基于反滤原理的地下结构抗液化处理方法

陶连金，索新爱，刘春晓

(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124；2.北京城市交通协同创新中心,北京 100124)



基于反滤原理的地下结构抗液化处理方法

陶连金1,2，索新爱1,2，刘春晓1,2

(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124；2.北京城市交通协同创新中心,北京 100124)

针对强震下土层液化极大破坏地下结构的问题，按照反滤层原理，在地下结构与液化砂土间设置碎石层，应用FLAC3D有限差分软件，分析不同工况下液化场地下结构的动力响应特征。结果表明：结构周围设置碎石层对液化场地地下结构有很好的抗液化效果。在一定范围内，随着碎石层厚度和层数的增加，抗液化能力更加明显。

地下结构； 抗液化方法； 反滤原理； 动力响应

0　引　言

随着城市化进程的加速，城市人口迅速膨胀，地铁工程作为缓解城市交通的重要措施，其抗震问题成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要组成部分。随着地下空间开发利用规模的不断扩大，地铁地下结构的建设有时不可避免地穿越可液化地层[1]。国内外的一系列大地震表明，软土地基会增大地震作用的破坏程度，砂性土液化将直接影响地震时地铁地下结构遭受到地震作用的大小和方式，进而对地铁地下结构的破坏形式有着重要影响，同时，也会造成周围地表地面结构的间接地震破坏。为此，笔者按照反滤层设计原理，对液化场地下地铁车站结构周围设置不同形式的碎石层，通过数值模拟分析不同厚度、不同层数碎石层工况下液化场地下结构的动力特征变化，研究其对结构抗液化效果的影响。

1　反滤层在地下结构抗液化中的应用

1992年，太沙基对理想的无黏性粒子(玻璃球)进行各种堆积实验和推理后，提出了反滤层设计准则，如式(1)、(2)所示。

D15/d85≤4～5，

(1)

D15/d15≥4～5，

(2)

其中，D、d分别代表反滤料、被保护土的粒径，下标数表示比该粒径小的土料占全部土料的质量分数。

选择第二层反滤料时采用相同准则，只是以第一层反滤料作为被保护土体，其余类推。

依据式(1)、(2)，在地下结构有液化情况的位置设置单层或多层碎石层，形成反滤层结构，碎石层的渗透系数较周围土体和结构大，在振动过程中碎石层内的超孔隙水压力为零，水进入管道后即刻被排走，在实际施工时可以在碎石层下部纵向设置排水管或排水地沟，起到“滤土排水”的功能[2-4]，地下结构反滤层布置情况如图1所示。

图1　地下结构反滤层布置

Fig.1Layout of inverted layer around underground structure

2　液化场地下结构数值模拟实验

2.1模型建立及土层条件

以某地铁车站为研究背景，静水位与结构顶部齐平，动力渗流计算模型采用Finn模型，流体模量20 MPa，流体密度1 000 kg/m3[5]。

数值分析时对车站模型进行适当简化，假定土体为各项同性、均匀的理想弹塑性体，各土层均呈匀质水平层状分布，模型尺寸如图2所示。简化后各土层厚度及物理力学参数如表1所示，动力分析所采用的流体参数如表2所示。

a　模型尺寸

b　地铁车站结构

表1　砂土试样土层参数

表2流体及液化参数

Table 2Parameters of fluid and liquid used in dynamic analysis

属性本构模型k/cm·s-1nζ液化模型杂填土fl_iso0.0800.500.157Finn粉土 fl_iso0.0690.480.157Finn砂土 fl_iso0.0690.480.157Finn砾土 fl_iso0.0580.480.157Finn

选择某场地地震波的加速度原始记录作为液化场地下地震反应分析的地震动，地震动加速度-时程曲线如图3所示，截取其含有峰值加速度的近场地震动地震波的前20 s时程进行动力计算，设计基本地震加速度值0.1g。

图3　输入地震动加速度时程曲线

Fig.3Input ground motion acceleration time history curve

为能更好地反映土与地下结构相互作用地震响应规律，通过Midas-GTS建立1∶1比例的实体模型[6]，通过有限差分软件FLAC3D分析0.1g下模型反应。地铁车站主体横断面尺寸为22.10 m×13.67 m，深度取1.0 m。顶板厚度为0.8 m,中板厚度为0.4 m，底板厚度为0.9 m，侧墙厚度为0.7 m，中柱厚度为0.8 m，顶板上覆土厚度3.7 m。在计算精度满足要求的条件下，模型尺寸选定为154.1 m×63.6 m×1.0 m，网格划分7 768个节点，16 926个单元，结构参数如表3所示。

表3　结构参数

2.2计算工况

2.2.1碎石层厚度对抗液化效果的影响

在假定碎石层物理力学性能相同的情况下，改变碎石层厚度(1、2、3、4 m)，分析其对液化场地下结构抗液化效果的影响，设计工况对应为工况1、2、3、4，碎石层力学参数如表4(第一层)所示。

表4　碎石层力学参数

2.2.2碎石层层数对抗液化效果的影响

假定碎石层每层厚度为2 m的情况下，依据“反滤原理”，改变碎石层的力学参数(表4)，分析布置不同碎石层层数(1层、2层)对液化场地下结构抗液化效果的影响，设计工况分别对应为工况5、6。

