排水樁加固及動(dòng)力荷載強(qiáng)度對(duì)可液化地層中盾構(gòu)隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響*

馮 義

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,710075,西安∥高級(jí)工程師)

隧道工程作為大型地下結(jié)構(gòu)工程之一,其穿越可液化地層時(shí)面臨著較大的液化破壞風(fēng)險(xiǎn)[1],隨著近年來地下工程的不斷發(fā)展,隧道的動(dòng)力響應(yīng)研究受到越來越多的關(guān)注。

文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了飽和砂土地層中隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力離心模型試驗(yàn);文獻(xiàn)[3]針對(duì)可液化地基中車站結(jié)構(gòu)周邊地基的液化區(qū)分布特性及其位移矢量場,進(jìn)行了數(shù)值模型分析;文獻(xiàn)[4]針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越液化地基的動(dòng)力破壞風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)行了小型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究;文獻(xiàn)[5]開展了砂土地基振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);文獻(xiàn)[6]針對(duì)加拿大某沉管隧道砂土液化問題,開展了動(dòng)力離心機(jī)試驗(yàn)。

UBC3D-PLM本構(gòu)模型能很好地描述飽和土層液化特性。文獻(xiàn)[7-11]利用該模型對(duì)可液化層的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。本文依托上海軌道交通崇明線工程(以下簡稱“崇明線工程”),利用Plaxis2D巖土數(shù)值模擬軟件,基于UBC3D-PLM土體本構(gòu)建立數(shù)值模型,分析評(píng)價(jià)排水樁加固措施的效果及范圍,并探究不同動(dòng)力強(qiáng)度下隧道穿越可液化地層的動(dòng)力響應(yīng)。

1 工程概況

崇明線工程線路起自上海市浦東新區(qū)金橋地區(qū),終于上海市崇明區(qū)陳家鎮(zhèn),是一條快速聯(lián)系崇明島、長興島和上海城區(qū)的市域線,跨越長江入海口。崇明線工程的地理位置示意圖如圖1所示。崇明線工程線路長約40.82 km,共設(shè)8座地下站,線路設(shè)計(jì)速度為120 km/h。

圖1 崇明線工程地理位置示意圖

本文研究的范圍為崇明線工程的崇明島陸域段地下盾構(gòu)區(qū)間(以下簡稱“崇明地下段”),具體范圍為3#大小盾構(gòu)轉(zhuǎn)換井—陳家鎮(zhèn)站—東灘站—高架起點(diǎn)。崇明地下段采用的盾構(gòu)管片直徑為6.9 m,環(huán)寬為1.5 m。崇明島為長江入海口沖積形成,為我國第三大島,地質(zhì)條件特殊而復(fù)雜。擬建場地在20 m深度范圍內(nèi)有飽和的可液化砂質(zhì)粉土層,面臨著地震作用下的破壞及上浮等風(fēng)險(xiǎn)。

2 模型的參數(shù)選取及驗(yàn)證

本研究使用Plaxis2D軟件來進(jìn)行數(shù)值模擬,其中,可液化的砂質(zhì)粉土層采用UBC3D-PLM本構(gòu)模型,上覆粉質(zhì)黏土層及下部黏土層采用M-C(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型,隧道采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。

2.1 本構(gòu)模型參數(shù)的選取

材料主要參數(shù)如表1所示。

表1 材料主要參數(shù)

UBC3D-PLM模型是一個(gè)非線性彈塑性模型,能通過捕捉砂土或黏土的地震液化行為來累積塑性應(yīng)變和孔隙水壓力。該本構(gòu)模型在本文數(shù)值模擬中所采用的其他參數(shù)按照關(guān)聯(lián)公式推出。關(guān)聯(lián)公式如表2所示[7,10-13]。

