3

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；3.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西桂林541004)

0 引言

南寧市作為連接中國(guó)和東盟的橋頭堡，城市發(fā)展迅速,現(xiàn)已規(guī)劃地鐵線路5條，總長(zhǎng)度270 km，設(shè)站157座。然而南寧盆地分布有大面積的膨脹巖，以南寧市地鐵1號(hào)線為例就有6.9 km線路、8個(gè)車站位于膨脹巖分布區(qū)[1]。膨脹巖具有吸水膨脹失水收縮的性質(zhì)，對(duì)工程結(jié)構(gòu)潛在危害巨大，特別是對(duì)于安全等級(jí)極高的地鐵工程[2-4]。當(dāng)車站周圍土層中含有膨脹巖時(shí)，膨脹力將會(huì)引起車站底板隆起、側(cè)板變形，影響地鐵正常運(yùn)行和整個(gè)車站結(jié)構(gòu)的安全[5]。因此分析膨脹力作用于地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力與變形，將有助于優(yōu)化地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保地鐵安全運(yùn)營(yíng)，為軌道交通建設(shè)保駕護(hù)航。

針對(duì)地鐵車站的研究，前人做了許多工作，主要有理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算和模型試驗(yàn)等方面的研究。初振環(huán)等[5]通過(guò)對(duì)比各種解析法及有限元法計(jì)算地鐵車站雙排樁的結(jié)果，得到了雙排樁的精準(zhǔn)計(jì)算模型，并編制了實(shí)用程序便于實(shí)際工程應(yīng)用。李奎等[6]運(yùn)用多種數(shù)值模擬方法計(jì)算臨近地下施工對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)影響的內(nèi)力響應(yīng)，并結(jié)合各種方法的特點(diǎn)將其應(yīng)用于不同構(gòu)件的內(nèi)力變形計(jì)算中。劉維寧等[7]通過(guò)大比例物理模型試驗(yàn)，模擬隧道盾構(gòu)施工與地鐵車站施工相互作用的過(guò)程，分析了車站結(jié)構(gòu)的力學(xué)變換規(guī)律及穩(wěn)定性，優(yōu)化了施工方案，并提出了一種新型車站核心施工技術(shù)。另外對(duì)膨脹巖地鐵的研究主要集中于圍巖與地鐵隧道間的相互作用，吳順川等[8]對(duì)脹縮性圍巖隧道的工程特性進(jìn)行數(shù)值分析，得到隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，據(jù)此提出了一種有效的支護(hù)形式。WALTER等[9]對(duì)隧道開(kāi)挖時(shí)隧道圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)挖工序，減小圍巖脆性斷裂和形成微裂縫的情形。賴建英[10]通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，進(jìn)行膨脹巖含水率變化對(duì)小凈距隧道穩(wěn)定性影響研究。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)和膨脹巖地鐵隧道研究較成熟，但針對(duì)膨脹巖地區(qū)的地鐵車站研究還相對(duì)較少。本文以南寧盆地膨脹巖區(qū)域的地鐵車站為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬計(jì)算與室內(nèi)模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，探討膨脹巖吸水膨脹后對(duì)地鐵車站的內(nèi)力與變形影響，為今后的膨脹巖區(qū)地鐵車站設(shè)計(jì)、建設(shè)作指導(dǎo)。

1 工程概況

南寧地鐵1號(hào)線全長(zhǎng)29.5 km，沿東西方向穿過(guò)南寧盆地脹縮性膨脹巖分布區(qū)，共有6.9 km線路、8個(gè)地鐵站處于該區(qū)域，其分布情況如圖1所示。

