注漿加固對地鐵車站中柱抗震性能的影響分析

陳 聰，舒 恩,，蔡海兵，洪榮寶

(1.中大檢測(湖南)股份有限公司，湖南 長沙 410000；2.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

一直以來，人們的普遍觀點都認為地下結構受到土與地下結構的互相約束作用，其抗震性能比地上相對較好。自研究日本阪神地震中大開地鐵車站受災情況后，人們開始逐漸認識到對地下結構進行抗震設計和研究是非常有必要的[1]。一些專家和學者的研究[2-3]發現，中柱是地下結構最容易受地震作用影響的薄弱環節。因此，地下結構中柱后來一直作為結構的設計的重點和要點，一些專家學者[4-5]也對其做出了研究，例如滑動支座和鉸支座等，通過研究發現雖然可以通過改變支座的形式來改善地下結構中柱的抗震性能，但是對于現場實施來說可能難以達到預期的效果。

目前，通過注漿加固的方式可以使地基土物理性能得到很好的改善[6]。在地下結構設計和施工過程中，能否采取注漿加固的方式來提高地下結構中柱的抗震性能，因此，本文以日本阪神大開地鐵車站作為研究的實際工程背景。考慮對結構的上下側和左右側進行注漿加固，以結構在未注漿情況下的作為評定標準，研究在不同側注漿對地下結構中柱抗震性能的影響。

1 地下車站參數以及模型的建立

1.1 大開車站尺寸和土層物理參數

阪神大開地鐵車站是典型地采用明挖法施工鋼筋混凝土框架結構的單層雙跨車站，尺寸如圖1所示，共有6層土，其中上覆土的厚度為4.8 m，并假設各層土的阻尼比均為0.05，其具體的土層物理參數如表1所示。由于大開地鐵車站在設計時沒有考慮地震的影響，地震后近百米范圍內的中柱發生嚴重的剪切破壞。中柱和頂板是采用剛性連接，因此，在此次地震中頂板也出現嚴重的坍塌，中柱和頂板的破壞情況分別如圖2～3所示[7]。

圖1 地下結構模型尺寸(單位：mm)

圖2 大開地鐵車站中柱破壞狀況

圖3 大開地鐵車站坍塌引起的地面沉降

1.2 注漿后土層物理參數

地震的發生往往具有隨機和不可測性，再加上研究條件的限制沒有辦法進行相似模型試驗，所以無法獲得相關的實測數據和模型試驗數據。因此，本文在考慮注漿后土層物理力學參數全部由相關文獻得到。由于沒有找到室內試驗和現場注漿后土層泊松比的相關文獻，故本文考慮采用本層位的原狀土與混凝土的均值來作為注漿后本層位的泊松比值；彈性模型在注漿后可用增大55倍來進行考慮[8]；馬海龍通過水泥土的實驗分析得到，注漿后土層的密度一般改變不大，大約在1.0%～4.0%，本文按密度增幅3.0%考慮[9]。

1.3 地下車站模型的建立

本文采用有限元軟件ANSYS建立地下車站三維有限元模型，根據樓夢麟等[10]研究表明當取地下結構左右各5倍土層深度時，地下結構中柱采用離散的梁單元體，側壁采用離散的板單元體，離散后的三維模型共有107 800個八節點六面體等參元，3 780個板單元體、168個梁單元體。當施加完邊界荷載后共有349 037個自由度。地下結構三維模型如圖4所示。

圖4 大開車站地下結構模型

2 輸入地震波及其頻譜特性

由于無法收集到日本阪神地區的強震下的地震波數據信息。因此，在考慮整個土層與結構互相作用的地震反應時，本文選用在某一重大工程場地安全評估的三條50年超越概率為10%的地震時程，其加速度峰值為0.10 m/s2，其地震時程曲線、傅里葉幅值譜和反應譜曲線分別如圖5～7所示[11]。三條地震波依次簡稱為IV波、JY波和WC波，將它們作為激勵地震波分別依次輸入。

(a)時程

(a)時程

(a)時程

3 上下側注漿對地下結構中柱抗震性能的影響

3.1 上下側注漿范圍

地震時，縱波的速度傳播很快，會使地面和構筑物上下振動。為了討論地下結構上下側注漿后中柱抗震性能的改善程度，本節設計了4種不同的注漿模型，依次分別是：上下側未注漿、上側注漿0.5 H、下側注漿0.5 H、上下側各注漿0.5 H。然后分別依次輸入三種不同的地震波來進行激勵[12]。

