注漿對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

李 兵,隋 文,謝 晉

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

地下城市軌道交通系統(tǒng)對比其他在日常生活中經(jīng)常使用的交通方式[1-3],有著諸多的優(yōu)點(diǎn)。但其施工持續(xù)時(shí)間長,不可控風(fēng)險(xiǎn)多也是應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。特別是當(dāng)發(fā)生地震、爆炸等可能對施工進(jìn)程產(chǎn)生威脅的重大災(zāi)害時(shí),會(huì)嚴(yán)重威脅地鐵深基坑周邊的人身安全和施工進(jìn)度[4-8]?，F(xiàn)有研究方法有靜力法[9]、反應(yīng)位移法[10]、動(dòng)力時(shí)程分析法[11]、模型試驗(yàn)分析法[12]等。

張社榮等[13]研究了注漿加固方法應(yīng)用在盾構(gòu)隧道的方案,并提出使用Abaqus研究不同注漿方法下的地表沉降和管片內(nèi)變形情況,對注漿加固這一施工方法敘述詳細(xì),但其未考慮在遇到地震荷載作用時(shí)注漿加固后的結(jié)構(gòu)性能變化;周丁恒等[14]對近接地鐵條件下深基坑施工方面進(jìn)行研究,考慮了近接地鐵車站和區(qū)間隧道的深基坑工程并以深層土體位移、地面沉降、地下水位變化及支撐軸力為研究對象,得出其數(shù)值變化規(guī)律。但現(xiàn)階段對注漿加固方法用于深基坑施工中的實(shí)際改進(jìn)情況并未研究,同時(shí)對地震荷載作用下該結(jié)構(gòu)性能變化情況研究較少。

綜上所述,筆者基于沈陽市正在建設(shè)中的地鐵四號線北大營街車站主體結(jié)構(gòu)深基坑工程以及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,通過MIDAS/GTS NX對其深基坑及其影響范圍內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模,分析地震作用下注漿加固對地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,得出注漿加固施工方式,對地震荷載作用下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)性能有一定改進(jìn)作用,可以有效提高其使用性能。

1 基于現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的有限元分析模型的建立與驗(yàn)證

1.1 工程概況

沈陽市地鐵四號線北大營街車站主體的深基坑工程,其工程設(shè)計(jì)將地鐵的深基坑工程分成6個(gè)步驟進(jìn)行開挖,在施工現(xiàn)場深基坑圍護(hù)樁各處的深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)共有16處,其編號為CX-1～CX-16。同時(shí)在支護(hù)結(jié)構(gòu)中所設(shè)各層鋼支撐位置布置軸力監(jiān)測部位,在文中共設(shè)置20個(gè)觀測點(diǎn)位,其中ZL1-1代表該觀測點(diǎn)位置布置在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中第一層鋼支撐的一號觀測點(diǎn)位置,筆者設(shè)置深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖見圖1。深基坑現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼支撐軸力觀測點(diǎn)設(shè)置位置與施工區(qū)域附近的建筑物位置的布置示意圖見圖2。

1.2 抗震分析模型建立

1.2.1 深基坑參數(shù)

筆者嚴(yán)格按照地鐵深基坑各個(gè)施工步驟進(jìn)行施工開挖的模擬過程中,對模型中涉及的土體本構(gòu)模型使用Mohr-Coulonb本構(gòu)準(zhǔn)則[6]進(jìn)行模擬,并將建立的有限元模型范圍內(nèi)力學(xué)性質(zhì)相同或相似的土體進(jìn)行合并。

圖1 水平位移測點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal displacement measuring points

圖2 鋼支撐觀測點(diǎn)位示意圖Fig.2 Schematic diagram of steel support observation points

模擬過程中具體涉及的各類土層厚度與土層模擬所需要的相關(guān)參數(shù)為實(shí)地測量所得,其具體數(shù)值如表1所示。

表1 主要土層參數(shù)Table 1 Main soil layer parameters

筆者對地鐵主體位置的深基坑地下連續(xù)墻體結(jié)構(gòu)周邊各類土體進(jìn)行注漿加固,用該種方式改變深基坑周邊土體的性質(zhì)[16]。針對該種工況,對地鐵主體位置的深基坑地下連續(xù)墻影響范圍內(nèi)5 m寬,15 m深的各類土體進(jìn)行注漿加固處理,其所得參數(shù)為實(shí)地測量所得,其注漿加固前后各個(gè)土層參數(shù)如表2所示。

表2 加固后土層參數(shù)表Table 2 Parameters of soil layer after reinforcement

深基坑應(yīng)使用支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù),位于地鐵深基坑南側(cè)擴(kuò)大段范圍內(nèi)的圍護(hù)樁,采用φ1 200@1 500鉆孔灌注樁。地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段施工深基坑范圍內(nèi)的圍護(hù)樁,采用直徑為1 000 mm，間隔為1 400 mm的鉆孔灌注樁,在其北端采用直徑為1 000 mm，間隔為1 400 mm的鉆孔灌注樁。在鉆孔灌注樁之間設(shè)置支撐,在支護(hù)結(jié)構(gòu)中的第一道支撐材質(zhì)為混凝土,其余道材質(zhì)為鋼,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所涉及參數(shù)如表3所示。

