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    地震作用下巖溶加固地基抗震構(gòu)造評估模型分析

    2020-04-22 04:30:46
    華南地震 2020年1期
    關(guān)鍵詞:抗力巖溶抗震

    沈 毅

    (浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州 311231)

    0 引言

    巖溶地質(zhì)是眾多地質(zhì)形態(tài)當(dāng)中較為特殊的一種,該地區(qū)的地貌,是由經(jīng)過長年侵蝕的巖石所演變形成的。巖溶本身的強度較高,且極具穩(wěn)定性,因此能夠作為建筑物的地基所使用的[1-2]。但由于其形態(tài)及規(guī)模,會隨著時間的推移而緩慢變化,為此需要注意建筑物的使用期限,分析巖溶的溶蝕作用,以及其作用對建筑工程的影響。由于巖溶地質(zhì)形態(tài)存在裂隙,溶蝕等問題,使建筑地基的設(shè)計施工存在一定的難度,無法保障建筑的抗震性能與建筑的安全性能,使人們的人身安全與財產(chǎn)安全受到威脅,為此分析巖溶上部結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,研究其基礎(chǔ)設(shè)計以及地基加固的可行性。地震所帶來的災(zāi)害以及次生災(zāi)害,對人們安全的威脅以及日常生活的影響都是十分嚴(yán)重的。隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的日益發(fā)展,其結(jié)構(gòu)設(shè)計以及地基的搭建方法也逐漸有所變化,需要協(xié)調(diào)地基與上層建筑之間的穩(wěn)定性能,滿足兩者之間的平衡[3-4]。為此研究高層建筑在地震作用下,結(jié)構(gòu)與地基之間的相互作用情況。為了減小地震發(fā)生時所產(chǎn)生的影響,需要加固建筑地基,增強建筑的抗震性能[5]。

    1 地震作用下巖溶加固地基抗震構(gòu)造評估模型

    分析巖溶塌陷地質(zhì)形成的影響因素,計算巖溶頂板穩(wěn)定性,根據(jù)莫爾—庫侖破壞準(zhǔn)則,研究巖溶頂板注漿加固機理,建立地震作用下巖溶加固地基抗震構(gòu)造評估模型。

    1.1 地震作用下的巖溶頂板穩(wěn)定性分析

    為了準(zhǔn)確分析巖溶頂板的穩(wěn)定性,首先需要得出巖溶塌陷地質(zhì)形成的影響因素。由于地下水位變化以及巖溶覆蓋層的類型所影響,導(dǎo)致地震作用下的巖溶地基塌陷,地基層的透水程度有所差異,形成的巖溶塌陷地質(zhì)概化模型,具體情況如表1所示。

    由表1可知,若覆蓋層為黏土阻水層,則地下水位在覆蓋層中,雖然能夠避免產(chǎn)生滲流的狀況,但會引起潛蝕作用,使覆蓋層軟化,導(dǎo)致土洞的產(chǎn)生[6-7]。受真空吸蝕效應(yīng)的影響,土洞得以迅速擴大,并且無法繼續(xù)支撐上部載荷,使土層下沉,巖溶塌陷,溶溝被坍塌物所填充,直至上部載荷能夠得到支撐,最終導(dǎo)致該地基塌陷。在巖溶頂板發(fā)生塌陷之前,處于破碎狀態(tài)的頂板將會處于一種如下圖所示的平衡狀態(tài)。巖溶頂板破裂后一旦發(fā)生塌陷,則會產(chǎn)生破裂拱,為了承受上部坍塌巖土的重量,破裂拱自身具有一定的厚度[8]。采用莫爾—庫侖理論分析巖溶頂板安全厚度的極限承載能力,具體情況如圖1所示。

    表1 巖溶塌陷地質(zhì)概化表Table 1 Generalized table of karst collapse geology

    圖1 莫爾-庫侖包絡(luò)圖Fig.1 Mol-coulomb envelope diagram

    如圖1所示,當(dāng)?shù)叵滤畨毫^小時,包絡(luò)曲線以直線形式表達,該直線方程表達式如下:

    其中f為屈服面函數(shù),τf為所受的切向應(yīng)力,c為凝聚力,σ為所受的法向應(yīng)力,θ為圖中所示的內(nèi)摩擦角。

    當(dāng)巖土的狀態(tài)處于難以支撐的極限時,由圖1可得,其極限平衡條件如下:

    其中σ為所受的法向應(yīng)力,c為凝聚力,θ為圖中所示的內(nèi)摩擦角。

    將公式(2)與公式(3)合并簡化,得到:

    所得公式(4)為莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則式。

    在滿足應(yīng)力空間中 σ1>σ2>σ3的前提下, 所得出的莫爾-庫侖準(zhǔn)則式則以下述方式表示:

