基于反濾原理的地下結(jié)構(gòu)抗液化處理方法

陶連金，索新愛，劉春曉

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點實驗室，北京 100124；2.北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100124)

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基于反濾原理的地下結(jié)構(gòu)抗液化處理方法

陶連金1,2，索新愛1,2，劉春曉1,2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點實驗室，北京 100124；2.北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100124)

針對強震下土層液化極大破壞地下結(jié)構(gòu)的問題，按照反濾層原理，在地下結(jié)構(gòu)與液化砂土間設(shè)置碎石層，應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件，分析不同工況下液化場地下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置碎石層對液化場地地下結(jié)構(gòu)有很好的抗液化效果。在一定范圍內(nèi)，隨著碎石層厚度和層數(shù)的增加，抗液化能力更加明顯。

地下結(jié)構(gòu)； 抗液化方法； 反濾原理； 動力響應(yīng)

0　引　言

隨著城市化進程的加速，城市人口迅速膨脹，地鐵工程作為緩解城市交通的重要措施，其抗震問題成為城市工程抗震和防災(zāi)減災(zāi)研究的重要組成部分。隨著地下空間開發(fā)利用規(guī)模的不斷擴大，地鐵地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)有時不可避免地穿越可液化地層[1]。國內(nèi)外的一系列大地震表明，軟土地基會增大地震作用的破壞程度，砂性土液化將直接影響地震時地鐵地下結(jié)構(gòu)遭受到地震作用的大小和方式，進而對地鐵地下結(jié)構(gòu)的破壞形式有著重要影響，同時，也會造成周圍地表地面結(jié)構(gòu)的間接地震破壞。為此，筆者按照反濾層設(shè)計原理，對液化場地下地鐵車站結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置不同形式的碎石層，通過數(shù)值模擬分析不同厚度、不同層數(shù)碎石層工況下液化場地下結(jié)構(gòu)的動力特征變化，研究其對結(jié)構(gòu)抗液化效果的影響。

1　反濾層在地下結(jié)構(gòu)抗液化中的應(yīng)用

1992年，太沙基對理想的無黏性粒子(玻璃球)進行各種堆積實驗和推理后，提出了反濾層設(shè)計準則，如式(1)、(2)所示。

D15/d85≤4～5，

(1)

D15/d15≥4～5，

(2)

其中，D、d分別代表反濾料、被保護土的粒徑，下標數(shù)表示比該粒徑小的土料占全部土料的質(zhì)量分數(shù)。

選擇第二層反濾料時采用相同準則，只是以第一層反濾料作為被保護土體，其余類推。

依據(jù)式(1)、(2)，在地下結(jié)構(gòu)有液化情況的位置設(shè)置單層或多層碎石層，形成反濾層結(jié)構(gòu)，碎石層的滲透系數(shù)較周圍土體和結(jié)構(gòu)大，在振動過程中碎石層內(nèi)的超孔隙水壓力為零，水進入管道后即刻被排走，在實際施工時可以在碎石層下部縱向設(shè)置排水管或排水地溝，起到“濾土排水”的功能[2-4]，地下結(jié)構(gòu)反濾層布置情況如圖1所示。

圖1　地下結(jié)構(gòu)反濾層布置

Fig.1Layout of inverted layer around underground structure

2　液化場地下結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬實驗

2.1模型建立及土層條件

以某地鐵車站為研究背景，靜水位與結(jié)構(gòu)頂部齊平，動力滲流計算模型采用Finn模型，流體模量20 MPa，流體密度1 000 kg/m3[5]。

數(shù)值分析時對車站模型進行適當(dāng)簡化，假定土體為各項同性、均勻的理想彈塑性體，各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布，模型尺寸如圖2所示。簡化后各土層厚度及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，動力分析所采用的流體參數(shù)如表2所示。

a　模型尺寸

b　地鐵車站結(jié)構(gòu)

表1　砂土試樣土層參數(shù)

表2流體及液化參數(shù)

Table 2Parameters of fluid and liquid used in dynamic analysis

屬性本構(gòu)模型k/cm·s-1nζ液化模型雜填土fl_iso0.0800.500.157Finn粉土 fl_iso0.0690.480.157Finn砂土 fl_iso0.0690.480.157Finn礫土 fl_iso0.0580.480.157Finn

