某沿海軟土地區(qū)核電廠核島天然地基及樁基抗震承載力分析

王桂萱　張?！≮w杰

摘要：針對(duì)我國(guó)核島廠房建設(shè)尚沒(méi)有采用樁基礎(chǔ)的現(xiàn)狀，以某擬建核電廠嵌巖樁加固后的軟土地基為研究對(duì)象，采用滑面應(yīng)力法確定地基天然承載力，采用等效線性法描述近場(chǎng)地基非線性特征，粘性人工邊界模擬輻射阻尼效應(yīng)及考慮樁土效應(yīng)影響的節(jié)點(diǎn)耦合，建立了樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用模型，并通過(guò)有限元分析計(jì)算得到靜力、地震作用下樁體內(nèi)力分布，給出滿足抗震承載力要求的配筋方案。研究結(jié)果可為類似條件下的核島廠房軟土地基處理方案的抗震設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：軟土地基；嵌巖樁；抗震承載力；樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用模型；核島廠房

中圖分類號(hào)：TV431 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）01-0015-07

0 引言

核電作為一種安全、清潔且經(jīng)濟(jì)高效的新型能源，為我國(guó)解決能源缺口和環(huán)境問(wèn)題提供了一條重要途徑（郭勇，鄭硯國(guó)，2008；葉奇蓁，2012）。隨著我國(guó)核電的快速發(fā)展，沿海地區(qū)符合核電廠標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的廠址資源日益減少，導(dǎo)致新建核電廠的選址往往無(wú)法規(guī)避軟土地基，而軟土地基的天然承載力又不能滿足核電廠房的建設(shè)要求，需要對(duì)地基進(jìn)行加固處理。我國(guó)已建核電廠多位于硬質(zhì)巖質(zhì)地基，尚沒(méi)有核島廠房采用樁基礎(chǔ)的先例。同時(shí)，土體在強(qiáng)震作用下復(fù)雜的非線性特征使動(dòng)力分析變得更加困難，因此建立合理高效的樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用計(jì)算模型，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展對(duì)軟土地基及其地基處理后抗震承載力的研究是十分必要且有意義的。

目前，嵌巖樁因承載力大、沉降小、抗震性能好、施工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于地基加固工程中，其承載力的確定一方面可采用理論公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法等，但這些方法在可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面存在諸多限制（黃鋒等，1998）；另一方面可借助數(shù)值分析，在準(zhǔn)確給出土體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)增量有限元或滑面應(yīng)力分析等方法確定其極限承載力。其中，建立合理的樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用計(jì)算模型是保證數(shù)值模擬可靠性的前提。盧華喜等（2007）在樁土動(dòng)力分析二維接觸模型的研究中，考慮了樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用及土體的非線性，但底部設(shè)計(jì)使用剛性邊界，未能消除無(wú)限阻尼輻射效應(yīng)的影響；王滿生等（2005）為解決樁土動(dòng)力相互作用中部分能量耗散問(wèn)題，將阻尼成分加入現(xiàn)有Goodman接觸單元，并采用粘彈性人工邊界模擬土體邊界，但忽略了土體的非線性影響。上述研究都未能很好的解決土體的非線性特性、無(wú)限地基輻射阻尼效應(yīng)等問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，本文以國(guó)內(nèi)某沿海核電的軟土地基為研究對(duì)象，在通過(guò)有限元法驗(yàn)證天然地基無(wú)法滿足抗震承載力要求的情況下，建立可全面考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用、地基土的非線性及無(wú)限地基輻射阻尼效應(yīng)影響的核島廠房地震響應(yīng)計(jì)算模型，并基于此模型，對(duì)處理后核島地基的抗震承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 天然地基承載力確定方法

采用滑面應(yīng)力分析法確定天然地基承載力。該方法首先通過(guò)有限元方法得到計(jì)算域內(nèi)土體真實(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布，采用插值方法得到給定滑動(dòng)面上的應(yīng)力值，按照安全系數(shù)的定義公式計(jì)算沿滑動(dòng)面的安全系數(shù)，并采用優(yōu)化算法進(jìn)行最小安全系數(shù)及相應(yīng)滑動(dòng)面的搜索，通過(guò)確定安全系數(shù)是否趨近于1.0來(lái)判斷土體結(jié)構(gòu)是否達(dá)到極限狀態(tài)，同時(shí)求解極限承載力（趙杰，2006）。