    其中L1表示應(yīng)力張量第一應(yīng)力不變量,J2表示應(yīng)力偏張量第二應(yīng)力不變量,βσ表示應(yīng)力偏張量第三應(yīng)力不變量,F(xiàn)為所受力。

    上式所表達的屈服函數(shù)式在應(yīng)力空間中,以不規(guī)則六角形的形式表示。法向受到壓力過程中所產(chǎn)生的摩擦力增大,導(dǎo)致抗剪強度隨之增大,但三軸壓縮與拉伸兩者之間強度不同,使得屈服軌跡巖坐標(biāo)軸的正負無法對稱[9],則所形成的六邊形為不規(guī)則形狀。至此完成巖溶頂板的穩(wěn)定性分析,并在此基礎(chǔ)上研究其注漿加固機理。

    1.2 巖溶頂板注漿加固機理研究

    為了使地震作用下的地基牢固程度有所保障,對巖溶頂板節(jié)理切割,具體情況如圖2所示。

    圖2 巖溶頂板拋物線拱力學(xué)模型Fig.2 The parabolic arch mechanics model of karst roof

    由圖2可以得到,圖(a)為巖溶頂板變形彎曲之前狀態(tài),圖(b)為巖溶頂板變形彎曲后的狀態(tài)。巖溶頂板由于橫向擠壓力以及下部支撐阻力的共同影響,使其裂縫的寬度保持在一定范圍內(nèi),無法使持續(xù)擴張,為此在其塌陷之前能夠始終保持拋物線壓力拱的狀態(tài)下,保持其壓力平衡。巖溶頂板在上覆荷載以及頂板自重的作用下產(chǎn)生一定的擾曲變形[10-11],通過計算可以得出具體為:

    其中l(wèi)'為梁跨度,單位為m,δ為最大彎曲擾度,其他變量見圖2中標(biāo)識。

    當(dāng)公式(6)滿足條件x=0,y=0,x=l'時,則拱推力線的長度計算公式如下:

    其中z為壓力拱高度,單位為m,t為梁高度,單位為m,nt為拱壓力的作用高度,且必須滿足其他變量見圖2中標(biāo)識。

    通過上述公式計算,能夠得到拱推力線經(jīng)過壓縮變形后,轉(zhuǎn)化為:

    其中ji為第i個巖體斷裂縫隙的張度,Ei為第i個巖體斷裂縫隙的法向剛度,Ec為巖溶頂板的壓縮模量,fav為平均水平推力,單位為N/m,u為巖溶頂板的橫向壓縮變形量。

    將公式(7)微分變形,計算得出拱高度的變化取值如下所示:

    通過上述計算能夠得到,巖體斷裂縫隙被注漿充填后,巖溶頂板的壓力拱高變化量將得以縮小。與此同時壓力拱推力變形線壓縮變形量,也將在力的作用下被迫縮小,則有利于巖溶頂板穩(wěn)定型的維護,保證了地震作用下,巖溶地基的抗震構(gòu)造有效性[12-13]。

    1.3 地震作用下巖溶加固地基抗震構(gòu)造評估模型

    地震作用下,巖溶加固地基抗震構(gòu)造的可靠性,需要根據(jù)實際建筑工程的施工情況,考慮各項干擾因素,使用近似法,簡化計算情況以及計算量[14-15]。在簡化計算的前提下,為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確度,假設(shè)地基構(gòu)造的結(jié)構(gòu)抗力,以及作用效應(yīng)皆服從正態(tài)函數(shù)分布,得出功能函數(shù),若功能函數(shù)同時服從正態(tài)函數(shù)分布,則:

    其中R為地基構(gòu)造的結(jié)構(gòu)抗力,S為作用效應(yīng),μR為結(jié)構(gòu)抗力均值,μS為作用效應(yīng)均值,σR為結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)差,σS為作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差,將其整合后分別表示為N(μR,σR)以及N(μS,σS), 且功能函數(shù)Z=R-S。從而進一步得出失效概率如下:

    其中Pf為失效概率,f為屈服面函數(shù),d為距離長度,Z為功能函數(shù)。

    將式中功能函數(shù)Z的分布N(μZ,σZ)轉(zhuǎn)換為正態(tài)函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)分布形式N(0,1),且滿足標(biāo)準(zhǔn)化隨機變量t(μt=0, σt=0)。 并以此得出:

    式中變量定義與上式相同,且由此能夠得出,地震作用下的巖溶加固地基抗震構(gòu)造的可靠性評估如下:

    其中μR為結(jié)構(gòu)抗力均值,σR為結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)差,μS為作用效應(yīng)均值,σS為作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差,P為抗力與荷載的相關(guān)系數(shù),μZ為結(jié)構(gòu)抗力的功能函數(shù),σZ為作用效應(yīng)的功能函數(shù)。