南寧盆地膨脹巖埋深較淺，普遍約為15 m，甚至有部分巖層位于地表?，F(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察報(bào)告顯示，膨脹巖的膨脹力大小變化范圍為12.5～162.0 kPa。車站覆土厚度大多為3～4 m，埋深在15～20 m之間，而換乘車站埋深達(dá)到30 m。大量的膨脹巖分布在車站底板及側(cè)墻周圍，對(duì)車站結(jié)構(gòu)造成巨大的潛在威脅。雖然膨脹巖本身結(jié)構(gòu)致密，巖層透水性弱[11-12]，但軌道交通施工開(kāi)挖改變了周邊的圍巖壓力，使巖層形成裂隙，致使膨脹巖吸水產(chǎn)生膨脹力[13]，在車站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，將威脅基坑穩(wěn)定性及車站結(jié)構(gòu)的安全。

圖1 南寧盆地泥巖分布圖Fig.1 Mudstone distribution of Nanning Basin

2 數(shù)值模擬

圖2 平面模型幾何尺寸Fig.2 Geometric dimensions of the subway station

2.1 計(jì)算模型

南寧地鐵1號(hào)線車站，除換乘站外，其余車站設(shè)計(jì)均采用標(biāo)準(zhǔn)斷面，分左右兩跨雙車道，上下兩層，上層為人行通道與設(shè)備機(jī)房，下層為列車軌道與站臺(tái)。采用二維平面模型，車站結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)均為固接，平面模型幾何尺寸如圖2所示。

地鐵車站結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：地下連續(xù)墻采用C30，梁、板采用C35，柱采用C50；根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，混凝土泊松比采用μc=0.17。混凝土采用三種標(biāo)號(hào)：C30、C35、C50，其彈性模量Ec分別是30 000、31 500、34 500 MPa。車站區(qū)域膨脹巖性質(zhì)如表1所示。

表1 膨脹巖力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of expansive rock

2.2 荷載及膨脹力大小

地鐵車站外圍荷載標(biāo)準(zhǔn)值[15]計(jì)算，包括覆土壓力，地面超載，側(cè)向土壓力，底部土壓力以及膨脹力，還有結(jié)構(gòu)自重，人群荷載和設(shè)備荷載。其中對(duì)于土壓力由于車站區(qū)域土層均為粘性較大的土層，所以土壓力計(jì)算采用水土合算[16]。具體計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中:q1為覆土壓力，q2為地面超載，γi為第i層土容重，hi為第i層土層厚，ei為側(cè)向土壓力，φi為第i層土摩擦角，ci第i層土土體強(qiáng)度，Pk底部豎向均布反力，∑P結(jié)構(gòu)頂板以下、底板以上結(jié)構(gòu)重量，L底板寬度，其中地面超載取25 kPa。車站計(jì)算荷載模型如圖3所示。

圖3 車站結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Stress diagram of station structure

由于地鐵車站施工大都采用明挖方式，這種方式要求先對(duì)車站進(jìn)行基坑支護(hù)。南寧市地鐵車站基坑支護(hù)主要采用地下連續(xù)墻+內(nèi)撐，而其施工作業(yè)面位于地下水以上，使膨脹土的膨脹潛勢(shì)能得到釋放，會(huì)減小膨脹土產(chǎn)生的膨脹力對(duì)車站側(cè)面的影響。另外車站支護(hù)措施有利于削弱膨脹土對(duì)車站結(jié)構(gòu)的作用，所以，采用荷載—結(jié)構(gòu)法計(jì)算時(shí)僅考慮膨脹力施加于車站結(jié)構(gòu)底部的情況。

2.3 計(jì)算工況

根據(jù)勘察報(bào)告對(duì)地鐵1號(hào)線區(qū)域膨脹巖膨脹力的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，膨脹巖的膨脹力大小變化范圍為12.5～162.0 kPa，本文將膨脹力分別取0、50、100、150 kPa進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合車站施工工藝，膨脹力作用于車站結(jié)構(gòu)主要考慮兩種類型：①膨脹力作用于全部底板；②膨脹力作用于底板右側(cè)區(qū)域。因此，膨脹力施加位置分為全部和局部底板兩種情況如圖4所示。