對(duì)于平面應(yīng)變問(wèn)題，假設(shè)土體所構(gòu)成的平面區(qū)域?yàn)镾，并且已知S內(nèi)土體的應(yīng)力分布，如圖1所示。土體的抗剪強(qiáng)度采用摩爾一庫(kù)侖公式計(jì)算，即式中，σ_n為曲線上一點(diǎn)土體的法向應(yīng)力，φ是土體的有效內(nèi)摩擦角，c是有效粘聚力。令l為S內(nèi)的任意一條曲線，用y=y（z）表示，土體沿曲線Z的滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)定義為式中，r為沿曲線任意一點(diǎn)的剪應(yīng)力，τ_f為沿曲線任意一點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度。

2 樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用計(jì)算模型

2.1 樁-土動(dòng)力相互作用的模擬

為有效模擬樁體的幾何位置與界面特性，反映樁-土間的動(dòng)力相互作用，土體單元與樁單元的接觸采用共節(jié)點(diǎn)但材料性質(zhì)不同的連續(xù)介質(zhì)模型來(lái)模擬，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)采用擬三維分析。較之于真三維分析，具有更高的計(jì)算精度和效率，并且在國(guó)際上也有著成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，如日本的大島快仁和宇高竹和（2008）已將擬三維動(dòng)力分析應(yīng)用于核電站等建筑物的抗震以及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中。

2.2 土體非線性特性的模擬

土體具有復(fù)雜的非線性特征，且地震動(dòng)越大、非線性特性越明顯。鑒于傳統(tǒng)的非線性時(shí)程分析方法計(jì)算復(fù)雜、費(fèi)時(shí)長(zhǎng)及分析參數(shù)多等限制，采用等價(jià)線性法不但可以近似考慮土體在地震作用下的復(fù)雜非線性變化，同時(shí)也極大地提高了計(jì)算效率。等價(jià)線性法的實(shí)現(xiàn)途徑為：在計(jì)算開(kāi)始時(shí)輸入各地層的剪切模量G和阻尼比D，及初始值G₀和₀，使用G₀和D₀進(jìn)行線彈性分析，計(jì)算各地層的剪切應(yīng)變?chǔ)脮r(shí)程變化，并得到等效剪應(yīng)變?chǔ)?sub>el，如圖2所示。取γ_el對(duì)應(yīng)的G₀和D₀重新進(jìn)行線彈性時(shí)程分析，再次獲得各地層的剪切應(yīng)變時(shí)程曲線。利用迭代手段使用第n回的G_n-1、D_n-1計(jì)算獲得的γ_en對(duì)應(yīng)的G_n、D_n之間的誤差在容許誤差范圍之內(nèi)，通常經(jīng)過(guò)5次迭代即可使精度滿足要求（李建波等，2014）。等效線性法計(jì)算流程如圖3所示。

2.3 無(wú)限地基的模擬

在地基計(jì)算區(qū)域的外邊界處施加粘性人工邊界來(lái)反映遠(yuǎn)場(chǎng)地基的輻射阻尼影響，是地基無(wú)限域動(dòng)力模型采用的通用方式之一。粘性邊界是由Lysmer和Kuhlemeyer（1969）提出的一種人工邊界，主要思想是通過(guò)一系列布置在邊界上的阻尼器來(lái)吸收外邊界反射波波動(dòng)能量，達(dá)到模擬波動(dòng)在人工邊界上透射的效果，如圖4所示。同時(shí)施加等效荷載力P以滿足邊界應(yīng)力條件，人工邊界的法向和剪切應(yīng)力的計(jì)算公式為

3 工程概況

某沿海核電采用APl000機(jī)組，廠址地層上部為第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層，土體主要為粉質(zhì)粘土，局部有粉砂和粉土，揭露厚度在32.9～60.5m，共分為7層；覆蓋層下部為第四系更新統(tǒng)玄武巖和火山堆積巖，平均揭露厚度達(dá)60m，且分布較連續(xù)。巖土體力學(xué)參數(shù)取值如表1所示，由試驗(yàn)得到的各類土體動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變的變化規(guī)律如圖5所示。

