砂土地層中地下連續(xù)墻的抗震性能研究

李 漪，謝文濤，王紅偉，彭 斌，曹偉騰

(1. 湖北省電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074 )

0 引言

城市建設(shè)的迅猛發(fā)展對(duì)地下空間開發(fā)利用的程度和要求愈來愈高。由于放坡開挖方式不適合狹窄的城市中心地區(qū)基坑施工，所以開挖方式必須采用垂向開挖+擋土墻形式[1-3]。地下連續(xù)墻具有抗側(cè)剛度大、強(qiáng)度高、防滲性能好以及施工時(shí)對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)，在城市深基坑工程中應(yīng)用越來越多[4-6]。另外，我國存在23 條大型地震帶，由于地震發(fā)生的隨機(jī)性和難預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)使地震頻發(fā)區(qū)開挖施工的基坑工程隨時(shí)面臨地震的威脅。因此，開展地震作用下基坑工程抗震設(shè)計(jì)和施工研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7-8]。

對(duì)于基坑地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)靜力作用下穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)研究，并取得了重要研究成果。APAI[9]等采用彈塑性有限元法對(duì)地下連續(xù)墻壁厚和開挖順序?qū)Φ孛嫖灰坪蛪ι砦灰七M(jìn)行了研究。柏國利[10]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了陽邏大橋超大型地下連續(xù)墻的變形特點(diǎn)和受力性能。王琨[11]等分析了廣州珠江黃埔大橋地下連續(xù)墻受力和變形特點(diǎn)。針對(duì)南京長江大橋環(huán)形地下連續(xù)墻，白雪濛[12]結(jié)合數(shù)值和監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻主要以環(huán)向受力為主，圍護(hù)樁的土拱效應(yīng)和嵌巖作用限制了地下連續(xù)墻位移，并使墻身最大位移下移，保證了地下連續(xù)墻運(yùn)行安全。裴穎潔[13]等考慮了圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用，分析了地下連續(xù)墻與上部結(jié)構(gòu)不同連接方式對(duì)墻體的內(nèi)力和變形影響機(jī)理。

目前關(guān)于地下連續(xù)墻在動(dòng)力作用下響應(yīng)規(guī)律研究較少。馬學(xué)寧[14]等開展了地下連續(xù)墻基坑小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同施工階段和插入比對(duì)地下連續(xù)墻位移和加速度響應(yīng)特性。韓淋臣[15]運(yùn)用ANYSY 分析了汶川地震波作用下地下連續(xù)墻位移變化規(guī)律?？偨Y(jié)得到墻體彈性模量和厚度對(duì)其抗震性能影響較小，而周圍土體彈性模量影響較大。馬利軍[16]研究了強(qiáng)震作用下不同地下連續(xù)墻插入比對(duì)地連墻的地震反應(yīng)特性。結(jié)果表明，插入比越大，基坑內(nèi)土體在地震作用下不同時(shí)刻的隆起值明顯減小。盡管已有學(xué)者開展了地下連續(xù)墻地震響應(yīng)研究，但其力學(xué)機(jī)理仍然不清。

綜上，在現(xiàn)有的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及學(xué)者們研究中，地震作用下地下連續(xù)墻工作機(jī)理和抗震性能方面研究較少，相應(yīng)地也沒有一種普適性圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。本文以武漢某基坑地下連續(xù)墻為例，運(yùn)用FLAC2D 軟件，設(shè)計(jì)了地震作用下基坑應(yīng)力和變形模擬方法，設(shè)置黏性邊界，對(duì)基坑地下連續(xù)墻進(jìn)行地震動(dòng)力響應(yīng)分析。

