地震作用下防波堤結(jié)構(gòu)地基液化及變形分析

安曉東+趙杰+云高杰

摘要：采用有限差分軟件FLAC3D，對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)地基地震響應(yīng)進(jìn)行了分析和計(jì)算，重點(diǎn)給出了地基液化程度和變形情況。計(jì)算結(jié)果表明：在強(qiáng)度較小地震作用下，防波堤結(jié)構(gòu)地基破壞的程度較小，可以正常使用；在較強(qiáng)地震作用下，防波堤結(jié)構(gòu)地基出現(xiàn)了較明顯的孔壓增長和位移變化。當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯堤岣叩?2 g后，防波堤地基出現(xiàn)明顯液化現(xiàn)象，液化區(qū)域主要集中在右側(cè)上層。地震引發(fā)的防波堤變形對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全影響較小，對(duì)安全性影響的主要因素是砂土液化，會(huì)造成結(jié)構(gòu)不同程度的破壞。

關(guān)鍵詞：防波堤；抗震；液化；超孔壓比；位移

中圖分類號(hào)：U656文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2017）01-0059-06

0引言

防波堤在我國港口建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)自身承載力具有嚴(yán)格的要求。20世紀(jì)70年代以來，世界各地發(fā)生了幾次較大地震，許多堤防和建筑物受到大規(guī)模的破壞（魯曉兵等，2004）。地基液化以及變形是防波堤結(jié)構(gòu)地震破壞的主要特點(diǎn)，所以對(duì)于防波堤結(jié)構(gòu)地基液化及變形分析是其抗震設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容。液化問題經(jīng)歷了一系列的研究與發(fā)展，Seedhb和Bookerr（1976）首先提出了自由場地液化的簡化判別方法；方云等（2001）分析了地震液化條件下重力式碼頭的變形破壞機(jī)理，提出了重力式碼頭的抗震穩(wěn)定性設(shè)計(jì)建議；馬碩和羅奇（1998）介紹了日本阪神地震中海港碼頭、河流堤岸的破壞類型和受災(zāi)情況，分析了破壞的原因，提出了對(duì)碼頭、堤岸的抗震防災(zāi)建議；王麗艷等（2010）采用液化度單一指標(biāo)從物理本質(zhì)上來間接表征防波堤的殘余變形，得到防波堤殘余變形與液化度之間的函數(shù)預(yù)測關(guān)系。

目前我國水運(yùn)工程中關(guān)于防波堤的抗震設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)地基和岸坡抗震的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)（水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，JTS146-2012），但是僅僅局限于力的極限平衡（韓石等，2013）。對(duì)于防波堤結(jié)構(gòu)地基的液化問題國內(nèi)外學(xué)者研究較少。本文采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)某大型填海造地工程防波堤護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了防波堤結(jié)構(gòu)在不同地震作用下超孔壓比以及變形情況，總結(jié)防波堤結(jié)構(gòu)地基液化及其變形規(guī)律，為類似的工程結(jié)構(gòu)提供理論和設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1FLAC3D數(shù)值分析原理

11動(dòng)孔壓模型

FLAC3D有限差分軟件可以模擬砂土在動(dòng)力作用下的孔壓積累直至土體液化，采用Finn模型來描述孔壓的積累的效應(yīng)，該模型實(shí)質(zhì)是在摩爾庫倫模型的基礎(chǔ)上增加了動(dòng)孔壓的上升模式，并假定動(dòng)孔壓的上升與塑性體積應(yīng)變?cè)隽坑嘘P(guān)（陳育民，徐鼎平，2008）。

設(shè)在有效應(yīng)力σ′0時(shí)砂土的一維回彈模量為Er，則對(duì)于不排水條件下孔隙水壓力的增量Δu與塑性體積應(yīng)變?cè)隽喀う舦d的關(guān)系為

Byrne（2003）利用Martin和Seed的試驗(yàn)資料，提出了一種更加簡便的計(jì)算塑性體積應(yīng)變?cè)隽康姆椒ǎ?/p>

式中：γ為第N次循環(huán)剪應(yīng)變幅值；εvd為累積體積應(yīng)變；C1，C2為與砂土相對(duì)密度Dr和修正標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N1有關(guān)的參數(shù)，按下式計(jì)算：

12液化判別標(biāo)準(zhǔn)