表3 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各部部件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Designed part parameters of deep foundation pit supporting structure

筆者將支護(hù)結(jié)構(gòu)中使用的支護(hù)排樁等效為平板式連續(xù)墻,通過剛度轉(zhuǎn)換將支護(hù)樁轉(zhuǎn)化為同等剛度下的壁式地下連續(xù)墻進(jìn)行模擬計(jì)算,該種情況下的剛度計(jì)算式如下:

(1)

(2)

式中:D為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)灌注樁直徑;t為支護(hù)結(jié)構(gòu)相鄰灌注樁間距;h為等剛度轉(zhuǎn)換后壁式地下連續(xù)墻厚度。

在基坑開挖后，位于地鐵深基坑南端的盾構(gòu)擴(kuò)大段的地下連續(xù)墻，等效后結(jié)構(gòu)厚度h為0.9 m,東西兩側(cè)及北側(cè)等效后地下連續(xù)墻厚度為0.8 m。模擬施工開挖各階段如表4所示。

表4 施工階段表Table 4 Construction stage table

1.2.2 場地范圍內(nèi)建筑物參數(shù)

沈陽市大東區(qū)合作街26號思和苑小區(qū)公寓樓為開挖深基坑范圍內(nèi)西南角位置現(xiàn)存建筑物,該建筑物為框架結(jié)構(gòu),建筑物總層數(shù)為28層,其中包括地下室2層,建筑物樓板厚度為0.2 m,建筑物中樁、梁、板、柱部分,混凝土強(qiáng)度均為C30,在有限元模擬中,涉及的C30混凝土參數(shù)主要包括混凝土泊松比、混凝土彈性模量、混凝土重力密度,其參數(shù)如下：泊松比為0.2,彈性模量為30 GPa,重力密度為25 kN/m3。

沈陽市大東區(qū)北海街32號樓位于開挖深基坑的東北角,該建筑物采用磚混結(jié)構(gòu),共有5層,樓板使用預(yù)制混凝土板,樓板厚度為0.2 m。

沈陽市大東區(qū)合作街21號樓位于合作街路東,與地鐵站相距約18 m,與基坑長邊處于平行方向,該建筑物采用磚混結(jié)構(gòu),整體共分為7層,建筑物樓板采用預(yù)制混凝土板,厚度為0.2 m。

1.2.3 有限元模型參數(shù)

筆者建立的有限元模型取實(shí)際施工范圍內(nèi)長×寬×深為260 m×180 m×75 m,其X軸方向長180 m,Y軸方向長260 m,Z軸方向長50 m。因在開挖施工階段開始前,施工區(qū)域內(nèi)地下水位降低至基坑開挖面以下,故筆者忽略土體出現(xiàn)固結(jié)及蠕變情況對深基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算產(chǎn)生的各種影響,在有限元模型建立過程中,共涉及土體、地下連續(xù)墻和深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。各層土體使用3D實(shí)體單元進(jìn)行建模計(jì)算、等效后的地下連續(xù)墻采用2D板單元進(jìn)行建模計(jì)算、開挖后深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)既文中縱鋼支撐采用1D桁架單元進(jìn)行建模計(jì)算[15]，有限元模型建模如圖3所示。

圖3 有限元模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of finite element model

1.3 抗震分析模型驗(yàn)證

筆者選擇實(shí)際測量中最具代表性的水平位移監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行有限元分析,并將其實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,選取的位移監(jiān)測點(diǎn)為CX-8,該點(diǎn)位為位于地鐵深基坑的南側(cè)擴(kuò)大段中部位置的位移監(jiān)測點(diǎn)位,其實(shí)測值與模擬值對照曲線如圖4所示。由分析結(jié)果可看出,筆者的模擬過程能有效反映實(shí)際工況。

圖4 有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison between finite element simulation data and measured data

2 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震性能分析

2.1 結(jié)構(gòu)時(shí)程分析過程參數(shù)選擇

筆者使用動(dòng)力時(shí)程分析進(jìn)行地鐵深基坑的抗震性能分析,并選取兩種不同的地震波進(jìn)行抗震性能模擬分析,即EL-centro地震波[16]、汶川地震加速度[17]。

根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對抗震性能分析的規(guī)定,應(yīng)對模擬中涉及的地震加速度時(shí)程曲線，取其0～5 s時(shí)域進(jìn)行分析，且該時(shí)域內(nèi)應(yīng)包含地震加速度峰值。

2.2 基于時(shí)程分析方法的結(jié)構(gòu)抗震性能分析

2.2.1 地震分析方式及曲線選擇

在地震的時(shí)程分析模型中,用于抗震性能分析中使用的地震加速度峰值,應(yīng)與規(guī)范中模擬位置所在地區(qū)要求的抗震設(shè)防烈度,既模擬所在地區(qū)的多遇地震和罕遇地震兩種情況下，地震加速度峰值相當(dāng),當(dāng)兩者相差較大時(shí),可按照如下公式對選取的地震波進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