1 武漢市長青片區(qū)污水分流改造管槽基坑工程

1.1 工程概況

選用武漢市長青片區(qū)雨污分流改造工程的管槽基坑進(jìn)行地震響應(yīng)分析。根據(jù)GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》要求，雨污管道抗震設(shè)防類別屬于重點(diǎn)設(shè)防區(qū)域，應(yīng)按七度烈度采取抗震措施。另外，本場(chǎng)地分布有砂土，在振動(dòng)荷載作用下容易產(chǎn)生液化，影響管槽基坑的穩(wěn)定性。因此，必須對(duì)管槽基坑及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析?；幽Ｐ腿鐖D1 所示。

圖1 管槽基坑數(shù)值模型

在該模型中，開挖深度為10 m，基坑寬度為10 m。按照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，管槽基坑安全等級(jí)為1 級(jí)，基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻+2 層橫向支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；陟o力穩(wěn)定性要求(安全系數(shù)大于1.1)，設(shè)計(jì)了地下連續(xù)墻厚度為60 cm，嵌入深度為10 m。橫向支撐采用Q235B 工字型鋼，支撐第一層位于開挖深度2 m 處，第二層位于開挖深度6 m 處。

1.2 數(shù)值模型

本次采用了有限差分軟件FLAC2D 模擬地震工況下地下連續(xù)墻支護(hù)應(yīng)力和變形情況?？紤]2 種類型的砂土進(jìn)行分析。一種是松砂，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N＜10；另一種是密砂，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N＞30。2 種砂土的數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表1所列。

表1 砂土計(jì)算參數(shù)

砂土和地下連續(xù)墻的接觸通過FLAC2D 自帶的接觸單元進(jìn)行模擬。接觸單元參數(shù)主要有摩擦角、法向剛度和剪切剛度。接觸的摩擦角被設(shè)置為2/3φ，其中，φ是密砂和松砂的摩擦角。因此，松砂與墻體的接觸摩擦角是21.33°，密砂為22.0°。法向剛度Kn和剪切剛度Ks按照式(1)計(jì)算[17]。

式中：Δzmin是接觸相鄰網(wǎng)格法線方向上的最小寬度。因此，松砂的Kn和Ks是1.286 GPa，密砂的Kn和Ks是4.37 GPa。

由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)是在靜載荷作用下設(shè)計(jì)并滿足規(guī)范安全性要求。然而，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能在地震作用下破壞并失效。因此有必要開展地震荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究。通過工程類比，以及地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)資料綜合確定了地下連續(xù)墻彈性模量、密度和泊松比參數(shù)，分別為29.6 GPa，2 100 kg/m3和0.15。橫向支撐采用Q235B 工字型鋼，密度、彈性模量和泊松比分別是7 850 kg/m3、2×108 kN/m2和0.15。

當(dāng)開挖完成時(shí)地震破壞作用最大。因此，將地震加速度時(shí)程曲線應(yīng)用于開挖結(jié)束后模型底部。模型兩側(cè)邊界x向約束，底部在x和y方向上約束。在地震分析過程中，自由場(chǎng)邊界設(shè)置在模型上部，自由場(chǎng)邊界保持了非反射特性。用黏性阻尼器將側(cè)邊邊界的主網(wǎng)格與自由場(chǎng)連接起來去模擬靜力邊界條件，如圖1 所示。

1.3 地震波選取與調(diào)整

為了評(píng)價(jià)地震作用對(duì)地下連續(xù)墻應(yīng)力和變形的影響，考慮3 種常見地震波形汶川、Whittier Narrows 和Northridge 地震時(shí)程曲線。圖2 顯示了3 種地震波加速度時(shí)程曲線。從圖中可以看出，汶川波的加速度最大，而作用時(shí)間與其他兩種地震波近似。因此，汶川波破壞更大，其震源距離地表10 ～20 km，為線源地震。汶川地震的斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)間達(dá)到了22.2 s，最大加速度達(dá)到0.9g。

圖2 汶川、Whittier Narrows和Northridge地震波時(shí)程曲線

由于地震模擬非常耗時(shí)，因此利用地震的顯著持續(xù)時(shí)間進(jìn)行地震模擬分析。Arias 強(qiáng)度是指強(qiáng)震持續(xù)記錄時(shí)段的加速度平方和，如式(2)所示。

