李 漪，謝文濤，王紅偉，彭 斌，曹偉騰

(1. 湖北省電力規(guī)劃設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2. 中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074 )

0 引言

城市建設的迅猛發(fā)展對地下空間開發(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)墻具有抗側剛度大、強度高、防滲性能好以及施工時對周圍環(huán)境影響小等特點，在城市深基坑工程中應用越來越多[4-6]。另外，我國存在23 條大型地震帶，由于地震發(fā)生的隨機性和難預測預報使地震頻發(fā)區(qū)開挖施工的基坑工程隨時面臨地震的威脅。因此，開展地震作用下基坑工程抗震設計和施工研究具有重要的現實意義[7-8]。

對于基坑地下連續(xù)墻結構，國內外學者主要針對靜力作用下穩(wěn)定性進行相關研究，并取得了重要研究成果。APAI[9]等采用彈塑性有限元法對地下連續(xù)墻壁厚和開挖順序對地面位移和墻身位移進行了研究。柏國利[10]基于現場實測數據，分析了陽邏大橋超大型地下連續(xù)墻的變形特點和受力性能。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。針對南京長江大橋環(huán)形地下連續(xù)墻，白雪濛[12]結合數值和監(jiān)測分析，發(fā)現地下連續(xù)墻主要以環(huán)向受力為主，圍護樁的土拱效應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)墻運行安全。裴穎潔[13]等考慮了圍護結構與土體的相互作用，分析了地下連續(xù)墻與上部結構不同連接方式對墻體的內力和變形影響機理。

目前關于地下連續(xù)墻在動力作用下響應規(guī)律研究較少。馬學寧[14]等開展了地下連續(xù)墻基坑小型振動臺試驗，系統(tǒng)研究了不同施工階段和插入比對地下連續(xù)墻位移和加速度響應特性。韓淋臣[15]運用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。總結得到墻體彈性模量和厚度對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]研究了強震作用下不同地下連續(xù)墻插入比對地連墻的地震反應特性。結果表明，插入比越大，基坑內土體在地震作用下不同時刻的隆起值明顯減小。盡管已有學者開展了地下連續(xù)墻地震響應研究，但其力學機理仍然不清。

綜上，在現有的基坑圍護結構設計規(guī)范以及學者們研究中，地震作用下地下連續(xù)墻工作機理和抗震性能方面研究較少，相應地也沒有一種普適性圍護結構抗震設計方法。本文以武漢某基坑地下連續(xù)墻為例，運用FLAC2D 軟件，設計了地震作用下基坑應力和變形模擬方法，設置黏性邊界，對基坑地下連續(xù)墻進行地震動力響應分析。

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行地震響應分析。根據GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》要求，雨污管道抗震設防類別屬于重點設防區(qū)域，應按七度烈度采取抗震措施。另外，本場地分布有砂土，在振動荷載作用下容易產生液化，影響管槽基坑的穩(wěn)定性。因此，必須對管槽基坑及其圍護結構進行地震響應分析?；幽Ｐ腿鐖D1 所示。

圖1 管槽基坑數值模型

在該模型中，開挖深度為10 m，基坑寬度為10 m。按照GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》，管槽基坑安全等級為1 級，基坑支護采用地下連續(xù)墻+2 層橫向支撐圍護結構?；陟o力穩(wěn)定性要求(安全系數大于1.1)，設計了地下連續(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)墻支護應力和變形情況?？紤]2 種類型的砂土進行分析。一種是松砂，標準貫入錘擊數N＜10；另一種是密砂，標準貫入錘擊數N＞30。2 種砂土的數值計算參數見表1所列。

表1 砂土計算參數

砂土和地下連續(xù)墻的接觸通過FLAC2D 自帶的接觸單元進行模擬。接觸單元參數主要有摩擦角、法向剛度和剪切剛度。接觸的摩擦角被設置為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)計算[17]。