(3)

2.2.2 注漿加固前后鋼支撐結(jié)構(gòu)抗震性能的對比分析

筆者使用調(diào)整后的地震波對筆者建立模型進(jìn)行抗震性能分析,并對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼支撐所產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,圖5為調(diào)整后汶川地震波作用下,模擬土體加固前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各層鋼支撐最大軸力數(shù)值變化對比。圖中將每層鋼支撐觀測點(diǎn)以5個(gè)觀測點(diǎn)為一組進(jìn)行繪圖,共分為四組,如1-1為第一層鋼支撐第一個(gè)觀測點(diǎn)。

通過對地鐵深基坑周圍土體加固[18]前后,不同組觀測點(diǎn)位置最大軸力折線圖分析得出,對深基坑施工影響范圍內(nèi)的土體進(jìn)行注漿加固可以有效減小一二層鋼支撐所受的軸力作用,但注漿加固的方法對第三層鋼支撐的軸力作用改善效果并不明顯。對上層土體進(jìn)行注漿加固后,位于第四層鋼支撐的最大軸力值普遍較注漿前增加。造成該種現(xiàn)象是因?yàn)樯罨由喜客馏w在進(jìn)行注漿加固后, 土體重力密度上升,該部分土體對其下部施加側(cè)向壓力,并造成該部分的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)在第四層鋼支撐處的側(cè)壁土壓力上升。上述第四層鋼支撐軸力值普遍增加的問題可利用加大注漿加固深度的方式來解決。

圖5 調(diào)整后汶川地震波作用土體加固前后深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各層鋼支撐最大軸力對比

圖6為EI-centro地震波作用下土體注漿加固前后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各層鋼支撐模擬得到的最大軸力值對比圖。

對圖6進(jìn)行分析,北海街32#樓區(qū)域內(nèi)觀測點(diǎn)位為第一組觀測點(diǎn),通過該觀測點(diǎn)位數(shù)據(jù)對比土體加固前后的變化,該組觀測點(diǎn)中大部分測量點(diǎn)位出現(xiàn)軸力最大值下降現(xiàn)象,ZL2-2觀測點(diǎn)的周邊土體在注漿加固前后的最大軸力下降16.131 kN,該點(diǎn)位為該部分?jǐn)?shù)據(jù)中,軸力最大值變化最明顯的點(diǎn)位。通過第一組觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析,在注漿加固前后，第四層鋼支撐最大軸力值變化不大,即該種改進(jìn)方式對該部分第四層鋼支撐的改進(jìn)效果較差。

圖6 注漿加固處理前后EL-centro地震波作用下深基坑各層鋼支撐支護(hù)最大軸力值變化趨勢圖Fig.6 Variation trend of maximum axial force at each steel support layer of deep foundation pit under El Centro seismic wave before and after grouting reinforcement

位于合作街21#樓范圍內(nèi)軸力觀測點(diǎn)為筆者設(shè)置的第二組觀測點(diǎn),通過分析第二組第一層鋼支撐最大軸力觀測數(shù)據(jù),在EL地震波作用影響下,該范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐的軸力最大值在注漿加固前后數(shù)值增大,其中ZL1-8點(diǎn)的最大軸力值增加至8 813 kN,該點(diǎn)位為該組測量點(diǎn)中數(shù)值變化最大的測量點(diǎn)。在土體加固前后,各組觀測點(diǎn)位的第四層鋼支撐為各組鋼支撐軸力最大值中最大的,在該部分觀測點(diǎn)位中,土體注漿加固前后,第四層鋼支撐監(jiān)測到的最大軸力值均有所下降,其中ZL4-7點(diǎn)位的最大軸力值在注漿加固前后減少22.905 kN。該點(diǎn)位為該組監(jiān)測點(diǎn)中最大軸力值減少最大的點(diǎn)位。

3 結(jié) 論

(1)通過對汶川地震和EL-centro地震作用下各層鋼支撐最大軸力圖進(jìn)行對比可以得出,在地震作用下注漿加固部分處理后的鋼支撐軸力變小,且當(dāng)鋼支撐處于土體加固區(qū)與非加固區(qū)之間時(shí),鋼支撐應(yīng)力與變形情況發(fā)生突變。

(2)通過對不同觀測點(diǎn)處軸力曲線進(jìn)行分析,在對地鐵深基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)使用土體注漿加固方式進(jìn)行加固后,當(dāng)觀測的鋼支撐位置越接近于加固區(qū)與非加固區(qū)交界位置處,其軸力值越大,即注漿加固對其軸力值控制效果越差。

(3)在不同的地震荷載作用下,各觀測點(diǎn)位置處鋼支撐反應(yīng)各不相同,是因?yàn)椴煌牡卣鸷奢d作用時(shí),地震加速度峰值不同與地震加速度隨時(shí)間變化速率不同所導(dǎo)致。