遼東灣某海相軟土場地地震動響應研究

梅振宙　宮昆峰　趙祖棟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津　300142 )

The Research on Vibration Response of Marine Soft Soil Ground in Liaodong Bay

MEI Zhenzhou　GONG Kunfeng　ZHAO Zudong

遼東灣某海相軟土場地地震動響應研究

梅振宙宮昆峰趙祖棟

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津300142 )

The Research on Vibration Response of Marine Soft Soil Ground in Liaodong Bay

MEI ZhenzhouGONG KunfengZHAO Zudong

摘要結(jié)合工程實例，對海相軟土場地地震動響應特征進行研究。依托遼東灣某液化場地的鉆孔資料，結(jié)合當?shù)氐目辈靾蟾?，建立FALC3D動力學液化Byrne模型，對該地區(qū)自由場地El Centro波作用下不同時刻進行動力學模擬，監(jiān)測記錄了2.5 s，5 s，7.5 s及10 s時刻該場地的加速度、z向位移、x向位移、孔隙水壓力比。得到海相軟土在動力作用下的受力規(guī)律、位移變形規(guī)律和孔隙水壓力變化規(guī)律。勘察結(jié)果表明，該軟土場地液化嚴重，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

關鍵詞濱海地區(qū)軟土場地Byrne孔壓模型動力學分析

濱海地區(qū)廣泛分布著軟土、砂土、液化土等特殊土[1]，在這些地區(qū)進行工程建設需注意場地承載力、砂土液化和軟土震陷等問題[2]。同時，我國東部沿海特別是京津塘地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)地震頻發(fā)，在這些特殊土場地進行工程建設所遇到的動力學問題也尤為突出[3]。選擇遼東灣某濱海地區(qū)具有代表性的軟土、砂土場地[4]，利用FLAC3D軟件對該水平自由場地在地震荷載作用下的動響應問題進行研究。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)地處遼東灣濱海地區(qū)(見圖1中藍色圓圈所示)，瀕臨遼東灣，該地區(qū)軟土、吹填土、砂土廣布，成因為海相沉積，選取該濱海軟土場地某具有代表性的鉆孔所揭示的地層進行研究。該孔位所在場地淤泥、砂土、粉土互層廣布。

圖1　鉆孔實際位置

2模型的建立及參數(shù)選取

2.1　軟土水平自由場地模型的建立

該場地土層共分為4層，總厚度為16 m，0～2 m為粉砂， 2～7 m為粉砂夾粉質(zhì)黏土，7～11 m為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土粉砂互層，11～16 m為粉質(zhì)黏土粉砂互層。場地實際尺寸為12 m×12 m×16 m，x、y、z網(wǎng)格劃分為30×30×10，共劃分31 500個單元，共計34 596個網(wǎng)格結(jié)點。

2.2　基本物理力學參數(shù)及動力學參數(shù)選取

依據(jù)勘察報告并通過室內(nèi)外實驗得到該鉆孔所在特殊土場地的基本物理力學參數(shù)(如表1)。

2.3　動力邊界條件的設置

因為地震波的反射、疊加，會影響動響應的結(jié)果，所以邊界條件的設置就顯得尤為重要。FLAC3D中有靜止(黏性)邊界和自由場邊界兩類邊界條件,以減少波的這些影響[5]。模擬水平自由場地的動力反應，在模型各側(cè)面的邊界條件須考慮為沒有地面結(jié)構時的自由場運動，故采用FLAC3D自帶的自由場邊界(圖2)。

表1　軟土場地土層物理力學參數(shù)選取

圖2　自由場邊界示意

FLAC3D通過在模型四周生成二維和一維網(wǎng)格的方法來實現(xiàn)自由場邊界條件，主體網(wǎng)格的側(cè)邊界通過阻尼器與自由場網(wǎng)格進行耦合，自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格的邊界上(圖3)。由于自由場邊界提供了與無限場地相同的效果，因此向上的面波在邊界上不會產(chǎn)生扭曲[6]。

