矩形闭合型地下连续墙基础地震动力响应分析

张世亮

(铁道第三勘察设计院集团有限公司地质路基处，天津 300142)

1 国内外研究概况

在地下连续墙家族中，矩形闭合型地下连续墙是一个较为年轻的成员[1]。1979年，日本在东北新干线饭坂街道高架桥工程中首次采用矩形闭合型地下连续墙[2]，代替了惯用的沉井式基础。由于其不同于以往的桥梁基础，有着良好的工程特性，矩形闭合型地下连续墙得到了日本工程界的高度重视，并已在日本取得了大量的应用[3]。迄今为止，日本已在20余座桥梁的100多个桥梁基础中采用了矩形闭合型地下连续墙[4]。

尽管针对矩形闭合型地下连续墙的研究已取得了一定的成果，但尚未涉及其在地震作用下的结构动力响应问题。本文基于PLAXIS 8.5有限元软件，对矩形闭合型地下连续墙在地震作用下不同位置的加速度、位移等变化情况进行了研究，并对影响其动力响应的一些相关因素进行了分析，以期为进一步的矩形闭合型地下连续墙振动控制提供必要的技术参数。

2 计算模型及参数确定

2.1 模型的建立

使用Plaxis动力分析模块可以分析结构在土体中的振动效果[5]，本次数值模拟的结构模型为矩形闭合型地下连续墙，地基包括黏土与砂土。考虑到反射波的干扰，模型的边界应远离所研究的区域，故在矩形闭合墙静力分析边界条件的经验基础上[6]，加大了水平向的边界范围，取为基础承台边长的9倍，竖向取为墙深的2倍，具体模型如图1所示。

图1 数值计算模型(单位: m)

由于实际上土体是半无限大介质，需要定义特殊的边界条件。如果没有吸收边界，振动波会在模型边界处反射，引起扰动。为了避免这种反射，在底部和左侧边界设置吸收边界。同时，地震用施加在底部边界上的指定位移来模拟，Plaxis可以通过SMC地震记录[7]快捷的生成地震。模型采用平面应变15节点单元进行模拟，时间单位为秒，最终的模型及测点分布如图2所示。

图2 有限元数值模型及测点布置

2.2 参数的设定

地下连续墙及承台采用弹性板单元进行模拟，而土体采用摩尔库伦模型，由黏滞效应产生的物理阻尼用雷利阻尼来模拟，具体的结构及土体参数见表1及表2所示。值得注意的是，由于通常情况下动荷载是高速的且引起的是小应变，因此土体的动态刚度通常都比静态刚度大。

表1 结构单元参数

表2 土体参数

为了尽可能地反映模型真实的情况，在地下连续墙承台上部施加均布荷载(50kPa)。计算分两步进行，第一工序为地下连续墙受上部荷载的静力“塑性计算”，第二工序为输入地震的“动力分析”。为了详细分析地震作用，在第二工序计算开始前重置位移为0。本次数值模拟分别选取了典型的地震记录UPLAND地震波的SMC文件作为激励输入，进行结构的动力响应分析。本次数值模拟采用的地震波是地表东西向水平加速度的记录信号，具体的波形及参数如图3所示。

图3 采用的地震波波形

3 结果分析

基于前文的基本算例，对UPLAND地震作用波作用下的矩形闭合型地下连续墙结构动力响应进行分析。

根据数值模拟结果，可得出不同动力时间下地下连续墙整体的位移情况，取30s时结构的最终变形情况作为研究对象(图4)，可以看出闭合型地下连续墙基础由于本身刚度较大，其变形存在一定的整体协调性，在地震的全过程中几乎都呈现出刚体的变形特性。因此研究其变形可取典型点(图2所示的测点)，分别绘出各地震波工况下结构的位移及加速度时程曲线(图5)。

