软土地基明挖矩形框架隧道动力响应及震陷加固分析

卫轶科

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆 400067)

软土震陷指在地震作用下软土变形模量减小，土体呈现软化现象，从而导致土层产生附加变形。震害研究表明[1-2]：软土震陷往往会引发结构物的倾斜、裂缝，甚至引起结构物、道路以及生命线工程的破坏，造成巨大损失。国内外学者主要从以下3个方面进行了研究：一是软土变形特性和震陷模型方面，Yasuhara等[3]对软土进行了循环荷载下三轴排水试验，认为最终应变由载荷增量比和反复荷载的频率所控制；于洪治[4]认为土体的震陷与土质、初始侧限应力、初始偏应力和振动荷载等有关；Seed等[5]对几种软粘土的试验研究发现，经动应力往返作用下，土样的孔隙水压力升高，抗剪强度减小，刚度随之下降，表现出明显的软化现象；张虎臣[6]在对淤泥地基地震触变的研究中发现，在Ⅶ度及以上地震时，淤泥可能受振触变，其抗剪强度衰减1/2以上，承载力急剧降低；郁寿松等[7]明确了震陷定义，并通过动三轴试验总结了土壤震陷的主要影响因素；孟上九等[8]采用不规则荷载下土的残余应变模型及土体逐步软化模型，提出了建筑物不均匀震陷二维有限元分析方法。二是软土震陷对结构的影响方面，卢慈荣等[9]选取等价连续化模型，将隧道视为粘弹塑性地基上的连续梁，分析了盾构法隧道在不均匀震陷下的纵向受力特性；郑晓等[10]对地震荷载作用下CFG桩复合地基的数值分析表明，在一定置换率范围内，随着复合地基置换率的提高，建筑物的震陷值随之减小；董鹏等[11]在软土室内动力试验和有限元有效应力动力反应分析方法的基础上，引进可靠度理论，提出了软土地下建筑物抗震稳定可靠性分析方法；陈国兴等[12]开展了软弱粉质黏土场地框架式地铁车站结构体系的大型振动台模型试验，发现地下结构对软土地基地震动加速度反应的影响具有显著的空间效应。三是软土地基的处治方面，龙朝阳[13]分析了软土地基中浆喷桩工艺参数的理论与实际数据之间的差异，并对关键施工工艺进行了梳理；于晓东[14]、蒋科[15]研究了抛石挤淤法、水泥搅拌桩法、强夯法等在软土地基中的应用。

综上所述，关于软土震陷机制及软土地基处理技术，众多学者开展了较为广泛的研究，但针对穿越软土地层隧道的动力响应及其加固处理方面的研究却相对缺乏。本文以某一穿越软土地层的明挖矩形隧道为例，建立三维模型分析隧道的动力响应特性，并对裙边加固及桩基础加固的参数进行研究分析，以期为穿越震陷软土隧道的抗震设计提供参考。

1 震陷性软土有限元计算

1.1 模型建立

结合实际工程，采用有限差分软件FLAC3D建立三维模型，如图1所示，纵向长度(Y方向)取40 m，中部13.4 m为震陷性软土，厚度(Z方向)为40 m，两侧为非震陷性土层。 地层、隧道结构及维护结构采用六面体单元模拟，桩基础采用Pile单元模拟，明挖段通道结构和底部基岩均采用线弹性本构模型，震陷性软土采用应变软化本构模型，周围土层采用摩尔-库伦本构模型。

(a) 模型边界设置

单位：m

计算时，先进行重力平衡得到模型的初始地应力场，然后进行巷道开挖，最后在模型底部分别沿横(X轴)、纵(Y轴)、竖(Z轴)3个方向输入地震波进行动力时程模拟。重力平衡时需限制模型边界水平方向运动和底部X、Y、Z方向的位移。动力分析时，模型四周采用无反射边界，底部采用静态边界，从而消除地震波在边界处反射对计算结果的影响，模型采用瑞利阻尼，阻尼比取5%。

