液化土層注漿加固對地下車站抗震性能的影響

鄒明

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司城軌院，北京102600）

0 引言

地鐵具有運輸量大、快捷、安全、低耗能、少污染等優點，能有效地緩解城市交通的壓力。但是，地震對地下結構的影響大，一旦造成破壞產生的后果非常嚴重。

1995年阪神地震對地鐵車站造成嚴重的破壞，引起學者們對地鐵車站及地下結構抗震的關注和重視[1]。洑旭江等[2]通過反應位移法、反應加速度法和時程分析法對比不同地震動強度和結構剛度及頂板埋深等因素對地下結構地震彎矩的影響；張鵬、馬振庭、莊海洋、呂嬌嬌等[3]采用地震系數法、反應位移法、時程分析法等多種方法研究地鐵車站的受力情況；李晟等研究發現圓形中柱比方形中柱有更好的抗震性能；宋林等研究對比了地下車站在水平和豎向地震作用下的變形特點；劉晶波等對比多種方法研究發現反應加速度法與動力時程分析法在常見地下結構環境條件下有更好的適用性和計算精度；莊海洋等通過對兩層雙柱島式地鐵車站結構的模擬發現，站在側墻和頂板、中板和底板的連接處會發生動應力集中現象。

本文以某標準地下兩層車站為例，使用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS進行模擬，通過時程分析法計算比較液化土層注漿加固處理對地下車站抗震性能的影響，并進行綜合分析。

1 車站概況

車站結構標準斷面為地下兩層三跨框架結構，安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。圍護樁為永久結構，設計使用年限為100年。抗震設防烈度為8度（0.3g），設計地震分組為第二組，基本地震加速度值為0.30g，場地類別為III類，特征周期為0.4s，基巖面埋深83m。

車站所在的主要地層有1-1雜填土層、2-2粉細砂層、4-1粉質黏土層、5黏質粉土砂質粉土層、5-1黏質粉土層、5-2粉細砂層、7粉質黏土層、7-3粉細砂層等；5-2細砂層存在土層液化，液化指數為1/3。

2 車站計算模型

取車站標準段二維模型進行時程計算分析，使用MIDAS大型巖土隧道有限元軟件GTS進行建模。模型的動力平衡方程為

式（1）中：M表示剛度矩陣；C表示質量矩陣；K表示阻尼矩陣；表示加速度；˙表示速度；u表示位移；ft表示地震荷載。

2.1 土層參數

車站所在場地土層主要是粉質黏土、黏質粉土、粉細砂，在模型中對土層進行適當歸并，歸并后土層參數如表1所示。

表1 車站場地土層信息

2.2 計算模型

分別建立各土層的二維模型，液化土層的彈性模量折減至1/3；車站建立一維的梁單元進行模擬；考慮圍護結構對液化土層的影響，建立二維單元對圍護結構進行模擬。

模型上邊界取至地表，下邊界至基巖，橫向取三倍結構寬度，模型尺寸為141.6m×83m。在模型豎向邊界添加一維自由場單元，底部邊界添加固定約束。模型如圖1所示。

2.3 地震動的輸入

計算E3（2450年一遇）的地震作用，根據地震安評報告分別輸入三個地震動時程波。原始地震動時程圖如圖2所示。

3 計算結果

3.1 原場地計算結果

用層間位移來表示車站的變形情況，圖3給出了地層未進行液化處理時的車站結構橫向位移云圖，可以看出，E3地震作用下，車站頂板的位移最大，底板位移最小。負一層層間位移分別為25.8mm、26.4mm、32.5mm，負二層層間位移分別為50.7mm，56mm，70.2mm。

3.2 注漿加固計算結果

對車站附近的液化土層進行注漿加固，注漿加固范圍為3m，對相應網格的土層參數不折減來模擬加固效果，其余液化土層折減1/3，計算結果如圖4所示。可以看出，最大位移位于車站頂板，底板位移最小。負一層層間位移分別為25.3mm、25.9mm、31.7mm，負二層層間位移分別為43.3mm、48.6mm、58.9mm。與原場地相比，車站的層間位移角減小，說明注漿加固有一定的效果。

3.3 結果分析

參考表2分別對比車站兩層的變形情況，可以看出，對地層進行注漿加固后，車站的變形總體上呈現減小趨勢：在三種地震條件下，負一層的位移分別減小了1.93%、1.89%和2.46%。負二層的位移分別減小了14.6%、13.2%和16.1%（見圖5）。注漿加固措施對減小車站負二層的變形有明顯效果，而對負一層的效果較弱。

表2 車站層間位移

4 結語

本文分別對地下車站所在的原場地環境和注漿加固處理后的場地環境進行了抗震模擬分析，結果發現對土層進行注漿加固，抵消土層液化的影響后，車站的抗震性能有所提升，且車站負二層的抗震性能提升較負一層更明顯。