式中：Δzmin是接觸相鄰網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。

由于圍護結構是在靜載荷作用下設計并滿足規(guī)范安全性要求。然而，圍護結構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基坑圍護結構穩(wěn)定性的影響研究。通過工程類比，以及地下連續(xù)墻設計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，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。

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

1.3 地震波選取與調整

為了評價地震作用對地下連續(xù)墻應力和變形的影響，考慮3 種常見地震波形汶川、Whittier Narrows 和Northridge 地震時程曲線。圖2 顯示了3 種地震波加速度時程曲線。從圖中可以看出，汶川波的加速度最大，而作用時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。汶川地震的斷層錯動時間達到了22.2 s，最大加速度達到0.9g。

圖2 汶川、Whittier Narrows和Northridge地震波時程曲線

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

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

基于圖2，3 種地震波時程曲線，繪制了Arias 強度隨時間的變化曲線，如圖3 所示。從圖中可以看出汶川地震波比其他2 次地震波對場地的作用時間更長?？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)墻的地震響應特性，并取顯著持續(xù)時間段進行加載和分析。

圖3 三種地震波Arias強度與時間關系

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

表2 模擬計算過程

2 數值結果與討論

基于采用的數值模擬方法和步驟，開展了汶川地震波下地下連續(xù)墻響應模擬研究。在地下連續(xù)墻墻體每隔1 m，取一個點，總共21 個點，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，在整個地震波作用下，彎矩變化劇烈。在18 280 次動態(tài)循環(huán)時彎矩最大，最大值為1 375.7 (kN·m)/m。此外，任意時刻都未記錄到負彎矩，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)時出現最大剪力，剪力值為483 kN。另外，在第4 910 次循環(huán)時觀察到最小剪切力，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 地震波作用位置對地下連續(xù)墻彎矩影響

為了研究不同深度施加地震波對地下連續(xù)墻支護結構的影響，模擬了汶川地震波施加位置為30 m、60 m 和90 m 時地下連續(xù)墻應力和變形行為。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，彎矩和剪力分布復雜。彎矩在6 m 深度以上，小幅波動，超過6 m 后，急劇增加；在深度12 m 時，達到最大值，而后急劇減小到0。對于剪力來說，在深度6 m 以上位置，剪力小幅波動；超過6 m 時，急劇增加，在深度8 m 時，達到最大值，而后急劇減小，在深度14 m 位置時，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近似，但數值變化較大。另外，在地震作用下，地下連續(xù)墻的彎矩和剪力分別達到靜力分析的2.8 倍和2.7 倍。當作用位置由深度30 m 提高到60 m，最大彎矩和最大剪力分別減少約24%和19%。而當深度由60 m 增加到90 m 時，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，對墻體的破壞作用越大。

圖6 地震波作用位置對地下連續(xù)墻剪力影響

開展了不同砂土地層下地震波對地下連續(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的剪力值明顯高于松砂。當安裝6 m 深度的支撐時，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 次動態(tài)循環(huán)次數下，橫向支撐出現最大軸向力，最大值為1 037 kN。此外，當動態(tài)循環(huán)次數達到124 000 次時，觀察到軸向支撐力的波動減弱。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)軸力和最大動態(tài)軸力。從表中可以看出，相同土層中，地震波越遠離支撐位置，Fse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，Fse/Fst最大達到17.42。這表明地震作用下支撐軸力遠大于靜力狀態(tài)下軸力，嚴重威脅橫向支撐的安全。另外，支撐軸力的設計值為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，應該考慮地震對圍護結構的影響。

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 不同動態(tài)循環(huán)次數下橫向支撐軸力變化

3 結論

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

1)基于FLAC2D 有限差分軟件，提出了一種基坑地震響應快速模擬方法。

2)研究了地震波作用位置和地層類型對地下連續(xù)墻地震響應規(guī)律。結果表明，地震波越接近于地下連續(xù)墻時，墻體彎矩和剪力越大，對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)，基坑設計應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；預埋鋼板等措施。