1.2 模型计算

1) 本构模型及力学参数

已有研究表明，土体发生震陷主要是由土体经历循环剪切后力学参数弱化引起。为反映震陷土力学参数弱化的特性，计算中采用了应变软化本构模型，该模型假设土体在弹性阶段应力应变关系为线性，当达到屈服应力后，应力会随着应变增加而逐渐减小，应变值为弹性应变和塑性应变的和。数值模型中除考虑隧道本身及桩基础和裙边加固措施外，还应考虑明挖法施工期间施作的直径850 mm、深度为12 m的SWM桩。岩土体参数如表1所示，结构力学参数如表2所示。

表1 软土物理力学参数

表2 结构力学参数

2) 输入地震动

根据工程场地地震安全性评价报告，计算采用的地震模型为广东省地震工程勘测中心提供的50年超越概率2.5%，地震动峰值加速度为3.998 cm/s2的地震波，分别沿X、Y、Z方向输入，振动持时40.96 s，地震波波形如图3所示。

2 隧道动力响应特性分析

对软土震陷区采用裙边加固和桩基础加固，分别在有无加固措施2种情况下进行三维动力计算，分析地层及隧道结构的动力响应特点，在地表及隧道结构关键点处设置监测点用于监测位移和应力，监测点布置如图4所示。

(a) 横向(X)地震动

(b) 纵向(Y)地震动

(c) 竖向(Z)地震动

(a) 地表监测点

(b) 结构关键位置监测点

2.1 地层位移响应分析

提取各监测点所得数据，地表位移时程曲线和沉降曲线如图5、图6所示。从图5可以看出，未采取加固措施与采取加固措施2种条件下，地表位移时程曲线有所不同，非震陷土体基本围绕原位置上下波动，而震陷土体则随着地震波振动的同时，逐渐下降并产生震陷。从图6可见，未加固条件下，震陷性土与非震陷性土的最终沉降值分别为5.28 cm、1.79 cm；采取加固措施后，震后沉降值降为3.16 cm、1.32 cm。由此可知，地震作用下震陷性土发生明显沉降，而非震陷性土沉降量相对较小，采取加固措施可以显著减小由于震陷导致的地表沉降。

(a) 非震陷软土

(b) 震陷软土

图6 地表沉降曲线

2.2 结构轴向应力响应分析

提取隧道结构上各监测点轴向应力绘制其沿隧道纵向的分布曲线如图7、图8所示。

(a) 隧道顶板

(b) 隧道侧墙和底板

(a) 隧道顶板

(b) 隧道侧墙和底板

从图7(a)和图8(a)可知，隧道顶板各监测点轴向应力沿隧道纵向分布规律相同，且在震陷附近区域的轴向应力较其他区域的轴向应力较大，隧道顶板①号监测点在沿通道纵向20 m处(即震陷区域中间处)达到最大值，未加固和加固2种条件下其值分别为2.7 MPa和2.3 MPa，可见地震中隧道顶板中心处受到较大轴向应力作用，是受力薄弱位置。隧道侧墙在2种条件下的轴向应力均较小，约为0.2 MPa且沿隧道纵向变化不大。隧道底板各监测点应力分布各有不同，应力最值既存在拉应力也存在压应力，其中监测点⑥在沿通道纵向20 m处(即震陷区域中间处)达到最大值，未加固与已加固条件下分别为1.29 MPa和1.27 MPa。

对比图7和图8可以发现，采取加固措施后结构轴向应力有所减小，其中顶板中点应力减小最为明显，底板⑥号监测点最值略有减小，但其轴向应力沿隧道轴向的分布发生改变，整体上有所下降。

3 加固措施和深度的影响分析

3.1 加固工况

为进一步分析不同加固措施及加固深度的影响，在计算模型中，通过改变裙边加固深度及桩基础的长度，探究加固深度对地层及结构地震响应特性的影响。分别设置如表3所示的5种工况进行对比分析，其中，工况1、4、5的桩基础深度穿越了震陷性软土层并嵌入基岩内部，且其桩基础深度不变，裙边加固深度依次提高，工况1、2、3的裙边加固深度不变，桩基础加固深度依次降低。

