地裂縫和地震耦合作用下地下綜合管廊的三維動(dòng)力分析

普永剛 張 朝 梁存君 崔仲卉 賈鑫鑫 惠宏博

1.中國(guó)建筑一局（集團(tuán)）有限公司西北分公司 陜西 西安 710075；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 陜西 西安 710055

地下綜合管廊，其功能是將各類管線收容到地下空間內(nèi)，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)及管理。地下綜合管廊的建設(shè)，較好地解決了城市馬路反復(fù)刨挖、通信線路“蜘蛛網(wǎng)”密布等問題，是創(chuàng)造生態(tài)環(huán)境友好型城市的有效途徑。

然而，城市地下空間的開發(fā)利用常面臨著復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，西安地下綜合管廊建設(shè)時(shí)遇到的地裂縫問題就是一種特殊的地質(zhì)災(zāi)害。目前，西安市區(qū)內(nèi)等間距分布著14條地裂縫，覆蓋面積約250 km2。地裂縫活動(dòng)具有長(zhǎng)期蠕動(dòng)和單向位移累積特征，所經(jīng)之處，道路錯(cuò)斷，房屋開裂，管道切斷，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。地下綜合管廊作為一種線性工程，在地裂縫密集分布的西安市，有時(shí)不得不跨越地裂縫而建設(shè)，這就使得地下綜合管廊的安全性難以保證。因此，許多學(xué)者對(duì)地下綜合管廊進(jìn)行了相關(guān)方面的研究。史曉軍等[1]通過地下綜合管廊大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)模型的動(dòng)力響應(yīng)以及接觸面和周圍土體的地震響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究；郭恩棟等[2]通過對(duì)比7條不同頻譜特性的地震波作用下綜合管廊的動(dòng)力響應(yīng)，研究了管廊結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部管道的響應(yīng)特征；湯愛平等[3]利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行了綜合管廊的地震響應(yīng)分析，研究發(fā)現(xiàn)共同溝的地震響應(yīng)受地震動(dòng)強(qiáng)度、土體性質(zhì)、埋設(shè)深度和結(jié)構(gòu)形式等因素的影響。通過上述研究可知，目前針對(duì)綜合管廊處于地裂縫環(huán)境下的研究尚少，尤其是土體沉降變形與地震荷載耦合作用下對(duì)綜合管廊的影響，更是無(wú)證可查。

因此，本文以西安f7地裂縫環(huán)境下的綜合管廊為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬分析，找到了土體沉降變形與地震荷載耦合作用下綜合管廊的受力特征和變形規(guī)律，為地裂縫環(huán)境下綜合管廊的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

幸福路綜合改造區(qū)位于西安市區(qū)東部，幸福林帶是幸福路綜合改造區(qū)的核心區(qū)域，總體規(guī)劃為“一帶、二核、二軸、多中心”的功能布局，是一個(gè)大型綜合性的地下工程。擬建地下綜合管廊位于幸福林帶內(nèi)兩側(cè)15 m通道內(nèi)，分別為幸福路綜合管廊、萬(wàn)壽路綜合管廊。幸福路綜合管廊南起新興南路，北至華清路，全長(zhǎng)5 745 m。綜合管廊為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度為C40，擬建項(xiàng)目如圖1所示。管廊采用明槽開挖現(xiàn)澆形式施工，整體形式為封閉框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)使用年限為100年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），抗震等級(jí)為二級(jí)。

圖1 擬建項(xiàng)目示意

擬建工程場(chǎng)地地勢(shì)相對(duì)平坦，但由于地下環(huán)境及地鐵管線的影響，故綜合管廊的標(biāo)準(zhǔn)斷面及埋深不盡相同，且由北往南依次穿越f4、f5、f6和f7地裂縫，地裂縫與綜合管廊的相對(duì)位置如圖2所示。由于與f7交會(huì)處的綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面最大，覆土較厚，因此選擇該位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖2 地裂縫與綜合管廊示意

2 有限元數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值模擬以穿越f7地裂縫帶的幸福路地下綜合管廊為研究對(duì)象，因地裂縫帶內(nèi)土體的活動(dòng)具有三維空間運(yùn)動(dòng)變形特征，以垂直沉降最大，南北擴(kuò)張次之，水平扭轉(zhuǎn)最小，三者比例為1∶0.31∶0.03[4]，所以工程中一般只考慮地裂縫垂直沉降的影響。加之，西安地處高烈度地區(qū)，故采用Abaqus有限元分析軟件建立了三維實(shí)體單元模型來進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。