表2 校準(zhǔn)參數(shù)UBC3D-PLM模型的關(guān)聯(lián)公式

2.2 模型驗(yàn)證

本文通過對(duì)實(shí)際工程的數(shù)值模擬來驗(yàn)證模型的可靠性和有效性。

1971年美國加利福尼亞洲San Fernando地區(qū)發(fā)生6.6級(jí)大地震。San Fernando大壩地基場地的基巖為膠結(jié)不良的礫巖或粗粒砂巖,在地震作用下發(fā)生土體液化,導(dǎo)致大壩主體被破壞,出現(xiàn)潰壩現(xiàn)象。本文選擇San Fernando大壩液化潰壩的實(shí)際工程案例,根據(jù)大壩實(shí)際土層和尺寸進(jìn)行數(shù)值建模。

San Fernando大壩主要土層包括基巖、沖積土、水力沖填土及黏土心墻。San Fernando大壩模型尺寸如圖2所示。大壩整體跨度為100 m,高度為25 m,坡度為1∶2;基巖整體長度為300 m,高度為10 m。通過在模型底部設(shè)置線位移和位移乘子來模擬大壩所受的地震作用。使用El-Centrol加速度譜施加激勵(lì),峰值加速度為0.6g(g為重力加速度)。模型兩側(cè)為自由場約束,底部為固定約束。大壩上游水位為15 m,下游水位為-1 m。

圖2 San Fernando大壩數(shù)值模型尺寸

大壩各處表面位移的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比如圖3所示。由圖3可見,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果數(shù)值相差不大,二者規(guī)律基本吻合。這說明UBC本構(gòu)模型能較好模擬出砂土液化的現(xiàn)象,能對(duì)砂土地基液化中的結(jié)構(gòu)物變形進(jìn)行分析。

a) 水平位移

3 崇明線工程的建模與計(jì)算

3.1 模型建立

崇明線工程的數(shù)值模型尺寸如圖4所示。模型長度為75 m,深度為35 m,隧道直徑為6.9 m,模型全局水位線設(shè)置在地表處,隧道和砂質(zhì)粉土地基之間使用默認(rèn)的接觸面來模擬隧道-土之間的相互作用。

圖4 崇明線工程數(shù)值模型尺寸

建模時(shí),Plaxis2D軟件使用15節(jié)點(diǎn)三角形平面應(yīng)變單元自動(dòng)來創(chuàng)建網(wǎng)格。網(wǎng)格的生成主要考慮土層、結(jié)構(gòu)物、外部荷載及邊界條件。為了平衡結(jié)果精度和計(jì)算時(shí)間,需要?jiǎng)澐趾线m的網(wǎng)格尺寸。由文獻(xiàn)[13]可知,若要準(zhǔn)確模擬動(dòng)力荷載的傳播過程,就需限制網(wǎng)格的平均尺寸。文獻(xiàn)[13]建議,平均單元尺寸Δ應(yīng)小于等于輸入波最高頻率分量相關(guān)波長λ的1/8,即:

(1)

式中:

vs,min——最低剪切波速;

fmax——輸入波最高頻率。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 排水措施的加固動(dòng)力響應(yīng)

為對(duì)比排水措施效果,本文對(duì)比分析了隧道不采取排水加固措施及隧道兩側(cè)采用排水樁加固(僅考慮其排水性能)兩種工況下的模型動(dòng)力響應(yīng)。

Plaxis2D軟件會(huì)根據(jù)應(yīng)力點(diǎn)的超孔壓比來判斷該點(diǎn)是否液化。圖5為崇明線工程可液化層的液化點(diǎn)圖。由圖5可知:不采用排水措施工況下,隧道四周土體液化現(xiàn)象明顯;在隧道兩側(cè)采用排水措施的工況下,僅在上部隧道存在較為密集的液化點(diǎn),排水體周圍幾乎不發(fā)生液化現(xiàn)象。這可以說明采用排水措施有效限制了動(dòng)力荷載作用下可液化層液化現(xiàn)象的發(fā)生。

a) 不采用排水措施工況

在隧道兩側(cè)采用排水樁加固的工況下,可液化土層內(nèi)不同深度位置(P1、P2、P3、P4)處的超孔壓比時(shí)程曲線如圖6所示。P1、P2、P3、P4距隧道的水平距離為12 m,埋深分別為28、18、12、6 m?？梢钥闯?采用排水加固措施后,可液化土層內(nèi)僅在淺層發(fā)生了較大的超孔壓累積,而隧道深度附近可液化層內(nèi)的孔壓比上升較慢。