表3 加固工况

3.2 计算结果分析

根据2.2节中的分析，地震作用下隧道顶板和底板处的①号和⑥号监测点的轴向应力反应最大，是结构受力不利部位，因此，提取不同工况下沿隧道纵向地表沉降数据及①号和⑥号监测点的数据进行简化分析，结果如图9、图10所示。

由图9可发现，工况2和工况3震陷区地表最终沉降量较大，其中工况3加固效果最差，最大地表沉降值为3.9 cm，工况2次之，地表沉降值为3.2 cm；

图9 不同工况下地表沉降曲线

Fig.9 Surface settlement curve under different working conditions

(a) 顶板监测点①

(b) 底板监测点⑥

工况1、工况4和工况5的加固效果明显较好，地表沉降量大大减小，从表3中可以看到，这3种工况均采用长度为30 m的桩基础进行了加固，且桩基础穿过震陷土层嵌入基岩1.5 m，其地表沉降值均较为接近，说明加大裙边加固的深度对降低震陷量作用不大，而采用较深的桩基础加固可取得较好的效果。

由图10(a)可以看出，不同工况下隧道顶板轴向应力反应沿隧道纵向分布规律基本相同，均在震陷区中点达到最大值。在桩基础和裙边加固深度均最小的工况3中，加固效果最差，地震作用下隧道轴向应力极值最大，达到了2.37 MPa；而在桩基础和裙边加固深度均最大的工况5中，加固效果最好，隧道轴向应力极值最小，为2.16 MPa，比工况3小了8.86%。另外，工况1、4、5中，桩基础加固深度不变，随着裙边加固深度依次提高，隧道轴向应力反应极值变化不大；在工况1、2、3中，裙边加固深度不变，随着桩基础加固深度依次降低，隧道轴向应力反应极值变化同样较小。由此可知，不同加固工况下隧道轴向应力反应极值相差不大,这表明隧道基础的加固措施和加固深度对隧道顶板位置的动力响应影响较小。

由图10(b)可以看出，底板监测点⑥所在位置轴向应力表明沿隧道纵向分布规律在不同工况下有所不同，在工况1、4、5三种情况中均采用了长度为30 m的桩基础进行了加固，随着裙边加固深度依次提高，其隧道轴向应力分布仍然较为接近，应力最值也较工况2和工况3小，说明这3种方案加固效果更为显著，且此时增加裙边加固的深度效果并不明显。而在工况1、2、3中，随着桩基础加固深度依次降低，隧道底板监测点⑥处的轴向应力极值逐渐增大，工况1最小为1.1 MPa,而工况3的加固效果最差，达到了1.28 MPa，两者相差14%，这表明桩基础加固深度对隧道底板的动力影响较大。

4 结束语

本文采用应变软化本构模型对穿越震陷性软土区的矩形明挖隧道在地震作用下的动力响应特性及桩基础和裙边加固的参数进行了分析，得出以下结论：

1) 地震发生时，非震陷土体的竖向位移基本围绕原位置振动，而震陷土体随着地震波振动的同时，振点逐渐下降并产生震陷，其中震陷区中点震后沉降值最大。

2) 在震陷区内隧道顶板中心处受到轴向应力最大，应作为抗震设防的重点。

3) 震陷区内隧道侧墙应力较小，且沿隧道纵向变化不大；隧道底板受力较为复杂，可能同时出现较大拉应力和压应力，采取的加固措施对其应力分布有较大影响。

4) 采取桩基础加固震陷性软土地层时，建议桩基础应穿过容易产生软土震陷的地层并嵌入一定深度，可达到良好的加固效果；增加裙边加固的深度效果并不明显，为了控制工程成本，裙边加固深度不宜过大。