图4 地震波作用下地下连续墙墙体变形情况

从图5可以得出：

(1)从整体而言，在两种地震波下，地下连续墙的变形都随着地震加速度的变化而产生起伏，并最终趋于稳定。由于土体存在着黏滞效应，墙身位置距离震源越近，其产生变形量也越大。

(2)在UPLAND波下，在前期基础的水平变形量不大，竖向上呈不断向下沉降的趋势。随着地震波的变化，基础的水平位移逐渐增大，竖向位移趋于稳定，基础变形整体呈向左倾的趋势。基础的最大水平位移值为7 cm，最大竖向位移约-5 cm，其变形也经历了水平方向上先左至右，竖向上先下后上的过程。

(3)在UPLAND波下，基础的竖向在地震波加速度从最小变到最大再减小的过程中，都会产生先沉降再上浮的变形过程，其拐点变化时间为该位置加速度到达极值的动力时刻。

图5 UPLAND波作用下地下连续墙墙体位移时程曲线

考虑结构本身的加速度变化，绘出地震波作用下地下连续墙墙体加速度时程曲线，如图6所示。

图6 UPLAND波作用下地下连续墙墙体加速度时程曲线

由图6可以看出，由于土体的黏滞效应，相同动力时间下，结构的加速度值与地震波的加速度值存在较大的差别，但整体变化趋势较一致。值得注意的是，由于UPLAND波在前30 s时间中，相同加速度幅值的持续时间较长，导致结构在15 s左右的动力时间段的加速度值超过了地震波的加速度值，最大加速度值达到了300 cm/s2，而实际地震波的最大加速度为200 cm/s2，这是地震波共振造成驻波的结果。同时可以看出，在地震过程中，闭合型地下连续墙墙身的最大加速度位于底部，而顶部的加速度值大于中部，这是因为顶部没有土体上覆盖，存在着一定的放大效应。

从基础的位移方面，结合地震波的变化可知，基础位移量的大小主要决定于地震波加速度的大小。从监测点位移的变化情况来看，基础水平位移量的大小与地震波相近加速度下的持续时间具有较大的关系，如UPLAND波作用后期时，基础水平位移不断增加(图5(a))；而基础的竖向位移与地震波下墙体加速度的大小与持续时间有关(图6)。

4 结论

基于有限元Plaxis 8.5软件，对闭合型地下连续墙的地震动力响应进行分析，得出了以下结论：

(1)闭合型地下连续墙基础由于本身刚度较大，其变形存在一定的整体协调性，在地震的全过程中几乎都呈现出刚体的变形特性。

(2)在地震波下，地下连续墙的变形随着地震加速度的变化而产生起伏，并最终趋于稳定。由于土体存在着黏滞效应，墙身位置距离震源越近，其产生变形量也越大。

(3)在UPLAND波下，基础变形整体呈向左倾的趋势。基础经历了水平方向上先左至右、竖向上先下后上的过程。

(4)在地震过程中，闭合型地下连续墙墙身的最大加速度位于底部，而顶部的加速度值大于中部，这是因为顶部没有土体上覆盖，存在着一定的放大效应。

[1] 丛蔼森.日本的一种新型桥梁基础——地下连续墙沉井[J].国外桥梁，1990，(2)：20-30

[2] 棚村史郎.鉄道橋基礎の特微と現状[J].橋梁と基礎，2009，43(8)：27-30

[3] 吴九江，程谦恭，文华.地下连续墙基础在日本的多样化发展[J].工业建筑，2013，43(1)：70、144-149

[4] 程谦恭，文华，宋章.地下连续墙桥梁基础承载机理[M].北京：科学出版社，2011

[5] R.B.J. Brinkgreve，W. Broere，D. Waterman. Plaxis2D manual books，2006

[6] Qiangong Cheng, Jiujiang Wu, Zhang Song, Hua Wen. The behavior of a rectangular closed diaphragm wall when used as a bridge foundation. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2012, 6(4): 398-420

[7] 曹光喧.NSMP天然地震波SMC文件记录格式及其应用[J].工程与建设，2006，20(5)：502-504