高層住宅大震位移下土體附加應(yīng)力數(shù)值分析

王韻斌

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

在罕遇地震(大震)作用下，當(dāng)樓房嵌固端取在地下室頂板之下時(shí)，樓房將對(duì)周邊土體產(chǎn)生較大推力，該推力將作用在周邊的擋土墻上，對(duì)擋墻產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而造成安全隱患。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)擋土墻與邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題做了大量的研究［1-5］。

本分析是以昆明市七彩云南第一城項(xiàng)目為依托，通過(guò)分析在大震作用下樓房基底產(chǎn)生位移之后對(duì)房屋周邊土體產(chǎn)生的推力，以此作為房屋周邊擋墻的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 分析軟件簡(jiǎn)介

本分析運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行計(jì)算分析。FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美國(guó)Itasca公司開(kāi)發(fā)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于巖土工程數(shù)值分析領(lǐng)域。

FLAC3D是二維的有限差分程序FLAC2D的擴(kuò)展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。通過(guò)調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來(lái)擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線(xiàn)性或非線(xiàn)性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)(大變形模式)。FLAC3D采用了顯式拉格朗日算法和混合—離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。由于無(wú)須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問(wèn)題。FLAC3D是采用ANSI C++語(yǔ)言編寫(xiě)的。

2 建模分析

2.1 模型幾何條件

本工程選取一樓房剛體與相應(yīng)地基進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)其受力特征，選擇沿截面方向的二維斷面進(jìn)行數(shù)值模擬分析。地基填土層為20 m，中風(fēng)化巖層為20 m，樓房埋深為10 m，其余幾何尺寸見(jiàn)圖1。模型的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2，網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×1 m。

圖1 模型示意圖

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.2 模型參數(shù)與計(jì)算工況

本工程采用FLAC3D進(jìn)行彈塑性數(shù)值分析，模型中需體積模量K與剪切模量G，采用如下公式計(jì)算:

模型中主要涉及到的材料基本物理學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料屬性

本工程中模擬在大震作用下發(fā)生側(cè)移，擠壓土體，并由此通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到地基土中的橫向附加應(yīng)力值，并以此作為擋土墻設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.3 本構(gòu)模型與邊界條件

考慮巖土體材料本身的特性，樓房剛體和中風(fēng)化巖層采用FLAC3D中的ELAS(彈性)模型，填土層采用FLAC3D中的M-C(摩爾庫(kù)侖)模型，考慮了土的彈塑性變形。

模型邊界設(shè)置兩側(cè)為水平位移約束，側(cè)面邊界設(shè)置為Z方向位移約束，底部邊界為水平和垂直位移約束。同時(shí)在樓房剛體地面附加水平方向約束。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 主樓大震下側(cè)移時(shí)模型位移

通過(guò)對(duì)主樓左側(cè)施加附加應(yīng)力的方式，使其在一層地面位置產(chǎn)生40 mm的位移，如圖3所示。通過(guò)圖4的顯示可知，主樓左側(cè)土體產(chǎn)生向右上側(cè)的位移，而主樓右側(cè)土體產(chǎn)生了向右下側(cè)的位移。

圖3 主樓大震下側(cè)移時(shí)的模型位移矢量圖

圖4 主樓大震下側(cè)移時(shí)的樓房地基局部位移矢量圖

3.2 主樓大震側(cè)移時(shí)模型應(yīng)力分布

通過(guò)對(duì)比圖5和圖6的結(jié)果，可見(jiàn)在大震作用下，主樓的右下側(cè)土體產(chǎn)生了較大的水平附加應(yīng)力，達(dá)到了接近200 kPa。

圖5 重力場(chǎng)下土體水平向應(yīng)力云圖

圖6 主樓大震側(cè)移時(shí)土體的水平向應(yīng)力云圖

對(duì)距離主樓6 m和8 m的各深度的土體水平應(yīng)力進(jìn)行提取，可得到如圖7～圖9所示的規(guī)律。

圖7 距離主樓6 m處水平應(yīng)力分布

4 結(jié)論與建議

對(duì)以上規(guī)律進(jìn)行總結(jié)可得出以下結(jié)論:

1)在大震的作用下，主樓附近土體較之未計(jì)算大震時(shí)產(chǎn)生了較大的水平附加應(yīng)力;

圖8 距離主樓8 m處水平應(yīng)力分布

圖9 不同位置土壓力差值

2)在大震的作用下，主樓附近土體水平應(yīng)力沿深度呈增大趨勢(shì);

3)在大震的作用下，主樓附近土體水平應(yīng)力沿距離呈減小趨勢(shì);

4)在大震的作用下，距主樓不同距離的土體水平應(yīng)力差值沿深度呈減小趨勢(shì)。

基于本文研究的內(nèi)容，可由設(shè)計(jì)者根據(jù)項(xiàng)目具體情況所需提取指定距離和指定深度的附加水平應(yīng)力，作為對(duì)周邊擋土墻的設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］殷躍平，李廷強(qiáng)，唐 軍.四川省丹巴縣城滑坡失穩(wěn)及應(yīng)急加固研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(5):971-978.

［2］Hoek E，Bray J W.巖石邊坡工程［M］.盧世宗，譯.北京:冶金工業(yè)出版社，1983:105-115.

［3］Goodman R E.巖石力學(xué)原理及其應(yīng)用［M］.王鴻儒，譯.北京:水利電力出版社，1990:207-210.

［4］Tamraka R N K，Yokota S，Osaka O.A Toppled Structure with Sliding in the Siwalik Hills，Midwestern Nepal［J］.Engineering Geology，2002，64(4):339-350.

［5］王立強(qiáng)，王元戰(zhàn)，遲麗華.擋土墻地震土壓力及其分布［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2007(5):29-30.