綜合管廊為2層4艙室的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（圖3），寬度為10.80 m，高度為9.85 m，管廊埋置深度為10.50 m。管廊正交穿越地裂縫帶，管廊每段長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化，每段結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為20 m，共計(jì)3段。綜合管廊實(shí)際上是分段澆筑的，在進(jìn)行模擬分析時(shí)，參考了文獻(xiàn)[5]的想法，假定分段管廊之間通過非線性彈簧連接。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)斷面示意

由于綜合管廊采用明挖法進(jìn)行施工，故管廊的上層覆土為重塑回填土，管廊下部土體為原狀土。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和地裂縫的影響帶寬度確定土體模型三維尺寸為：60 m（長(zhǎng)）×30 m（寬）×30 m（高）。地裂縫傾角為80°，三維模型剖面如圖4所示。土體和結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖4 跨地裂縫綜合管廊三維模型剖面

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

假定土體為理想彈塑性材料，服從相關(guān)流動(dòng)法則，采用線性Mohr-coulomb（莫爾-庫(kù)侖）屈服函數(shù)。地裂縫作為一種軟弱結(jié)構(gòu)面，破壞了場(chǎng)地的連續(xù)性和完整性，且上、下盤土體接觸面多以摩擦為主。因此，上、下盤土體的接觸面法向設(shè)置為硬接觸，切向采用罰摩擦，摩擦因數(shù)取為0.3。土體與管廊之間的接觸面摩擦因數(shù)取為0.7。土體邊界條件采用黏彈性邊界條件[6]。

本次模擬選取El Centro波（埃爾森特羅波）作為管廊模型的地震波輸入波，地震波加速度時(shí)程和傅里葉譜如圖5所示。文獻(xiàn)[7]給出了近幾年f7地裂縫的年平均沉降量為2.66 mm，分別按照10年（26.6 mm）、20年（53.2 mm）、30年（79.8 mm）、40年（106.4 mm）和50年（133 mm）的沉降量逐漸進(jìn)行累加來考慮。在進(jìn)行模擬時(shí)需要考慮的是沉降和地震共同作用，故在模型結(jié)構(gòu)上施加二者共同作用時(shí)，需要先在上盤底面施加特定年份的位移量來模擬地裂縫的沉降作用，而后在這個(gè)基礎(chǔ)上施加地震波完成二者的結(jié)合，并將所得結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析。

圖5 El Centro波加速度時(shí)程及傅里葉譜

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 地下管廊結(jié)構(gòu)的加速度及位移響應(yīng)

圖6為綜合管廊結(jié)構(gòu)模型在地裂縫和地震耦合作用下，峰值加速度沿高度的變化規(guī)律。其中地裂縫作用考慮無(wú)沉降和上盤10～50年沉降，地震作用考慮地震強(qiáng)度為0.2g的El Centro波。

圖6 跨地裂縫管廊結(jié)構(gòu)的峰值加速度

由圖6可以看出：在0.2g的El Centro波作用下，考慮上盤沉降的加速度響應(yīng)比不考慮沉降的加速度響應(yīng)更大，隨著沉降量的增大，APG（峰值加速度）逐漸增大。地裂縫考慮無(wú)沉降量和10年沉降量時(shí)，APG隨著結(jié)構(gòu)高度的增大而逐漸減小，即結(jié)構(gòu)底板的APG更大；在考慮20年及以上的沉降量時(shí)，APG隨著結(jié)構(gòu)高度的增加而逐漸增大，即結(jié)構(gòu)頂板的APG更大。這說明隨著地裂縫活動(dòng)量的增大，不均勻沉降對(duì)加速度響應(yīng)的影響逐漸增大并超過地震作用的影響，使得峰值加速度最大值出現(xiàn)的位置由底板轉(zhuǎn)移到了頂板。

圖7為綜合管廊結(jié)構(gòu)模型在地裂縫和地震耦合作用下，峰值位移沿高度的變化規(guī)律。由圖7可以看出：在地震作用下，DPG（峰值位移）隨著結(jié)構(gòu)高度的增大而逐漸減小，即結(jié)構(gòu)底板的DPG更大；隨著沉降量的增大，峰值位移也在逐漸增大。

圖7 跨地裂縫管廊結(jié)構(gòu)的峰值位移

圖8為在地裂縫和地震耦合作用下綜合管廊結(jié)構(gòu)底板沿縱向測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化規(guī)律。