式中：a(t)是加速度時(shí)間序列；Td是持續(xù)時(shí)間；t是時(shí)間；g是重力加速度。

基于圖2，3 種地震波時(shí)程曲線，繪制了Arias 強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線，如圖3 所示。從圖中可以看出汶川地震波比其他2 次地震波對(duì)場(chǎng)地的作用時(shí)間更長?？紤]地震波的破壞大小，選用汶川地震波研究最不利條件下地下連續(xù)墻的地震響應(yīng)特性，并取顯著持續(xù)時(shí)間段進(jìn)行加載和分析。

圖3 三種地震波Arias強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系

砂土體采用非線性本構(gòu)模型，并遵循了莫爾· 庫侖破壞準(zhǔn)則。地下連續(xù)墻和橫向支撐采用實(shí)體單元模擬，滿足彈性本構(gòu)模型。整個(gè)模擬步驟見表2 所列。

表2 模擬計(jì)算過程

2 數(shù)值結(jié)果與討論

基于采用的數(shù)值模擬方法和步驟，開展了汶川地震波下地下連續(xù)墻響應(yīng)模擬研究。在地下連續(xù)墻墻體每隔1 m，取一個(gè)點(diǎn)，總共21 個(gè)點(diǎn)，記錄地震波下彎矩和剪力變化，如圖4 所示。圖5為汶川地震波作用期間松砂地層中地下連續(xù)墻最大彎矩和剪力變化曲線，其中地震波作用在深度30 m 的位置。從彎矩圖可以看出，在整個(gè)地震波作用下，彎矩變化劇烈。在18 280 次動(dòng)態(tài)循環(huán)時(shí)彎矩最大，最大值為1 375.7 (kN·m)/m。此外，任意時(shí)刻都未記錄到負(fù)彎矩，這表明，地下連續(xù)墻在汶川地震波作用下處于收拉狀態(tài)。從剪力圖可以看出，在54 860 次循環(huán)時(shí)出現(xiàn)最大剪力，剪力值為483 kN。另外，在第4 910 次循環(huán)時(shí)觀察到最小剪切力，最小值為-91 kN。在第6 000 次循環(huán)以后，剪切力趨于穩(wěn)定。

圖4 彎矩和剪力變化曲線

圖5 地震波作用位置對(duì)地下連續(xù)墻彎矩影響

為了研究不同深度施加地震波對(duì)地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，模擬了汶川地震波施加位置為30 m、60 m 和90 m 時(shí)地下連續(xù)墻應(yīng)力和變形行為。圖5 和圖6 分別繪制了不同施加位置最大和最小彎矩以及最大和最小剪力沿著墻體分布情況。整體上，地震波作用下，彎矩和剪力分布復(fù)雜。彎矩在6 m 深度以上，小幅波動(dòng)，超過6 m 后，急劇增加；在深度12 m 時(shí)，達(dá)到最大值，而后急劇減小到0。對(duì)于剪力來說，在深度6 m 以上位置，剪力小幅波動(dòng)；超過6 m 時(shí)，急劇增加，在深度8 m 時(shí)，達(dá)到最大值，而后急劇減小，在深度14 m 位置時(shí)，減小到0；最后在14 ～20 m 之間，線性遞增。不同地震波作用位置下地下連續(xù)墻彎矩和剪力變化趨勢(shì)近似，但數(shù)值變化較大。另外，在地震作用下，地下連續(xù)墻的彎矩和剪力分別達(dá)到靜力分析的2.8 倍和2.7 倍。當(dāng)作用位置由深度30 m 提高到60 m，最大彎矩和最大剪力分別減少約24%和19%。而當(dāng)深度由60 m 增加到90 m 時(shí)，最大彎矩和最大剪力分別減少約8%和11%。因此，地震波越接近于地下連續(xù)墻時(shí)，對(duì)墻體的破壞作用越大。

