強(qiáng)震作用穿越不同位置粉土地層盾構(gòu)隧道液化特性研究

朱雙燕

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

引言

美國土木工程巖土工程分會(huì)將液化定義為“任何物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程”[1]，日本對(duì)液化的理解則是“地基土中孔隙水壓力的增長使土體有效應(yīng)力減小和抗剪能力消失的過程”[2]，而我國將液化定義為：“土體有效應(yīng)力變?yōu)榱?，孔隙水壓力等于土體有效應(yīng)力，失去其承載能力，轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的過程”[3]。

地下結(jié)構(gòu)處于圍巖中，學(xué)者們普遍認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，但日本阪神地震導(dǎo)致地鐵車站和區(qū)間隧道因土體發(fā)生液化受到了嚴(yán)重的破壞[4-5]，之后的土耳其地震以及2008年的汶川地震等多地在強(qiáng)震作用下發(fā)生了大規(guī)模液化現(xiàn)象，工程結(jié)構(gòu)受到了巨大的破壞[6]。為了解土體發(fā)生液化的機(jī)理，國內(nèi)外眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。

YOUD[7]、PAPADOPOULOU A[8]等發(fā)現(xiàn)粉土中細(xì)粒含量對(duì)土體抗液化能力影響較大，細(xì)粒含量越高，粉土越易液化。景立平等[9]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土體抗液化能力和密度、結(jié)構(gòu)性以及固結(jié)度等密切相關(guān)，并以粉土孔壓增長模型來判別粉土是否液化。陳國興等[10]通過模型箱試驗(yàn)對(duì)粉土地層地鐵結(jié)構(gòu)的液化特性進(jìn)行了分析，得到了液化土體的加速度增長效應(yīng)和孔壓消散規(guī)律。張煥強(qiáng)[11]通過數(shù)值軟件對(duì)穿越飽和粉土地層的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，分析了粉土地基發(fā)生液化時(shí)隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度和強(qiáng)度的影響規(guī)律。蔣清國[12]依托天津地鐵5號(hào)線工程，分析了粉土液化機(jī)理，提出了穿越粉土層地下結(jié)構(gòu)的處置措施，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種手段進(jìn)行了驗(yàn)證。鄒佑學(xué)等[13-14]采用FLAC3D軟件對(duì)地震動(dòng)力作用下可液化場(chǎng)地碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行三維數(shù)值分析，得到碎石樁的加密作用可以顯著降低超靜孔隙水壓力的結(jié)論。

上述很多學(xué)者的工作主要集中在液化機(jī)理、特性和措施等方面，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)和可液化土層位置關(guān)系的研究較少。因此，通過數(shù)值模擬的手段分析可液化地層位于地下結(jié)構(gòu)不同位置處的動(dòng)力響應(yīng)特性，為穿越可液化土層的地下結(jié)構(gòu)加固措施提供新的思路。

1 工程概況

以天津地鐵5號(hào)線金鐘河大街站—建昌道站盾構(gòu)區(qū)間為工程依托，區(qū)間長度為941.296 m，場(chǎng)地平面如圖1所示。盾構(gòu)隧道外徑為6.0 m，管片厚度為35 cm，材料采用C50混凝土，管片采用錯(cuò)縫拼裝，管片結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖1 金鐘河大街站—建昌道站場(chǎng)地平面

圖2 盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)示意

該地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越的土層主要為飽和粉土層和黏土層，地下水位埋深維持在0.50～1.50 m，典型液化區(qū)段縱斷面如圖3所示。根據(jù)中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖顯示天津地區(qū)為Ⅷ度設(shè)防區(qū)。

圖3 典型液化區(qū)段縱斷面示意

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型建立

為了去除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本次計(jì)算模型選取的長度為100 m，高度為43 m，沿隧道方向長度為50 m，隧道埋深為10 m。盾構(gòu)隧道外徑為6.0 m，管片厚度為35 cm。計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中，土體在靜力計(jì)算中采用摩爾-庫倫模型，動(dòng)力計(jì)算中粉土地層采用Finn本構(gòu)模型[15]，管片材料為C50混凝土，采用彈性本構(gòu)模型。模型土體及結(jié)構(gòu)基本計(jì)算參數(shù)如表1所示，流體及動(dòng)力參數(shù)如表2所示。

表1 土體及結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表2 土體流體及動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

計(jì)算開始前，首先對(duì)初始地應(yīng)力和滲流進(jìn)行平衡，然后進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，動(dòng)力計(jì)算中模型邊界四周及底部采用自由邊界場(chǎng)，臨界阻尼系數(shù)為0.417[16]。

2.3 地震波輸入

選擇輸入的地震波為天津波，記錄天津波地震作用時(shí)長為19.9 s，峰值加速度為10 m/s2，天津波加速度時(shí)程及傅里葉譜值分別如圖5、圖6所示。經(jīng)過基線校正和過濾處理，計(jì)算時(shí)選取能量劇烈的5～13 s的8 s地震波，并將加速度波轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波從模型底部輸入，如圖7所示?？紤]天津?qū)嶋H條件，輸入的應(yīng)力波乘0.3的折減系數(shù)，即峰值加速度PGA=0.3g。