(a) 底板全部施加膨脹力(工況一)

(b)底板右側(cè)施加膨脹力(工況二)

2.4 結(jié)果分析

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到150 kPa作用時(shí)，車站結(jié)構(gòu)底板、側(cè)墻以及頂板的內(nèi)力與變形影響最明顯，結(jié)構(gòu)彎矩圖如圖5、圖6所示。膨脹力對(duì)結(jié)構(gòu)影響差異顯著，其中，工況一引起底板支座彎矩出現(xiàn)最大值，工況二引起底板跨中彎矩出現(xiàn)最大值，結(jié)構(gòu)彎矩及變形統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。

圖5 工況一彎矩圖Fig.5 Diagram of bending moment in working condition of one

圖6 工況二彎矩圖Fig.6 Diagram of bending moment in working condition of two

表2 彎矩及變形隨膨脹力變化統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of bending moment and transformation with expansion force

兩種工況下具體規(guī)律如下：

① 在底板全跨施加膨脹力時(shí)，支座彎矩變化較大，但增幅較小(從8.9 %增至9.2 %)；跨中彎矩變化稍小，但有較大增幅(從1.1 %增至3.4 %)；跨中最大變形為3.42 mm。

② 在底板一跨施加膨脹力時(shí)，支座彎矩變化較大，但增幅較小(從6.2 %增至6.5 %)；跨中彎矩較大，增幅較大(從5.8 %增至17.5 %)；跨中最大變形為3.08 mm。

計(jì)算結(jié)果表明，有膨脹力作用時(shí)，兩種工況下支座彎矩、跨中彎矩均有較大響應(yīng)，尤其是在150 kPa膨脹力作用在底板一跨時(shí)，跨中變化率達(dá)到17.5 %。

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)研究南寧地鐵車站在受底部膨脹力時(shí)，車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)。選取標(biāo)準(zhǔn)車站斷面為研究對(duì)象，將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，試驗(yàn)相似比為1∶20，車站模型示意圖如圖7所示。模型試驗(yàn)在廣西大學(xué)環(huán)境發(fā)生器試驗(yàn)坑中進(jìn)行，模型箱布置圖如圖8所示。通過(guò)改變底部土體中的含水率實(shí)現(xiàn)膨脹力施加，在土體和模型車站中埋設(shè)傳感器測(cè)試膨脹力和車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況。模型構(gòu)件尺寸和相似比見(jiàn)表3。

試驗(yàn)中車站結(jié)構(gòu)采用易于成型的有機(jī)玻璃板制作，其材料屬性如下：重度為11.6 kN/m3、彈性模量為3.7 GPa、泊松比為0.25。構(gòu)件彎矩、截面彎矩和應(yīng)變值的相似常數(shù)如下：

圖7 車站結(jié)構(gòu)模型示意圖
Fig.7 Schematic diagram of station structure

圖8 模型箱布置圖
Fig.8 The layout of model box

表3 車站模型與原型尺寸Tab.3 Dimensions of subway station model and prototype

3.2 傳感器布置

為測(cè)定膨脹土遇水膨脹后膨脹力大小，在距離車站結(jié)構(gòu)底板以下50 mm處均勻安裝3個(gè)土壓力盒，土壓力盒編號(hào)為T1～T3，具體布置圖如圖9所示。

車站結(jié)構(gòu)模型制作完成后安裝應(yīng)變傳感器，以測(cè)定當(dāng)周邊土體含水率改變時(shí)其膨脹力對(duì)車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化情況。試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定結(jié)構(gòu)應(yīng)變，經(jīng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系換算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，試驗(yàn)中就底板、中板和側(cè)墻三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)變觀測(cè)。應(yīng)變傳感器Y1～Y3均布于底板，Y4～Y6均布于中板，Y7～Y9均布于側(cè)墻，具體布置如圖10所示。