    由上述計算得到,當(dāng)失效概率減小時,可靠概率β將會增大,根據(jù)結(jié)構(gòu)抗力的函數(shù)式引入極限方程,采用多個評估模式分析抗震構(gòu)造的結(jié)構(gòu)抗力,計算出結(jié)構(gòu)的可靠性,完成地震作用下巖溶加固地基的抗震構(gòu)造評估模型。

    2 實驗論證分析

    為了保證所提出的地震作用下巖溶加固地基抗震構(gòu)造評估模型的有效性以及可實施性。將原有的傳統(tǒng)抗震構(gòu)造評估模型,與其對照分析,將兩者的評估范圍與評估結(jié)果相比較,檢驗其評估準(zhǔn)確度,完成對照試驗。

    2.1 實驗準(zhǔn)備

    該實驗采用SeismoArtif地震波模擬軟件,基于真實的頻譜匹配技術(shù),采用不同的計算方法和各種假設(shè)地震加速記錄,模擬地震發(fā)生環(huán)境。并利用地震模擬振動臺,將地震波再現(xiàn),模擬地震過程,從而研究巖溶加固地基構(gòu)造的抗震性能,地震模擬振動臺具體實物圖如圖3。

    圖3 地震模擬振動臺實物圖Fig.3 Physical map of seismic simulation table

    為保障本次實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性,選取相同地區(qū)相同施工方式的建筑地基完成模擬實驗。采用所設(shè)計的抗震構(gòu)造評估模型與傳統(tǒng)評估模型,分別對該建筑在地震作用下的巖溶加固地基抗震構(gòu)造進行模擬評估,并對比其兩者的評估范圍,從而檢驗其評估準(zhǔn)確度。

    2.2 實驗過程

    采用SeismoArtif地震波模擬軟件,模擬地震過程,利用所設(shè)計模型,與傳統(tǒng)評估模型,同時評估分析,記錄評估結(jié)果,具體操作界面如圖4。

    圖4 SeismoArtif操作界面Fig.4 SeismoArtif operation interface

    利用SeismoArtif軟件設(shè)定相關(guān)操作數(shù)據(jù),標(biāo)定參數(shù),根據(jù)軟件模擬,得到傳統(tǒng)評估結(jié)果與所設(shè)計評估模型所得的評估結(jié)果,對比兩種評估模型的評估范圍,完成對照試驗。

    2.3 實驗結(jié)果

    將所設(shè)計抗震構(gòu)造評估模型的評估范圍,與傳統(tǒng)模型對比,為保證所得結(jié)果的準(zhǔn)確性與嚴(yán)謹(jǐn)性,在實驗期間反復(fù)對比分析,完成了多次模擬,最終得到結(jié)果如圖5、6所示:

    通過SeismoArtif軟件模擬所得的抗震構(gòu)造評估范圍對比可知,傳統(tǒng)評估模型所得到的評估范圍較小,巖溶加固地基的透水性與壓縮模量無法被準(zhǔn)確測量,導(dǎo)致無法對巖溶加固地基的抗震構(gòu)造進行全方面的評估,使評估結(jié)果與實際情況有所差異。而文中所設(shè)計的評估模型能夠彌補這一缺陷,評估范圍較廣,能夠完整評估其構(gòu)造的抗震效果。能夠證實該評估模型與傳統(tǒng)模型相比較,其評估范圍更加廣泛,從而保證了評估模型的準(zhǔn)確性。

    圖5 文中設(shè)計評估模型評估范圍Fig.5 The evaluation scope of evaluation model designed in

    圖6 傳統(tǒng)評估模型評估范圍Fig.6 The evaluation scope of traditional evaluation models

    3 結(jié)語

    在以往的研究中發(fā)現(xiàn),過去的幾十年里巖溶地區(qū)工程時常出現(xiàn)巖溶頂點失穩(wěn)的工程事故,為避免這一事件的發(fā)生,提出巖溶加固地基抗震構(gòu)造評估模型研究。設(shè)計一種新型巖溶加固地基抗震構(gòu)造評估模型,巖溶區(qū)由于其復(fù)雜的地質(zhì)條件,采用普通的構(gòu)造評估模型無法對其進行詳細的研究。因而,設(shè)計新型構(gòu)造評估模型,使構(gòu)造評估過程簡單易處理。在此次模型設(shè)計中,使用大量的數(shù)據(jù)提升模型評估的精度。對其加固機理與穩(wěn)定性進行分析,與模型中的計算部分相結(jié)合,能夠有效解決傳統(tǒng)模型評估精度較低的問題。設(shè)計對比實驗,由實驗結(jié)果可知,所設(shè)計的評估模型相較于傳統(tǒng)評估模型,評估范圍更廣泛,評估準(zhǔn)確性更高。因而,所設(shè)計的評估模型使用效果更加優(yōu)越。將其應(yīng)用于地震作用下,巖溶加固地基抗震構(gòu)造評估研究中,為該研究提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

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