選擇某場地地震波的加速度原始記錄作為液化場地下地震反應(yīng)分析的地震動，地震動加速度-時程曲線如圖3所示，截取其含有峰值加速度的近場地震動地震波的前20 s時程進行動力計算，設(shè)計基本地震加速度值0.1g。

圖3　輸入地震動加速度時程曲線

Fig.3Input ground motion acceleration time history curve

為能更好地反映土與地下結(jié)構(gòu)相互作用地震響應(yīng)規(guī)律，通過Midas-GTS建立1∶1比例的實體模型[6]，通過有限差分軟件FLAC3D分析0.1g下模型反應(yīng)。地鐵車站主體橫斷面尺寸為22.10 m×13.67 m，深度取1.0 m。頂板厚度為0.8 m,中板厚度為0.4 m，底板厚度為0.9 m，側(cè)墻厚度為0.7 m，中柱厚度為0.8 m，頂板上覆土厚度3.7 m。在計算精度滿足要求的條件下，模型尺寸選定為154.1 m×63.6 m×1.0 m，網(wǎng)格劃分7 768個節(jié)點，16 926個單元，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3　結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2計算工況

2.2.1碎石層厚度對抗液化效果的影響

在假定碎石層物理力學(xué)性能相同的情況下，改變碎石層厚度(1、2、3、4 m)，分析其對液化場地下結(jié)構(gòu)抗液化效果的影響，設(shè)計工況對應(yīng)為工況1、2、3、4，碎石層力學(xué)參數(shù)如表4(第一層)所示。

表4　碎石層力學(xué)參數(shù)

2.2.2碎石層層數(shù)對抗液化效果的影響

假定碎石層每層厚度為2 m的情況下，依據(jù)“反濾原理”，改變碎石層的力學(xué)參數(shù)(表4)，分析布置不同碎石層層數(shù)(1層、2層)對液化場地下結(jié)構(gòu)抗液化效果的影響，設(shè)計工況分別對應(yīng)為工況5、6。

2.3結(jié)果分析

2.3.1加速度

在結(jié)構(gòu)左側(cè)墻沿模型豎向均勻布置監(jiān)測點，如圖2所示，在輸入地震動作用下，六種工況下結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點的加速度放大系數(shù)N和減小幅度A(與初始模型放大系數(shù)Nc相比)見表5。

表5　加速度放大系數(shù)

由表5可知，與初始結(jié)構(gòu)的加速度-時程相比，在結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置碎石層對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)有減弱效果。隨著碎石層厚度和層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)減弱效果逐漸明顯。

2.3.2應(yīng)力

輸入水平方向地震動后，結(jié)構(gòu)側(cè)墻和中柱頂板、中板及底板處水平應(yīng)力幅值σu和最大主應(yīng)力幅值σmax如圖4所示。側(cè)墻和中柱的混凝土等級為C40，混凝土的軸心抗壓強度設(shè)計值為19.1 MPa[7]。

a　水平應(yīng)力幅值

b　最大主應(yīng)力幅值

Fig.4Horizontal stress and maximum principal stress amplitude

由圖4可知，不同碎石層厚度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力有一定的減弱效果，隨著碎石層厚度的增加減弱效果呈整體遞增趨勢，當(dāng)碎石層厚度為4 m時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的減小幅度最大。

2.3.3結(jié)構(gòu)位移

由于地層的不均勻性等多種因素影響，在水平地震動作用下不同埋深處車站結(jié)構(gòu)的振幅不同,地下結(jié)構(gòu)頂板與底板之間產(chǎn)生水平相對位移，從而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生很大的彎矩和剪應(yīng)力，使得車站結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生剪切破壞[8]。

圖5為碎石層水平相對位移。由圖5可知，隨著碎石層厚度和層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)頂板和底板的水平相對位移s逐漸減小。說明結(jié)構(gòu)的水平相對位移與碎石層厚度和層數(shù)是有關(guān)的，在一定范圍內(nèi)增加結(jié)構(gòu)周圍碎石層厚度和層數(shù)會減小結(jié)構(gòu)在地震動作用下的水平相對位移，從而能減輕結(jié)構(gòu)破壞的程度。

a　不同碎石層厚度

b　不同碎石層層數(shù)

2.3.4孔隙壓力

圖6為初始模型結(jié)構(gòu)近處、遠處有效應(yīng)力-時程曲線。

a　結(jié)構(gòu)近處

b　結(jié)構(gòu)遠處

Fig.6Effective stress history of near and far points from structure of initial model