圖3　土體與自由場邊界單元網(wǎng)格

2.4　地震波的選擇

選擇在地震動力分析中最常用的El Centro地震波作為輸入地震荷載。該地震波加速度時程曲線如圖4所示。

圖4　El Centro波加速度時程曲線

2.5　監(jiān)測單元及監(jiān)測點的布設

為了更好地研究地震波對水平自由場地的影響，需對水平自由場地布設監(jiān)測點。從三維空間x，y，z向選擇不同土層的分界面及土層頂?shù)酌?見圖5)，共4層土，5個分界面，再選擇3個點(中心點、左前方點和右后方點)，共選取15個點，分別對每個點的加速度、z向位移、x向位移和孔隙水壓力比進行監(jiān)測，其中每個孔隙水壓力比監(jiān)測點設置2個監(jiān)測點(即由總應力表示的孔隙水壓力比和由有效應力表示的孔隙水壓力比)，共設置監(jiān)測點75個。

圖5　監(jiān)測單元剖面布局及空間分布

3地震動力響應模擬及分析

選取El Centro地震波實際記錄時間的前10 s，參閱《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，并結(jié)合當?shù)叵嚓P的地質(zhì)勘察報告，研究區(qū)的地震動峰值加速度為0.15g，其對應的地震基本烈度為Ⅶ度，對選取的地震波進行濾波和基線校準等處理后作為輸入的動荷載[7]。

3.1　El Centro波不同作用時間下各監(jiān)測單元的加速度時程曲線[8]

圖6　監(jiān)測點16(6，6，-16)аx-t曲線

從圖6，圖7中可以看出，各加速度曲線與導入的EL Centro地震波具有良好的相關性，而且加速度約在2 s時逐步增加達到峰值，與地震波在2 s時達到峰值加速度一致(對比監(jiān)測點4(位于場地底面中心)和監(jiān)測點16(位于表面中心))。

圖7　監(jiān)測點16(6，6，0)аx-t曲線

該點處的加速度與底面中心相比較小，可見地震波在土層中傳播過程中由于受到阻尼的作用其能量逐漸減小，其加速度幅值也有所降低。

3.2　El Centro波不同作用時間下各監(jiān)測單元位移應力研究

通過設立的監(jiān)測點，對各個監(jiān)測單元的位移、應力及孔隙水壓力進行記錄得到如下結(jié)果(如圖8～圖11所示)。

圖8　動力作用2.5 s時刻的z向位移

圖9　動力作用5 s時刻的z向位移

圖10　動力作用7.5 s時刻的z向位移

圖11　動力作用10 s時刻的z向位移

對比2.5 s、5 s、7.5 s、10 s的z位移可知，該水平場地在EL Centro地震波作用2.5 s，5 s，7.5 s及10 s時的豎向最大位移分別為2.3 cm，5.9 cm，21.97 cm和66.34 cm。說明在地震荷載作用下，該場地豎向位移不斷增大，在地震作用6 s之后，z向位移迅速增加(如圖12所示)。

圖12　z向位移隨動力作用時間的變化曲線

圖13　動力作用2.5 s時刻的x向位移

圖14　動力作用5 s時刻的x向位移

圖15　動力作用7.5 s時刻的x向位移

圖16　動力作用10 s時刻的x向位移

圖17　x向位移隨動力作用時間的變化曲線

從圖13到圖17可知，該場地在地震波的作用下水平向產(chǎn)生的位移較大，x向最大位移從2.5 s時刻的5.3 cm迅速增加到10 s時刻的21.8 cm。而同一時刻該場地位移隨深度的增加而呈線性趨勢增大。

圖18　動力作用2.5 s時刻的z向應力

圖19　動力作用5 s時刻的z向應力

圖20　動力作用7.5 s時刻的z向應力

圖21　動力作用10 s時刻的z向應力

從圖18到圖21可知，該場地在不同時刻所受的z向應力整體上均呈層狀分布，同時隨著深度的增加其所受的動應力不斷增加。而同一深度土層受地震波作用而呈波浪形，這與實際情況吻合。