在數(shù)值計(jì)算中采用超孔壓比的概念來描述液化，超孔壓比用ru=1-σ′mσ′m0表示，σ′m0為動(dòng)力計(jì)算前單元的平均有效應(yīng)力，σ′m為動(dòng)力計(jì)算過程中的平均有效應(yīng)力。理論上，當(dāng)超孔壓為1時(shí)，砂土發(fā)生液化，但是大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超孔壓未達(dá)到1時(shí)，砂土就發(fā)生液化現(xiàn)象（韓石等，2013）。

13動(dòng)力邊界條件

為吸收地震過程中地震波在邊界上的反射，對(duì)計(jì)算模型設(shè)置了自由場邊界，設(shè)定自由場邊界之后，F(xiàn)LAC3D程序會(huì)自動(dòng)在模型四周形成自由場網(wǎng)格，通過主體網(wǎng)格與自由場網(wǎng)格的耦合作用來近似的模擬自由場地的地震響應(yīng)（韓石等，2013）。阻尼形式采用局部阻尼，它在振動(dòng)循環(huán)中通過節(jié)點(diǎn)或結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上增加或減小質(zhì)量的方法達(dá)到收斂，由于增加的單元質(zhì)量和減少的單元質(zhì)量相等，所以說系統(tǒng)保持質(zhì)量守恒，考慮到土體實(shí)際阻尼比約01，本項(xiàng)目局部阻尼取為：0314（局部阻尼=01π）。

地震研究40卷第1期安曉東等：地震作用下防波堤結(jié)構(gòu)地基液化及變形分析2防波堤結(jié)構(gòu)抗震分析21動(dòng)力分析模型某大型填海造地工程防波堤結(jié)構(gòu)長60 m，地基厚50 m，回填塊石高度為4 m。防波堤結(jié)構(gòu)和分析模型如圖1所示，根據(jù)該場地巖土工程勘察報(bào)告確定的計(jì)算巖土力學(xué)參數(shù)、流體參數(shù)和液化參數(shù)見表1，其中粉砂液化參數(shù)根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)確定。

動(dòng)力分析模型如圖2所示，由8 400個(gè)單元，9 922個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，其中黃色網(wǎng)格為添加能量邊界后的自由場網(wǎng)格。

2地震動(dòng)輸入

我國《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 146—2012）采用重現(xiàn)期為475年（50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期超越概率為10%）的設(shè)計(jì)地震；本文參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）中關(guān)于多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震作用下時(shí)程分析法地面峰值加速度的有關(guān)規(guī)定，對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，采用美國的EI-Centro地震波，地震波持續(xù)時(shí)間30s。圖3和圖4分別是EI-Centro地震波曲線和傅立葉譜變化曲線，從中可以看出，地震波頻譜成分比較復(fù)雜，主要頻率集中在20 Hz以內(nèi)。

具體動(dòng)力分析計(jì)算時(shí)，基巖地震動(dòng)加速度輸入考慮三種情況，010 g、015 g以及020 g，其中分別010 g對(duì)應(yīng)Ⅶ度抗震設(shè)防，020 g對(duì)應(yīng)Ⅷ度抗震設(shè)防。

3防波堤地基液化及變形分析結(jié)果31不同地震作用下的液化分析為了判斷防波堤結(jié)構(gòu)地基的液化情況，計(jì)算中采用fish語言對(duì)地基砂土層的超孔壓比進(jìn)行了數(shù)值監(jiān)測，圖5僅給出了A、B、C、D四個(gè)代表性監(jiān)測點(diǎn)的位置，得出在01 g、015 g和02 g峰值加速度下，地基砂土層的超孔壓比值分布不一樣，01g時(shí)超孔壓比范圍為04～08；015 g時(shí)超孔壓比范圍為045～094；02 g時(shí)超孔壓比為059～1。根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超孔壓比未達(dá)到1時(shí)也可判為液化，根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，本文取超孔壓比值達(dá)到07時(shí)判別為液化。