圖7、8為碎石層工況下結(jié)構(gòu)近處、遠處有效應(yīng)力-時程曲線。由圖7和8可知，隨著動荷載時間的延續(xù)，孔隙壓力增大，有效應(yīng)力σe逐漸減??；相對遠處，結(jié)構(gòu)近處有效應(yīng)力降低速度較為緩慢，最終殘余有效應(yīng)力較大；在結(jié)構(gòu)近處，隨著埋深的增加，有效應(yīng)力增大；隨著碎石層層數(shù)和厚度的增加，結(jié)構(gòu)近遠處有效應(yīng)力降低速度有所放緩，且最終殘余有效應(yīng)力增大。

a　工況1　　　　　　　　　　　　　　　　b　工況2　　　　　　　　　　　　　　　　c　工況3

d　工況4　　　　　　　　　　　　　　　　e　工況5　　　　　　　　　　　　　　　　f　工況6

a　工況1　　　　　　　　　　　　　　　　b　工況2　　　　　　　　　　　　　　　　c　工況3

d　工況4　　　　　　　　　　　　　　　　e　工況5　　　　　　　　　　　　　　　　f　工況6

3　結(jié)　論

基于反濾原理，對液化場地下結(jié)構(gòu)，采用輸入水平方向地震波，進行數(shù)值模擬實驗。得到如下結(jié)論：

(1)隨著結(jié)構(gòu)周圍碎石層厚度和層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)水平相對位移逐漸減小。

(2)隨著碎石層厚度和層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值逐漸減小。在結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置碎石層后，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)有減弱效應(yīng)。

(3)在結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置碎石層能有效降低結(jié)構(gòu)周圍的水壓，改變結(jié)構(gòu)遠處液化場地分布，避免結(jié)構(gòu)近處產(chǎn)生液化。

[1]劉光磊，宋二祥，劉華北.可液化地層中地鐵隧道地震響應(yīng)數(shù)值模擬及其試驗驗證[J].巖土工程學(xué)報,2007,29(12):1815-1822.

[2]趙伯明，蔣英禮，陳靖.軟土地鐵車站結(jié)構(gòu)在三維強地震動作用下的響應(yīng)分析[J].中國鐵道科學(xué)，2009,30(3):45-50.

[3]黃春霞.碎石樁復(fù)合地基抗液化性能試驗研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2005.

[4]YOSHIMI Y,TOKIMATSU K T.Settlement of buildings on saturated sand during earthquakes[J].Soil and Foundations,1977,17(1):23-38.

[5]何劍平，陳衛(wèi)忠.地下結(jié)構(gòu)碎石排水層抗液化措施數(shù)值試驗[J].巖土力學(xué),2011,32(10):3177-3184.

[6]陶連金，閆冬梅，李積棟，等.地鐵車站長距離密貼下穿既有隧道結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報,2014,24(3):301-305.

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[8]王剛，張建民，魏星.可液化土層中地下車站的地震反應(yīng)分析[J].巖土工程學(xué)報,2011,33(10):1623-1627.

(編輯王冬)

Anti-liquefaction treatment method for underground structure based on principle of anti-filtration

TAO Lianjin1,2，SUO Xin’ai1,2，LIU Chunxiao1,2

(1.Key Laboratory of Urban Security &Disaster Engineering，Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Center of Cooperative Innovation for Beijing Metropolitan Transportation,Beijing 100124,China)

This paper proposes a method aimed at oil liquefaction responsible for the great destruction to which underground structures are subjected,as in the case of strong earthquakes.This method involves arranging a gravel drainage layer between the structure and the liquefied sand using the principle of the anti-filter layer;and analyzing the dynamic response characteristics of underground structures in the liquefaction site using FLAC3Dfinite difference software as calculating dynamic time history analysis tool.The results show that the solution affords a good anti-liquefaction effect on the underground structure of the liquefied ground,especially when gravel layers are of an increasing thickness and more layers.

underground structure;anti-liquefaction method;inverted-filter principle;dynamic response

2016-04-18

國家自然科學(xué)基金項目(41272337)；北京市自然科學(xué)基金重點項目(8111001);國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目(51421005)

陶連金(1964-)，男，黑龍江省雞西人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：巖土及地下工程，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.005

TU352.1;TU354

2095-7262(2016)03-0256-06

A