圖6 地震波作用位置對(duì)地下連續(xù)墻剪力影響

開展了不同砂土地層下地震波對(duì)地下連續(xù)墻性能的影響。圖7 和圖8 分別為不同松砂和密砂地層中汶川地震波作用下地下連續(xù)墻彎矩和剪力分布曲線。

圖7 不同砂土類型彎矩變化曲線

圖8 不同砂土類型剪力變化曲線

從圖7 中可以看出，松砂中墻體的各個(gè)位置彎矩都比密砂的彎矩大，其中最大彎矩比密砂高21%。由圖8 可知，雖然在松砂中沿墻深度的剪力值較高，但在密砂中墻體支撐點(diǎn)的剪力值明顯高于松砂。當(dāng)安裝6 m 深度的支撐時(shí)，密砂中地下連續(xù)墻剪力比松砂高54%。因此，在地震荷載下，地下連續(xù)墻在密砂中的彎矩較松砂的彎矩小，但剪力較高。因此，在密砂中需要加大橫向支撐，提高地下連續(xù)墻抗剪能力，例如配備更多的抗剪鋼筋、預(yù)埋鋼板等措施。

另外，研究了地震波作用下橫向支撐軸力變化效應(yīng)特性。圖9 為松土層，汶川地震波作用于深度60 m 處，位于深度2 m 處橫向支撐軸力變化曲線。從圖中可以看出，在15 210 次動(dòng)態(tài)循環(huán)次數(shù)下，橫向支撐出現(xiàn)最大軸向力，最大值為1 037 kN。此外，當(dāng)動(dòng)態(tài)循環(huán)次數(shù)達(dá)到124 000 次時(shí)，觀察到軸向支撐力的波動(dòng)減弱。表3 給出了不同地震波作用位置和砂土地層中最大橫向支撐軸力。表中Fst和Fse分別是最大靜態(tài)軸力和最大動(dòng)態(tài)軸力。從表中可以看出，相同土層中，地震波越遠(yuǎn)離支撐位置，F(xiàn)se越大。另外，相同地震波作用位置，密砂土層中Fse值比松砂大。在汶川地震波作用下，F(xiàn)se/Fst最大達(dá)到17.42。這表明地震作用下支撐軸力遠(yuǎn)大于靜力狀態(tài)下軸力，嚴(yán)重威脅橫向支撐的安全。另外，支撐軸力的設(shè)計(jì)值為4 000 kN，不考慮地震荷載后，橫向軸力都未破壞，而考慮地震荷載后，大部分情況下支撐都處于破壞狀態(tài)。因此，在高烈度地震區(qū)域，應(yīng)該考慮地震對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

表3 不同地震波作用位置和砂土類型下橫向支撐軸力

圖9 不同動(dòng)態(tài)循環(huán)次數(shù)下橫向支撐軸力變化

3 結(jié)論

本文針對(duì)武漢市管槽基坑工程，研究了汶川地震作用下地下連續(xù)墻的響應(yīng)特征。主要結(jié)論如下：

1)基于FLAC2D 有限差分軟件，提出了一種基坑地震響應(yīng)快速模擬方法。

2)研究了地震波作用位置和地層類型對(duì)地下連續(xù)墻地震響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，地震波越接近于地下連續(xù)墻時(shí)，墻體彎矩和剪力越大，對(duì)墻體的破壞作用越大。在密砂地層中，墻體彎矩和剪力明顯大于在松砂地層中，但橫向支撐軸力大于松砂地層中的軸力。

3)在地震作用下，地下連續(xù)墻的彎矩和剪力分別達(dá)到靜力分析的2.8 倍和2.7 倍。在靜力條件下，橫向支撐法是一種可接受的控制墻體下位移的方法，但在地震作用下，橫向支撐軸力將增大，極有可能破壞。因此，建議在高地震烈度區(qū)，基坑設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地震破壞作用。例如：增加橫向支撐；增加地下連續(xù)墻中抗剪鋼筋；預(yù)埋鋼板等措施。