圖9 土壓力盒布置詳圖
Fig.9 Detail layout soil pressure boxes

圖10 應(yīng)變傳感器布置圖
Fig.10 Detail layout of strain sensors

3.3 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

圖11 底部膨脹力變化曲線Fig.11 Curve of base expansion

對(duì)膨脹土產(chǎn)生的膨脹力進(jìn)行測(cè)定，剔除異常波動(dòng)數(shù)據(jù)，得到車站結(jié)構(gòu)底部土壓力盒實(shí)測(cè)的膨脹力變化規(guī)律，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，土體注水后，車站結(jié)構(gòu)底部土體的膨脹力增大，且膨脹力增加速率前期迅速增加，后期逐步放緩，即在注水試驗(yàn)后，膨脹力增長(zhǎng)迅速，然后脹力增速逐步放緩。最后膨脹力達(dá)到最大值(45.5 kPa)，此時(shí)膨脹土趨于飽和。

根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系及材料力學(xué)原理計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，具體過(guò)程如下：

聯(lián)立兩式可得：

(4)

運(yùn)用式(4)，計(jì)算車站結(jié)構(gòu)模型受到膨脹力作用的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化；根據(jù)模型結(jié)構(gòu)內(nèi)力和相似常數(shù)，通過(guò)反算得到原型結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。例如，對(duì)于底板跨中彎矩：

M原型=cM×M模型=5×104×M模型。

(5)

式(5)同樣適用于計(jì)算原型結(jié)構(gòu)中板的彎矩。根據(jù)應(yīng)變值得到模型結(jié)構(gòu)在膨脹力作用下的彎矩變化，結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 底板彎矩變化曲線
Fig.12 Curve of baseboard’s moment

圖13 中板彎矩變化曲線
Fig.13 Curve of medium plate’s moment

由圖12、圖13可以看出，車站底板、中板的彎矩值，隨土體含水率同步增大；當(dāng)膨脹力增大至于一定值時(shí)，車站結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行二次重分布，所以在試驗(yàn)后期，各個(gè)部位的彎矩值出現(xiàn)波動(dòng)，并有減小跡象。模型試驗(yàn)反演結(jié)果與構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比列表Tab.4 Comparison list between model tests and numerical results

由表4可知，根據(jù)各構(gòu)件模型相似比，反演出的模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相一致。其中模型試驗(yàn)底板跨中彎矩偏大，分析原因是在夯實(shí)側(cè)部重塑土?xí)r，使底部土體干密度變大，土體吸水膨脹后對(duì)結(jié)構(gòu)作用力偏大。但車站模型試驗(yàn)整體良好反映了，膨脹巖吸水產(chǎn)生的膨脹力對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力響應(yīng)；其中在車站底部分布有膨脹巖時(shí)，膨脹力對(duì)底板變形影響最大，在今后設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)加大其構(gòu)件尺寸，保證地鐵車站結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

① 根據(jù)有限元計(jì)算，在相同膨脹力大小相等的情況下，車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)在局部膨脹力作用時(shí)最大；當(dāng)?shù)罔F車站受到150 kPa局部膨脹力時(shí)，車站底板的跨中彎矩值增長(zhǎng)率為17.5 %(從796.3 kN·m增至935.5 kN·m)，跨中的變形由0.04 mm增加到3.08 mm。

② 依據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，采用相似比為1∶20室內(nèi)模型研究車站底部受膨脹力作用，車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)。當(dāng)車站底板受膨脹力時(shí)，底板跨中彎矩變化最大。其中在45.5 kPa(最大值)膨脹力作用時(shí)，底板跨中彎矩最大為18.6 N·m，中板跨中彎矩為0.3 N·m。

③ 依據(jù)構(gòu)件相似比反演出模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。故在巖土勘察工作中，發(fā)現(xiàn)地鐵車站底部分布有大量膨脹土?xí)r，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取加大底板尺寸的措施，并加大施工階段對(duì)底板的監(jiān)測(cè)力度，排除隱患控制險(xiǎn)情。