圖6 采用排水樁措施工況超孔壓比時(shí)程曲線

在隧道同一深度的可液化地層中,選擇距一側(cè)排水樁的不同距離s(s取2、4、6、8 m)設(shè)置觀測點(diǎn),最終得到不同s處的超孔壓時(shí)程曲線,如圖7所示。

圖7 不同s處的超孔壓比時(shí)程曲線

由圖7可見:隨著s的增大,超孔壓比的峰值開始逐漸增大,分別對(duì)應(yīng)0.40、0.55、0.90和1.00;當(dāng)s=6 m時(shí),超孔壓無明顯消散過程;s=2 m和s=4 m處的超孔壓比峰值較小,而s=6 m和s=8 m處的超孔壓比峰值明顯增大。這說明排水措施具有抗液化作用,且在s≤4 m范圍內(nèi)的作用效果明顯。

3.2.2 不同動(dòng)力荷載強(qiáng)度下的動(dòng)力響應(yīng)

為分析不同強(qiáng)度動(dòng)力荷載下的可液化地基動(dòng)力響應(yīng),本文設(shè)計(jì)了加速度峰值不同的4種動(dòng)力荷載,其加速度峰值a分別為0.05g、0.10g、0.20g和0.30g。本文對(duì)典型的P1、P2及P4處超孔壓比進(jìn)行分析,得到不同a下不同深度處的超孔壓比時(shí)程曲線如圖8所示。

a) P1處

由圖8可見:a= 0.05g時(shí),可液化土層在各深度處超孔壓比于20 s左右達(dá)到峰值;a=0.10g時(shí),在7 s左右超孔壓比達(dá)到峰值;a= 0.20g及a= 0.30g時(shí),在2.5 s左右超孔壓比達(dá)到峰值;不同動(dòng)力荷載強(qiáng)度下的超孔壓比峰值基本相同,其中上部土層中超孔壓比峰值達(dá)到1.24,中部土層中超孔壓比峰值達(dá)到1.22,下部土層中超孔壓比峰值達(dá)到0.93。說明不同動(dòng)力荷載強(qiáng)度條件主要對(duì)超孔壓積累和增長模式產(chǎn)生有影響,隨著a的增大,超孔壓累積的速率越快,超孔壓比達(dá)到峰值的時(shí)間就越短。

a為0.05g、0.10g和0.20g工況之間的超孔壓累積速率差異明顯:a=0.20g和a=0.30g整體差異較小;a超過0.20g后,可液化層超孔壓比積累增長規(guī)律基本一致。這表明:動(dòng)力荷載強(qiáng)度低于某一閾值時(shí),動(dòng)力荷載強(qiáng)度就不足以使得可液化土層的超孔壓達(dá)到峰值,但隨著動(dòng)荷載強(qiáng)度的增大,可液化土層超孔壓比達(dá)到峰值的時(shí)間越短;而動(dòng)力荷載強(qiáng)度達(dá)到某一閾值后,可液化土層超孔壓比累積增長規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論

1) 利用Plaxis2D巖土工程有限元分析軟件,建立UBC3D-PLM本構(gòu)模型,可有效模擬可液化地層中的孔壓動(dòng)力響應(yīng)。

2) 隧道兩側(cè)采用排水樁加固措施,能有效限制動(dòng)力荷載作用下可液化土層發(fā)生液化現(xiàn)象,且在排水設(shè)施一定范圍內(nèi)的防液化作用效果顯著。

3) 動(dòng)力荷載強(qiáng)度對(duì)超孔壓積累和增長模式有較大影響。當(dāng)a達(dá)到0.20g后,可液化土層超孔壓比累積增長規(guī)律基本一致,均在2.5 s時(shí)達(dá)到完全液化狀態(tài),并且超孔壓比隨著振動(dòng)荷載作用時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定。