核島廠房包括屏蔽廠房、安全殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各類輔助廠房等，總設(shè)計(jì)荷載1243100kN，筏基底板面積為2952.38m²，厚度為1.8m，基底高程為-5.29m。廠房結(jié)構(gòu)采用集中質(zhì)量單元與梁?jiǎn)卧嘟Y(jié)合的形式模擬，并分別沿筏板長(zhǎng)度（78m）方向和寬度（53m）方向進(jìn)行簡(jiǎn)化，形成X-Z、Y-Z兩個(gè)平面模型，如圖6所示。地基模型邊界自筏基底板左右兩側(cè)各向外延伸117m，深度方向取51m；嵌巖樁采用C30混凝土，樁長(zhǎng)39.6m，樁徑1.5m，水平間距3.95m，有限元模型如圖7所示。

根據(jù)廠址地震安評(píng)報(bào)告，核島廠房結(jié)構(gòu)所受地面運(yùn)動(dòng)的水平X向、水平Y(jié)向和豎直Z向峰值加速度分別為0.30g、0.29g及0.30g，地震動(dòng)持時(shí)為25s，時(shí)間步長(zhǎng)0.01s，X、Y及Z向加速度時(shí)程如圖8所示。

4 抗震承載力分析

4.1 天然地基抗震承載力

僅在上部結(jié)構(gòu)自重作用下，以增量有限元法得到的土體極限承載力為615kPa，此時(shí)滑面應(yīng)力分析所求得安全系數(shù)為1.01，圖9給出了X-Z、Y-Z兩個(gè)平面的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置。從圖10的地基安全系數(shù)時(shí)程曲線中可以看出，在設(shè)計(jì)荷載作用下天然地基的動(dòng)力安全系數(shù)在多個(gè)時(shí)刻均小于1，其動(dòng)力安全系數(shù)最小值為0.63，最小平均安全系數(shù)為0.98，平均安全系數(shù)為1.58，故天然地基的抗震承載力未能滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。

4.2 樁基抗震承載力

圖11給出了X-Z、Y-Z平面靜力、地震作用下的嵌巖樁樁身內(nèi)力圖，并將樁身內(nèi)力最大值匯總于表2，從表中可以看出：

（1）結(jié)合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）中的相關(guān)規(guī)定可以得到，單樁極限承載力約為15162.1kN，遠(yuǎn)大于靜力作用下5451kN和地震作用下3430kN的樁身軸力，故樁身豎向承載力有著較高的安全裕度。

（2）樁身所受剪力在土層的剛度變化處，即軟土一基巖分界處達(dá)到最大值；所受彎矩在樁頂處達(dá)到最大值。

（3）相比于地震作用下樁身所受到的彎矩和剪力，靜力作用下的彎矩和剪力值可以忽略不計(jì)，故地震荷載應(yīng)作為控制荷載指導(dǎo)截面配筋設(shè)計(jì)。

4.3 樁基配筋方案

以地震荷載作為設(shè)計(jì)控制荷載，結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）的規(guī)定，按圓形截面受彎構(gòu)件的正截面承載力進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，綜合給出的嵌巖樁配筋方案為：φ32@150mm，配筋率為1.43%，配筋圖如圖12所示；經(jīng)校核，配筋方案滿足偏心受壓、彎功能。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)核電尚無(wú)樁基礎(chǔ)案例的現(xiàn)狀，本文以國(guó)內(nèi)某核電軟土地基和樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，通過(guò)有限元計(jì)算分析得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)增量有限元計(jì)算及滑面應(yīng)力分析結(jié)果，廠址天然地基的靜承載力滿足核島設(shè)計(jì)荷載要求，但抗震承載力不足；

（2）在進(jìn)行樁基抗震承載力分析時(shí)，采用等效線性法描述土體材料非線性特征，粘性人工邊界模擬輻射阻尼效應(yīng)，節(jié)點(diǎn)耦合考慮樁土效應(yīng)影響，結(jié)果證明是可行且合理的；

（3）在強(qiáng)震作用下，由于土層運(yùn)動(dòng)使樁身內(nèi)力在軟硬土層界面處達(dá)到最大值，極易引發(fā)樁身彎曲或剪切破壞，因此可通過(guò)合理配筋使得樁基抗震承載力滿足要求。