2.3结果分析

2.3.1加速度

在结构左侧墙沿模型竖向均匀布置监测点，如图2所示，在输入地震动作用下，六种工况下结构各监测点的加速度放大系数N和减小幅度A(与初始模型放大系数Nc相比)见表5。

表5　加速度放大系数

由表5可知，与初始结构的加速度-时程相比，在结构周围设置碎石层对结构的动力响应有减弱效果。随着碎石层厚度和层数的增加，结构动力响应减弱效果逐渐明显。

2.3.2应力

输入水平方向地震动后，结构侧墙和中柱顶板、中板及底板处水平应力幅值σu和最大主应力幅值σmax如图4所示。侧墙和中柱的混凝土等级为C40，混凝土的轴心抗压强度设计值为19.1 MPa[7]。

a　水平应力幅值

b　最大主应力幅值

Fig.4Horizontal stress and maximum principal stress amplitude

由图4可知，不同碎石层厚度对结构应力有一定的减弱效果，随着碎石层厚度的增加减弱效果呈整体递增趋势，当碎石层厚度为4 m时，结构应力的减小幅度最大。

2.3.3结构位移

由于地层的不均匀性等多种因素影响，在水平地震动作用下不同埋深处车站结构的振幅不同,地下结构顶板与底板之间产生水平相对位移，从而在结构中产生很大的弯矩和剪应力，使得车站结构在地震作用下产生剪切破坏[8]。

图5为碎石层水平相对位移。由图5可知，随着碎石层厚度和层数的增加，结构顶板和底板的水平相对位移s逐渐减小。说明结构的水平相对位移与碎石层厚度和层数是有关的，在一定范围内增加结构周围碎石层厚度和层数会减小结构在地震动作用下的水平相对位移，从而能减轻结构破坏的程度。

a　不同碎石层厚度

b　不同碎石层层数

2.3.4孔隙压力

图6为初始模型结构近处、远处有效应力-时程曲线。

a　结构近处

b　结构远处

Fig.6Effective stress history of near and far points from structure of initial model

图7、8为碎石层工况下结构近处、远处有效应力-时程曲线。由图7和8可知，随着动荷载时间的延续，孔隙压力增大，有效应力σe逐渐减小；相对远处，结构近处有效应力降低速度较为缓慢，最终残余有效应力较大；在结构近处，随着埋深的增加，有效应力增大；随着碎石层层数和厚度的增加，结构近远处有效应力降低速度有所放缓，且最终残余有效应力增大。

a　工况1　　　　　　　　　　　　　　　　b　工况2　　　　　　　　　　　　　　　　c　工况3

d　工况4　　　　　　　　　　　　　　　　e　工况5　　　　　　　　　　　　　　　　f　工况6

a　工况1　　　　　　　　　　　　　　　　b　工况2　　　　　　　　　　　　　　　　c　工况3

d　工况4　　　　　　　　　　　　　　　　e　工况5　　　　　　　　　　　　　　　　f　工况6

3　结　论

基于反滤原理，对液化场地下结构，采用输入水平方向地震波，进行数值模拟实验。得到如下结论：

(1)随着结构周围碎石层厚度和层数的增加，结构水平相对位移逐渐减小。

(2)随着碎石层厚度和层数的增加，结构水平应力幅值和最大主应力幅值逐渐减小。在结构周围设置碎石层后，结构的应力响应有减弱效应。

(3)在结构周围设置碎石层能有效降低结构周围的水压，改变结构远处液化场地分布，避免结构近处产生液化。

[1]刘光磊，宋二祥，刘华北.可液化地层中地铁隧道地震响应数值模拟及其试验验证[J].岩土工程学报,2007,29(12):1815-1822.

[2]赵伯明，蒋英礼，陈靖.软土地铁车站结构在三维强地震动作用下的响应分析[J].中国铁道科学，2009,30(3):45-50.

[3]黄春霞.碎石桩复合地基抗液化性能试验研究[D].北京：北京交通大学，2005.

[4]YOSHIMI Y,TOKIMATSU K T.Settlement of buildings on saturated sand during earthquakes[J].Soil and Foundations,1977,17(1):23-38.

[5]何剑平，陈卫忠.地下结构碎石排水层抗液化措施数值试验[J].岩土力学,2011,32(10):3177-3184.

[6]陶连金，闫冬梅，李积栋，等.地铁车站长距离密贴下穿既有隧道结构的地震响应[J].黑龙江科技大学学报,2014,24(3):301-305.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[8]王刚，张建民，魏星.可液化土层中地下车站的地震反应分析[J].岩土工程学报,2011,33(10):1623-1627.

(编辑王冬)

Anti-liquefaction treatment method for underground structure based on principle of anti-filtration

TAO Lianjin1,2，SUO Xin’ai1,2，LIU Chunxiao1,2

(1.Key Laboratory of Urban Security &Disaster Engineering，Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Center of Cooperative Innovation for Beijing Metropolitan Transportation,Beijing 100124,China)

This paper proposes a method aimed at oil liquefaction responsible for the great destruction to which underground structures are subjected,as in the case of strong earthquakes.This method involves arranging a gravel drainage layer between the structure and the liquefied sand using the principle of the anti-filter layer;and analyzing the dynamic response characteristics of underground structures in the liquefaction site using FLAC3Dfinite difference software as calculating dynamic time history analysis tool.The results show that the solution affords a good anti-liquefaction effect on the underground structure of the liquefied ground,especially when gravel layers are of an increasing thickness and more layers.

underground structure;anti-liquefaction method;inverted-filter principle;dynamic response

2016-04-18

国家自然科学基金项目(41272337)；北京市自然科学基金重点项目(8111001);国家自然科学基金创新研究群体项目(51421005)

陶连金(1964-)，男，黑龙江省鸡西人，教授，博士，博士生导师，研究方向：岩土及地下工程，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.005

TU352.1;TU354

2095-7262(2016)03-0256-06

A