3.2 結果分析

為了更加系統地分析數值計算所得到的結果，本文主要給出了中柱、側壁等關鍵部位的地震反應值，具體為：中柱和側壁的頂部以及底部的加速度峰值、位移峰值、剪力峰值和彎矩峰值以及中柱上方和側壁正上方、斜上方加速度峰值和位移峰值。將未注漿得到的反應量作為評定標準，來評價對上下側不同的注漿方式的適用性。表2～4分別給出了三種不同地震波激勵下不同注漿方式，各個關鍵地震反應峰值。

表2 IV波作用下上下側注漿加固結點反應量值

表3 JY波作用下上下側注漿加固結點反應量值

表4 WC波作用下上下側注漿加固結點反應量值

從表2～4可以看出，選用的三種上下側不同的注漿方式，無論在哪種地震波激勵下中柱頂底部的加速度峰值以及位移峰值不會因上下側不同的注漿方式而發生明顯的改善；在IV波和WC波激勵下，中柱頂底部的剪力峰值和彎矩峰值減小，而在JY波激勵下有部分增大的情況。IV波激勵下，側壁頂底部的加速度峰值以及位移峰值都是減小的，而在JY波激勵下，側壁的頂部加速度峰值以及位移峰值都在增大，底部相反；在WC波激勵下，除了頂部的加速度峰值是增大的，頂部位移峰值和底部加速度峰值以及位移峰值都是減小。對于側壁頂底部結點來說，無論在上下側采用何種注漿方式其彎矩峰值、剪力峰值和軸力峰值沒有明顯的變化規律。

4 左右側注漿對地下結構中柱抗震性能的影響

4.1 左右側注漿范圍

地震時，橫波會使結構物前后搖晃，也是造成建筑物和構造物主要破壞的原因。本節為了研究上下側注漿對地下結構中柱抗震性能的改善程度，主要設計5種不同的注漿模型，分別是：未注漿、兩側注漿0.5 H、兩側注漿1.0 H、兩側注漿2.0 H、兩側注漿3.0 H，也同樣依次輸入三種不同的地震波[12]。

4.2 結果分析

數值分析關鍵部位和評價結果同本文3.2節。具體結果見表5～7。

表5 IV波作用下左右側等寬不同范圍結點反應量值

表6 JY波作用下左右側等寬不同范圍結點反應量值

表7 WC波作用下左右側等寬不同范圍結點反應量值

從表5～7可以看出，本節選用的4種上下側不同的注漿方式，無論在哪種地震波激勵下中柱頂底部的加速度峰值以及位移峰值都是在減小，基本上是隨著注漿范圍的增大呈現線形減小趨勢。但當注漿到2.0 H以后，中柱頂底部的彎矩峰值以及剪力峰值雖相對未注漿狀態是減小的，但相對0.5 H和1.0 H而言卻增大了。側壁頂底部無論在哪種地震波激勵下，其加速度峰值以及位移峰值都隨著兩側的注漿范圍變大在逐漸減小。對于側壁來說，在IV波激勵下，左右兩側注漿0.5 H，其剪力峰值和軸力峰值都會增大，還有側壁底部的剪力峰值隨著注漿范圍增大呈現減小的趨勢，但都大于未注漿的情況，其他參數都呈現減小的趨勢。在JY波激勵下，左右兩側注漿0.5 H，側壁頂部剪力峰值和軸力峰值都會增大；左右兩側注漿0.5 H～2.0 H，剪力也是在不斷增大，同樣其他參數都小于未注漿情況。在WC波激勵下，側壁頂部軸力峰值都大于為未注漿的情況，底部與JY波激勵下側壁底部情況類似。各個地表觀測點而言，不管何種地震波進行激勵下，其加速度峰值以及位移峰值基本上都是呈現線形減小的趨勢。

5 結 論

本文以日本阪神大開地鐵車站為實際工程算例，采用ANSYS有限元軟件，模擬了對結構的上下側和左右側分別進行不同范圍的注漿情況，地下車站在三種不同的地震波激勵下，地下車站中以及其他各個關鍵部位的抗震性能影響情況。結果表明：考慮對地下結構上下側進行注漿處理，不僅沒有有效減小中柱的抗震性能，而且中柱部分峰值反而增大，側壁反應量峰值也明顯增大，可能會加劇地震作用下側壁的損傷；考慮對其左右側進行注漿處理時，當對其左右側0.5 H～1.0 H范圍內注漿，可以減小地震反應量峰值。因此，當考慮注漿加固方式在設計和施工設計和施工地鐵車站可以適當考慮對地下結構左右側0.5 H～1.0 H范圍內注漿，以減小中柱受到的剪切破壞效應。

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