圖8 管廊底板沿縱向測(cè)點(diǎn)的豎向位移

從圖8可以看出：在只考慮地震作用下，管廊結(jié)構(gòu)在上、下盤的豎向位移方向相反，即處于上盤的管廊結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生沉降，而下盤的管廊會(huì)出現(xiàn)脫空。這是由于在地震作用下地裂縫場(chǎng)地上盤土體下降，導(dǎo)致管廊會(huì)隨著土體變形而發(fā)生相應(yīng)的變形。當(dāng)?shù)亓芽p活動(dòng)和地震共同作用時(shí)，結(jié)構(gòu)整體的豎向位移變成了整體下沉，而隨著沉降量的逐漸增大，上盤處管廊結(jié)構(gòu)的峰值位移逐漸增大，下盤處管廊端部位移比較穩(wěn)定。

3.2 跨地裂縫管廊結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律

圖9為在地裂縫和地震耦合作用下綜合管廊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。其中地裂縫作用考慮無(wú)沉降和上盤50年沉降，地震作用考慮0.2g的El Centro波。

由圖9可以看出：左側(cè)2個(gè)艙室的應(yīng)力均比右側(cè)艙室的更大，這說明大空間結(jié)構(gòu)更易發(fā)生破壞，因此在對(duì)管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工時(shí)，需增大其配筋或采取其他相應(yīng)措施來提高其抗震性能。管廊中間位置（地裂縫附近處）的應(yīng)力比兩側(cè)更大，且向兩側(cè)逐漸衰減，即結(jié)構(gòu)跨地裂縫位置處的應(yīng)力分布不均勻，在地裂縫周圍處更易出現(xiàn)應(yīng)力集中?？紤]50年沉降與不考慮沉降相比，管廊整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力重分布，應(yīng)力集中的位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。

圖9 無(wú)沉降和上盤50年沉降的管廊應(yīng)力云圖

圖10（a）和圖10（b）為在地裂縫和地震耦合作用下綜合管廊結(jié)構(gòu)底板和頂板應(yīng)力沿縱向的分布規(guī)律。

圖10 管廊沿縱向的應(yīng)力值

由圖10（a）可以看出：在0.2g的El Centro波作用下，不考慮沉降的跨地裂縫綜合管廊底板的應(yīng)力分布規(guī)律和考慮沉降的結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，均在地裂縫處最大，由地裂縫處向兩側(cè)衰減，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“∧”形。不考慮沉降和考慮10年沉降的結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力值較為接近，但考慮10年沉降的結(jié)構(gòu)在地裂縫位置處的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，處于上盤的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值比下盤稍大；在考慮20～50年沉降時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)重新分布，處于下盤的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值遠(yuǎn)大于上盤。

由圖10（b）可以看出：在0.2g的El Centro波作用下，不考慮沉降和考慮10年沉降的結(jié)構(gòu)頂板應(yīng)力分布規(guī)律趨于一致，應(yīng)力值在靠近地裂縫的位置最大，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“W”形。隨著沉降量的增大，頂板出現(xiàn)應(yīng)力重分布，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在下盤距地裂縫2.78 m的位置處。管廊結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力值大于頂板的應(yīng)力值，底板更容易出現(xiàn)開裂破壞，且隨著沉降量的增大，差異逐漸增大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以西安幸福林帶地下管廊結(jié)構(gòu)工程為例，采用Abaqus有限元分析軟件建立了正交穿越地裂縫帶的地下綜合管廊結(jié)構(gòu)模型，分析了地下綜合管廊結(jié)構(gòu)在地裂縫活動(dòng)和地震耦合作用下的受力及變形特征，得出如下結(jié)論：

1）地裂縫考慮無(wú)沉降量和10年沉降量時(shí)，管廊結(jié)構(gòu)底板的APG更大；在考慮20年及以上的沉降量時(shí)，結(jié)構(gòu)頂板的APG更大；地裂縫活動(dòng)量的增大使得峰值加速度最大值出現(xiàn)的位置由底板轉(zhuǎn)移到了頂板。

2）在地震作用下，結(jié)構(gòu)底板的DPG更大；隨著沉降量的增大，峰值位移也在逐漸增大。

3）空間較大的艙室更易發(fā)生破壞，在對(duì)管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需增大其配筋或采取其他相應(yīng)措施來提高其抗震性能。管廊中間位置（地裂縫附近處）應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，且向兩側(cè)逐漸衰減。當(dāng)?shù)亓芽p活動(dòng)較大時(shí)，管廊整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力重分布，應(yīng)力集中的位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。

4）管廊結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力均在地裂縫處最大，由地裂縫處向兩側(cè)衰減，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“∧”形；結(jié)構(gòu)頂板應(yīng)力分布規(guī)律趨于一致，應(yīng)力值在靠近地裂縫的位置最大，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“W”形。管廊結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力值大于頂板的應(yīng)力值，底板更容易出現(xiàn)開裂破壞，且隨著沉降量的增大，差異逐漸增大。