液化土层注浆加固对地下车站抗震性能的影响

2021-03-18邹明

运输经理世界 2021年4期

邹明

（中铁第五勘察设计院集团有限公司城轨院，北京102600）

0 引言

地铁具有运输量大、快捷、安全、低耗能、少污染等优点，能有效地缓解城市交通的压力。但是，地震对地下结构的影响大，一旦造成破坏产生的后果非常严重。

1995年阪神地震对地铁车站造成严重的破坏，引起学者们对地铁车站及地下结构抗震的关注和重视[1]。洑旭江等[2]通过反应位移法、反应加速度法和时程分析法对比不同地震动强度和结构刚度及顶板埋深等因素对地下结构地震弯矩的影响；张鹏、马振庭、庄海洋、吕娇娇等[3]采用地震系数法、反应位移法、时程分析法等多种方法研究地铁车站的受力情况；李晟等研究发现圆形中柱比方形中柱有更好的抗震性能；宋林等研究对比了地下车站在水平和竖向地震作用下的变形特点；刘晶波等对比多种方法研究发现反应加速度法与动力时程分析法在常见地下结构环境条件下有更好的适用性和计算精度；庄海洋等通过对两层双柱岛式地铁车站结构的模拟发现，站在侧墙和顶板、中板和底板的连接处会发生动应力集中现象。

本文以某标准地下两层车站为例，使用MIDAS大型岩土隧道有限元软件GTS进行模拟，通过时程分析法计算比较液化土层注浆加固处理对地下车站抗震性能的影响，并进行综合分析。

1 车站概况

车站结构标准断面为地下两层三跨框架结构，安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。围护桩为永久结构，设计使用年限为100年。抗震设防烈度为8度（0.3g），设计地震分组为第二组，基本地震加速度值为0.30g，场地类别为III类，特征周期为0.4s，基岩面埋深83m。

车站所在的主要地层有1-1杂填土层、2-2粉细砂层、4-1粉质黏土层、5黏质粉土砂质粉土层、5-1黏质粉土层、5-2粉细砂层、7粉质黏土层、7-3粉细砂层等；5-2细砂层存在土层液化，液化指数为1/3。

2 车站计算模型

取车站标准段二维模型进行时程计算分析，使用MIDAS大型岩土隧道有限元软件GTS进行建模。模型的动力平衡方程为

式（1）中：M表示刚度矩阵；C表示质量矩阵；K表示阻尼矩阵；表示加速度；˙表示速度；u表示位移；ft表示地震荷载。

2.1 土层参数

车站所在场地土层主要是粉质黏土、黏质粉土、粉细砂，在模型中对土层进行适当归并，归并后土层参数如表1所示。

表1 车站场地土层信息

2.2 计算模型

分别建立各土层的二维模型，液化土层的弹性模量折减至1/3；车站建立一维的梁单元进行模拟；考虑围护结构对液化土层的影响，建立二维单元对围护结构进行模拟。

模型上边界取至地表，下边界至基岩，横向取三倍结构宽度，模型尺寸为141.6m×83m。在模型竖向边界添加一维自由场单元，底部边界添加固定约束。模型如图1所示。

2.3 地震动的输入

计算E3（2450年一遇）的地震作用，根据地震安评报告分别输入三个地震动时程波。原始地震动时程图如图2所示。

3 计算结果

3.1 原场地计算结果

用层间位移来表示车站的变形情况，图3给出了地层未进行液化处理时的车站结构横向位移云图，可以看出，E3地震作用下，车站顶板的位移最大，底板位移最小。负一层层间位移分别为25.8mm、26.4mm、32.5mm，负二层层间位移分别为50.7mm，56mm，70.2mm。

3.2 注浆加固计算结果

对车站附近的液化土层进行注浆加固，注浆加固范围为3m，对相应网格的土层参数不折减来模拟加固效果，其余液化土层折减1/3，计算结果如图4所示。可以看出，最大位移位于车站顶板，底板位移最小。负一层层间位移分别为25.3mm、25.9mm、31.7mm，负二层层间位移分别为43.3mm、48.6mm、58.9mm。与原场地相比，车站的层间位移角减小，说明注浆加固有一定的效果。

3.3 结果分析

参考表2分别对比车站两层的变形情况，可以看出，对地层进行注浆加固后，车站的变形总体上呈现减小趋势：在三种地震条件下，负一层的位移分别减小了1.93%、1.89%和2.46%。负二层的位移分别减小了14.6%、13.2%和16.1%（见图5）。注浆加固措施对减小车站负二层的变形有明显效果，而对负一层的效果较弱。