圖5 天津波加速度時(shí)程曲線

圖6 天津波傅里葉譜

圖7 地震波輸入

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為去除邊界效應(yīng)的影響，模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在模型軸向中部位置處，即X=0，Y=25 m處，隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示，管片結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)見表3。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置布置示意

表3 盾構(gòu)管片監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)

2.5 計(jì)算工況

盾構(gòu)管片埋深10 m，為探究可液化粉土地層位于管片結(jié)構(gòu)不同位置的影響，本文計(jì)算工況如圖9所示。

圖9 計(jì)算工況示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 粉土地層動(dòng)力響應(yīng)特性

文獻(xiàn)[17]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)表明當(dāng)超孔壓比超過0.65后，土體即發(fā)生液化現(xiàn)象，因此以超孔壓比大于0.65(包括0.65)作為粉土液化的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。圖10為粉土地層相對(duì)隧道不同位置時(shí)超孔壓比分布云圖。從圖10和表4可以看出，隨著粉土埋深增加，最大超孔壓比逐漸減少。當(dāng)粉土層位于地表以下6 m時(shí)，粉土層基本處于液化狀態(tài)，最大超孔壓比達(dá)到0.97；當(dāng)粉土層位于隧道拱頂上方6 m時(shí)，最大超孔壓比為0.70；當(dāng)隧道僅上半部分位于粉土層，下半部分位于黏土層時(shí)，此時(shí)粉土層最大超孔壓比為0.53，粉土雖未達(dá)到液化臨界值(0.65)，但富余量較少；當(dāng)隧道處于粉土層的包圍中，最大超孔壓比僅為0.36，繼續(xù)增大粉土層埋深，粉土已不再發(fā)生液化。

圖10 粉土層相對(duì)隧道不同位置時(shí)超孔壓比云圖

表4 不同工況超孔壓比最大值

3.2 隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性

圖11～圖14分別是不同工況下隧道結(jié)構(gòu)S1、S1′、S2及S2′監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線，表5是不同工況隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移值。從圖11～圖14可以看出，當(dāng)?shù)卣鸩ㄝ斎?.5 s左右時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移開始急劇增加，地震波輸入4～8 s內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)位移緩慢增加。計(jì)算結(jié)束后，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移工況3>工況2>工況1>工況5>工況6>工況7，說明在強(qiáng)震作用下，隧道結(jié)構(gòu)上方存在粉土地層隧道結(jié)構(gòu)受到影響相比結(jié)構(gòu)下方存在粉土產(chǎn)生的影響大。

圖11 不同工況隧道結(jié)構(gòu)S1監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線

圖12 不同工況隧道結(jié)構(gòu)S1′監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線

圖13 不同工況隧道結(jié)構(gòu)S2監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線

圖14 不同工況隧道結(jié)構(gòu)S2′監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移時(shí)程曲線

從表5可以看出，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移S2′>S1>S1′>S2，隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)順時(shí)針扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)。隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移出現(xiàn)在工況3 S2′處(27.4 mm)，此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)上半部分位于粉土層，下半部分位于黏土層。當(dāng)粉土層位于隧道結(jié)構(gòu)下方時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)豎向最大位移為9.8 mm，出現(xiàn)在工況5 S2′處，此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)僅下半部分位于粉土層內(nèi)。

表5 不同工況隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移值 mm

4 結(jié)論

以天津地鐵5號(hào)線盾構(gòu)隧道典型液化區(qū)段為工程依托，采用動(dòng)力時(shí)程分析法，開展了盾構(gòu)隧道穿越不同位置飽和粉土地層的動(dòng)力響應(yīng)特性研究，得到如下結(jié)論。

(1)在地震作用下，飽和粉土層的液化程度隨著埋深的增大而減小，隧道結(jié)構(gòu)與粉土層的位置關(guān)系對(duì)飽和粉土液化程度影響不明顯。

(2)在地震作用下，隧道結(jié)構(gòu)位移整體呈現(xiàn)隆起狀態(tài)；隨著飽和粉土層埋深的增加，隧道結(jié)構(gòu)的整體位移呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；從整體趨勢(shì)上看，隧道結(jié)構(gòu)豎向位移S2′>S1>S1′>S2，隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)順時(shí)針扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

(3)當(dāng)飽和粉土層位于隧道結(jié)構(gòu)上方時(shí)產(chǎn)生的隧道結(jié)構(gòu)位移大于飽和粉土層位于隧道結(jié)構(gòu)下方時(shí)，且飽和粉土層距離隧道結(jié)構(gòu)越近，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移越大；隧道結(jié)構(gòu)最大隆起位移出現(xiàn)在隧道結(jié)構(gòu)僅上半部位于粉土層的工況處(工況3 S2′)，隧道結(jié)構(gòu)位移最大(27.4 mm)。

(4)在線路設(shè)計(jì)中，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離可液化土層，且應(yīng)當(dāng)將隧道結(jié)構(gòu)置于可液化土層之上，同時(shí)避免僅部分隧道結(jié)構(gòu)穿越可液化土層的情況。