表3和圖6給出了地震結(jié)束時(shí)防波堤地基在不同地震作用下代表性監(jiān)測點(diǎn)的超孔壓比數(shù)值，從中可以看出，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯禐?1 g時(shí)，超孔壓比超過07的單元比較少，說明砂土層液化區(qū)域較小，只有表層發(fā)生液化；當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯禐?15 g時(shí)，超孔壓比超過07的單元增多，砂土層液化區(qū)域增大，液化區(qū)域能夠延伸到下部砂土層，發(fā)生中度程度的液化；當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯禐?2 g時(shí)，超孔壓比超過07的單元較前兩者明顯增多，砂土層液化的區(qū)域明顯增大，砂土層下部液化區(qū)域也較大，液化較嚴(yán)重。隨著地震加速度峰值的提高，同一土體單元的超孔壓比明顯增大，砂土層土體發(fā)生液化的順序是由淺至深，隨著深層土體的液化，其上覆土的超孔壓比有所回落。而且，由超孔壓比的大小可以看出，砂土層的右側(cè)比左側(cè)液化區(qū)域大，上層比下層液化區(qū)域大。圖7給出了不同加速度峰值下的液化區(qū)域。

32防波堤結(jié)構(gòu)地基變形分析

表4給出了不同地震作用下代表性計(jì)算點(diǎn)的水平方向和豎直方向的殘余變形大小，可以看出，當(dāng)加速度峰值為010 g時(shí)，水平方向的變形為021～024 m，豎向位移為006～008 m；當(dāng)加速度峰值為015 g時(shí)，水平方向的變形為023～026 m，豎向位移為006～008 m；當(dāng)加速度峰值為020 g時(shí)，水平方向的變形為024～030 m，豎向位移為007～009 m。

3種不同地震作用下，水平方向變形為02～03 m，方向與原模型的一致，但豎向方向的變形出現(xiàn)了兩個(gè)方向，如果以中間部分（水平為30 m）為交界處，左側(cè)會(huì)出現(xiàn)上傾的變形形式，而右側(cè)即液化面積較大的一側(cè)出現(xiàn)了下沉變形形式，即該防波堤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了傾覆的變形形式。

圖8給出了01 g和02 g地震作用下代表性監(jiān)測點(diǎn)的水平方向和豎直方向位移圖，圖中縱坐標(biāo)表示的是豎向方向的位移大小，橫坐標(biāo)表示的是水平方向的位移大小。計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)相距46 m，豎向最大相對(duì)位移015 m左右，由此推測防波堤結(jié)構(gòu)地基傾斜度為032%左右。根據(jù)《港口工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南》，防波堤地基總體傾斜度不大，變形對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全影響較小。

4結(jié)論

本文采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)某大型填海造地工程防波堤結(jié)構(gòu)地基進(jìn)行了數(shù)值模擬，從抗震設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)防波堤結(jié)構(gòu)地基進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，分析防波堤結(jié)構(gòu)地基在不同地震作用下超孔壓比值以及變形情況，得出結(jié)論如下：

在強(qiáng)度較小地震作用下，防波堤結(jié)構(gòu)地基破壞的程度較小，可以正常使用；在較強(qiáng)地震作用下，防波堤結(jié)構(gòu)地基出現(xiàn)了較明顯的孔壓增長和位移變化。當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯堤岣叩?2g后，防波堤地基出現(xiàn)明顯液化現(xiàn)象，液化區(qū)域主要集中在右側(cè)上層。地震引發(fā)的防波堤變形對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全影響較小，對(duì)安全性影響的主要因素是砂土液化，會(huì)造成結(jié)構(gòu)不同程度的破壞。本文的研究成果可為類似工程抗震設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

陳育民，徐鼎平2008FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社

方云，東煙郁生，GHALANDARZADEH A，等2001地震液化條件下重力式碼頭的變形破壞機(jī)理[J].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，26（4）：415-418

韓石，貢金鑫，張艷青2013地震作用下重力式碼頭地基液化及變形[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，8（4）：45-54

魯曉兵，談慶明，王淑云，等2004，飽和砂土研究新進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展34（1）：87-100

馬碩，羅奇1998日本阪神地震中海港碼頭河流堤岸的震害及其教訓(xùn)[J].災(zāi)害學(xué)，13（4）：47-50

王麗艷，姜朋朋，劉漢龍2010砂性地基中防波堤地震殘余變形機(jī)制分析與液化度預(yù)測法[J].巖土力學(xué)學(xué)報(bào)，31（11）.3556-3562

International Navigation Association，2001Seismic design guide lines for port structures[M].Nether-lands Balkema Publishers

SEED H B，BOOKER R1972Stabilization of potentially liquefied sand deposits using gravel drains[J].Journal of Geotechnical Engineering Div JCED，102（7）：1-15

GB50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

JTS146—2012，水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].