shí)程

(a)時(shí)程

3 上下側(cè)注漿對(duì)地下結(jié)構(gòu)中柱抗震性能的影響

3.1 上下側(cè)注漿范圍

地震時(shí)，縱波的速度傳播很快，會(huì)使地面和構(gòu)筑物上下振動(dòng)。為了討論地下結(jié)構(gòu)上下側(cè)注漿后中柱抗震性能的改善程度，本節(jié)設(shè)計(jì)了4種不同的注漿模型，依次分別是：上下側(cè)未注漿、上側(cè)注漿0.5 H、下側(cè)注漿0.5 H、上下側(cè)各注漿0.5 H。然后分別依次輸入三種不同的地震波來(lái)進(jìn)行激勵(lì)[12]。

3.2 結(jié)果分析

為了更加系統(tǒng)地分析數(shù)值計(jì)算所得到的結(jié)果，本文主要給出了中柱、側(cè)壁等關(guān)鍵部位的地震反應(yīng)值，具體為：中柱和側(cè)壁的頂部以及底部的加速度峰值、位移峰值、剪力峰值和彎矩峰值以及中柱上方和側(cè)壁正上方、斜上方加速度峰值和位移峰值。將未注漿得到的反應(yīng)量作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)上下側(cè)不同的注漿方式的適用性。表2～4分別給出了三種不同地震波激勵(lì)下不同注漿方式，各個(gè)關(guān)鍵地震反應(yīng)峰值。

表2 IV波作用下上下側(cè)注漿加固結(jié)點(diǎn)反應(yīng)量值

表3 JY波作用下上下側(cè)注漿加固結(jié)點(diǎn)反應(yīng)量值

表4 WC波作用下上下側(cè)注漿加固結(jié)點(diǎn)反應(yīng)量值

從表2～4可以看出，選用的三種上下側(cè)不同的注漿方式，無(wú)論在哪種地震波激勵(lì)下中柱頂?shù)撞康募铀俣确逯狄约拔灰品逯挡粫?huì)因上下側(cè)不同的注漿方式而發(fā)生明顯的改善；在IV波和WC波激勵(lì)下，中柱頂?shù)撞康募袅Ψ逯岛蛷澗胤逯禍p小，而在JY波激勵(lì)下有部分增大的情況。IV波激勵(lì)下，側(cè)壁頂?shù)撞康募铀俣确逯狄约拔灰品逯刀际菧p小的，而在JY波激勵(lì)下，側(cè)壁的頂部加速度峰值以及位移峰值都在增大，底部相反；在WC波激勵(lì)下，除了頂部的加速度峰值是增大的，頂部位移峰值和底部加速度峰值以及位移峰值都是減小。對(duì)于側(cè)壁頂?shù)撞拷Y(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，無(wú)論在上下側(cè)采用何種注漿方式其彎矩峰值、剪力峰值和軸力峰值沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。

4 左右側(cè)注漿對(duì)地下結(jié)構(gòu)中柱抗震性能的影響

4.1 左右側(cè)注漿范圍

地震時(shí)，橫波會(huì)使結(jié)構(gòu)物前后搖晃，也是造成建筑物和構(gòu)造物主要破壞的原因。本節(jié)為了研究上下側(cè)注漿對(duì)地下結(jié)構(gòu)中柱抗震性能的改善程度，主要設(shè)計(jì)5種不同的注漿模型，分別是：未注漿、兩側(cè)注漿0.5 H、兩側(cè)注漿1.0 H、兩側(cè)注漿2.0 H、兩側(cè)注漿3.0 H，也同樣依次輸入三種不同的地震波[12]。

4.2 結(jié)果分析

數(shù)值分析關(guān)鍵部位和評(píng)價(jià)結(jié)果同本文3.2節(jié)。具體結(jié)果見(jiàn)表5～7。

表5 IV波作用下左右側(cè)等寬不同范圍結(jié)點(diǎn)反應(yīng)量值

表6 JY波作用下左右側(cè)等寬不同范圍結(jié)點(diǎn)反應(yīng)量值

表7 WC波作用下左右側(cè)等寬不同范圍結(jié)點(diǎn)反應(yīng)量值

從表5～7可以看出，本節(jié)選用的4種上下側(cè)不同的注漿方式，無(wú)論在哪種地震波激勵(lì)下中柱頂?shù)撞康募铀俣确逯狄约拔灰品逯刀际窃跍p小，基本上是隨著注漿范圍的增大呈現(xiàn)線形減小趨勢(shì)。但當(dāng)注漿到2.0 H以后，中柱頂?shù)撞康膹澗胤逯狄约凹袅Ψ逯惦m相對(duì)未注漿狀態(tài)是減小的，但相對(duì)0.5 H和1.0 H而言卻增大了。側(cè)壁頂?shù)撞繜o(wú)論在哪種地震波激勵(lì)下，其加速度峰值以及位移峰值都隨著兩側(cè)的注漿范圍變大在逐漸減小。對(duì)于側(cè)壁來(lái)說(shuō)，在IV波激勵(lì)下，左右兩側(cè)注漿0.5 H，其剪力峰值和軸力峰值都會(huì)增大，還有側(cè)壁底部的剪力峰值隨著注漿范圍增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但都大于未注漿的情況，其他參數(shù)都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在JY波激勵(lì)下，左右兩側(cè)注漿0.5 H，側(cè)壁頂部剪力峰值和軸力峰值都會(huì)增大；左右兩側(cè)注漿0.5 H～2.0 H，剪力也是在不斷增大，同樣其他參數(shù)都小于未注漿情況。在WC波激勵(lì)下，側(cè)壁頂部軸力峰值都大于為未注漿的情況，底部與JY波激勵(lì)下側(cè)壁底部情況類(lèi)似。各個(gè)地表觀測(cè)點(diǎn)而言，不管何種地震波進(jìn)行激勵(lì)下，其加速度峰值以及位移峰值基本上都是呈現(xiàn)線形減小的趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

本文以日本阪神大開(kāi)地鐵車(chē)站為實(shí)際工程算例，采用ANSYS有限元軟件，模擬了對(duì)結(jié)構(gòu)的上下側(cè)和左右側(cè)分別進(jìn)行不同范圍的注漿情況，地下車(chē)站在三種不同的地震波激勵(lì)下，地下車(chē)站中以及其他各個(gè)關(guān)鍵部位的抗震性能影響情況。結(jié)果表明：考慮對(duì)地下結(jié)構(gòu)上下側(cè)進(jìn)行注漿處理，不僅沒(méi)有有效減小中柱的抗震性能，而且中柱部分峰值反而增大，側(cè)壁反應(yīng)量峰值也明顯增大，可能會(huì)加劇地震作用下側(cè)壁的損傷；考慮對(duì)其左右側(cè)進(jìn)行注漿處理時(shí)，當(dāng)對(duì)其左右側(cè)0.5 H～1.0 H范圍內(nèi)注漿，可以減小地震反應(yīng)量峰值。因此，當(dāng)考慮注漿加固方式在設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)和施工地鐵車(chē)站可以適當(dāng)考慮對(duì)地下結(jié)構(gòu)左右側(cè)0.5 H～1.0 H范圍內(nèi)注漿，以減小中柱受到的剪切破壞效應(yīng)。

[ID:013438]