液化土層注漿加固對(duì)地下車站抗震性能的影響

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(duì)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(duì)地鐵車站造成嚴(yán)重的破壞，引起學(xué)者們對(duì)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(shí)程分析法對(duì)比不同地震動(dòng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度及頂板埋深等因素對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)比多種方法研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)加速度法與動(dòng)力時(shí)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(duì)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(huì)發(fā)生動(dòng)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(shí)程分析法計(jì)算比較液化土層注漿加固處理對(duì)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(jí)為一級(jí)，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。抗震設(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(chǎng)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(shí)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(dòng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)液化土層的影響，建立二維單元對(duì)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(chǎng)單元，底部邊界添加固定約束。模型如圖1所示。

2.3 地震動(dòng)的輸入

計(jì)算E3（2450年一遇）的地震作用，根據(jù)地震安評(píng)報(bào)告分別輸入三個(gè)地震動(dòng)時(shí)程波。原始地震動(dòng)時(shí)程圖如圖2所示。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 原場(chǎng)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(shí)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(duì)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(duì)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。可以看出，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(chǎng)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(duì)比車站兩層的變形情況，可以看出，對(duì)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(shì)：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(duì)減小車站負(fù)二層的變形有明顯效果，而對(duì)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(duì)地下車站所在的原場(chǎng)地環(huán)境和注漿加固處理后的場(chǎng)地環(huán)境進(jìn)行了抗震模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)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。