圖22　動力作用2.5 s時刻的孔隙水壓力

圖23　動力作用5 s時刻的孔隙水壓力

圖24　動力作用7.5 s時刻的孔隙水壓

圖25　動力作用10 s時刻的孔隙水壓力

從圖22到圖25可知，孔隙水壓力隨時間的變化不斷增加，而在空間上呈層狀分布。

如圖26所示，不同顏色的單元表示不同的塑性變形?？梢姡诘卣鹱饔孟虏煌瑢游坏耐翆幽骋粫r刻受到的應力極為復雜，同時，其應力歷史也比較復雜，塑性區(qū)分布廣泛、應力狀態(tài)基本呈層狀分布，同一點往往不僅僅受一種應力的作用，這是受地震波反射、疊加等作用的影響造成的[9，10]。

圖26　地震荷載作用10 s的塑性變形

3.3　El Centro波作用下的孔隙水壓力時程曲線

對比圖27不同深度處孔隙水壓力時程曲線可以得到如下規(guī)律：隨著地震荷載的作用，土體內(nèi)的有效應力減小，孔隙水壓力在0.2 s內(nèi)迅速增加，增加到一定峰值之后，由于土體內(nèi)的水不能及時排出，孔隙水壓力不斷增大，此時土層有效應力減少很大，土層發(fā)生液化。下部土層孔隙水壓力在2 s后迅速增大，之后一直保持較高的孔隙水壓力水平。中部的土層由于土層滲透性差，其孔隙水壓力得不到消散，孔壓比曲線呈不斷上升的趨勢，但在急速上升之后呈緩慢增長的趨勢，而上部的土層由于排水通道良好，孔隙水及時排出，其孔隙水壓力比曲線在地震荷載用初期迅速增長到一定值之后，隨后一直相對穩(wěn)定，而且孔隙水壓力值明顯低于其他土層[13-14]。

圖27　不同深度處的孔隙水壓力變化曲線

4結(jié)論

依托遼東灣某軟土自由場地的鉆孔資料，結(jié)合當?shù)氐目辈靾蟾妫瑢υ摰貐^(qū)自由場地在El Centro波作用不同時刻進行動力學模擬，監(jiān)測記錄了2.5 s，5 s，7.5 s及10 s時刻該場地的加速度、z向位移、x向位移、孔隙水壓力比，在該處場地的5個土層界面，每個土層界面設置3個監(jiān)測單元，一共設置15個監(jiān)測單元，75個監(jiān)測點，得出該地區(qū)不同深度的水平向加速度時程曲線、豎向和水平向位移變化曲線及孔隙水壓力變化曲線。此外，選取實際地層進行數(shù)值模擬，模擬的參數(shù)來自大量的室內(nèi)實驗和原位測試，為模擬提供了各項物理力學參數(shù)，而通過引入孔隙水壓力建立Byrne模型，很好地解決了地震過程中孔隙水壓力的記錄、研究等問題。

參考文獻

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[2]中華人民共和國建設部.地基動力特性測試規(guī)范(GB/T50269—97)[S].北京:中國計劃出版社，1999

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[4]石兆吉，張延軍，孫銳.土層液化對房屋遭受地震荷載的影響[J].世界地震工程，1995，8(3)：10-16

[5]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社，2008

[6]何傳友.液化場地微型樁基地震響應三維數(shù)值分析[D].合肥:合肥工業(yè)大學，2009

[7]黃芮，張延軍，李洪巖，等.遼河三角洲相沉積軟土動力特性試驗[J].吉林大學學報：地球科學版，2010，40(5):213-217

[8]豐土根，張禮明.振動頻率對飽和松砂動力特性影響試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2013，11(3):11-14

中圖分類號：TU475+.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0055-06

作者簡介：第一梅振宙(1988—)，男，2014年畢業(yè)于吉林大學，工學碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-03-04