基于ANSYS的吹填砂場地地震反應(yīng)特性分析

宋亞平　陳碩

摘 要：吹填砂場地用于現(xiàn)代化建設(shè)的步伐越來越快，調(diào)查探究場地的卓越周期、正確規(guī)避場地振動液化等工程實際問題是沿海區(qū)域場地擴(kuò)展的緊要環(huán)節(jié)。本文在某吹填場地的基礎(chǔ)上，施加人工合成地震動，通過ANSYS模態(tài)分析、譜分析和時程分析，探討吹填場地在成陸過程中動力特性的演變歷程，得出了一些有意義的結(jié)論。力求為探究吹填砂場地卓越周期的演化和陸后建設(shè)的抗震設(shè)防提供初步的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：吹填砂；卓越周期；密實度；動力響應(yīng)

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的趨勢下，沿海地區(qū)的建設(shè)用地已不能與其建設(shè)規(guī)模相適應(yīng)，用地匱乏與城市建設(shè)的矛盾加劇了吹填工藝的發(fā)展。為了適應(yīng)開發(fā)建設(shè)的需求，國內(nèi)一些沿海地區(qū)在吹填的同時，進(jìn)行場地的開發(fā)，地質(zhì)條件特殊，表層多為5m左右的吹填砂，下覆深厚欠固結(jié)海積軟土層，承載能力低、含水量大，加之沿海區(qū)域地震作用發(fā)生頻繁。

目前，強(qiáng)夯法、高真空擊密法、振沖法等地基處理方法雖能在提高地基承載力方面取得較明顯的效果。但吹填場地在地震作用下表現(xiàn)的震陷、液化等地基失效現(xiàn)象，還需要進(jìn)一步的探索。本文以防城港地區(qū)某一吹填場地為研究對象，通過計算機(jī)模擬不同密實度下的吹填砂場地，探索其在遠(yuǎn)場強(qiáng)震下的動力響應(yīng)，以求為工程建設(shè)和防震防災(zāi)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 動力響應(yīng)分析

1.1 場地地質(zhì)條件的設(shè)定

在深厚的海積軟土層上利用吹填工藝進(jìn)行粉細(xì)砂、粉土的吹填形成吹沙型填海場地，為城市開發(fā)建設(shè)創(chuàng)造了場地條件。通過地質(zhì)勘探，揭露出場地土層通常為以粉細(xì)砂為主的吹填土，厚度約5～8m，處于中壓縮性粉土或粉質(zhì)粘土，厚度約為5～10m，具有高壓縮性的海積淤泥質(zhì)土層，具有高承載力和低壓縮性的基巖層，呈現(xiàn)出明顯的層狀結(jié)構(gòu)特性。為更真實的模擬工程實際，取四個具有代表性的土層形成場地模擬單元。其中海積軟土層深至基巖層，往往厚度較大，以北部灣地區(qū)吹填場地工程實踐經(jīng)驗取代表值30m。設(shè)置三種不同的吹填砂層密實度以適應(yīng)場地長期荷載下密實度的變化。同時吹填場地往往受海浪、潮汐等多復(fù)雜因素的影響，加之土體性質(zhì)的各向異性，往往使模擬計算難以展開。為簡化計算假設(shè)各土層為位移相互協(xié)調(diào)的水平層狀結(jié)構(gòu)體，且不考慮孔隙水壓力的影響。

模擬試樣取自防城港某吹填砂場地，通過對其進(jìn)行固結(jié)等室內(nèi)試驗得出其基本物理性能參數(shù)如下：其中海積軟土層的為1590kg·m-3，c為17.70KPa，φ為8.61°，ES為1.301Mpa；粉質(zhì)粘土的為1812kg·m-3，c為28.86KPa，φ為10.65°，ES為2.210Mpa；粉細(xì)砂的分別為1521kg·m-3、1637kg·m-3、1702kg·m-3，c分別為3.621KPa、4.124KPa、4.450KPa，φ分別為27.61°、29.61°、32.05°，ES分別為31.02MPa、38.31MPa、51.62MPa。

1.2 有限元模型的建立

為簡化計算應(yīng)用平面應(yīng)變單元建立100m×50m的二維均質(zhì)半無限空間。并利用有限元的二次開發(fā)功能在場地非自由邊建立二維粘彈性人工邊界模型，來模擬場地的彈性恢復(fù)和地震波的反射性能，以更好地實現(xiàn)場地邊界效果，且粘彈性人工邊界對各頻率地震成分均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性 [ 1 ]。其中，粘彈性人工邊界是通過具有特定剛度和阻尼的COMBIN14單元來實現(xiàn)的，且其準(zhǔn)確性和合理性與常規(guī)的理論積分法趨于一致，計算精度良好。并在不同土層之間設(shè)置面面接觸單元，網(wǎng)格尺寸設(shè)為1m×1m，按照各工況的物理性能參數(shù)建立有限元模型。

長周期地震動對建筑設(shè)施的破壞越來越引起人們的關(guān)注，場地陸后建設(shè)應(yīng)更加考慮遠(yuǎn)場強(qiáng)震的抗震設(shè)計。因目前遠(yuǎn)場實震資料較少，很難滿足工程設(shè)計需要，加之深厚土體對實震記錄頻率的過濾性能的復(fù)雜性，故本文依據(jù)設(shè)計規(guī)范反應(yīng)譜采用人工合成地震動。根據(jù)廣西北部灣地區(qū)的場地類別、設(shè)防烈度、場地特征周期等得出其設(shè)計規(guī)范反應(yīng)譜曲線。并把規(guī)范反應(yīng)譜導(dǎo)入地震動合成軟件進(jìn)行地震動的合成、過濾和基線修正。最終形成的地震動，時程為20s，時間步長為0.01s，最大加速度為36.205cm/s2。

1.3 不同工況地震響應(yīng)分析

模態(tài)分析主要是通過對場地的絕對剛度和質(zhì)量分布進(jìn)行整體的和宏觀的構(gòu)造概念意義上的分析。通過對三種工況分別進(jìn)行模態(tài)分析，并取相應(yīng)的自振頻率進(jìn)行曲線擬合。得出在特定工況下，各階陣型呈線性直線緩慢增長趨勢，變化幅度不大，且隨著吹填砂層密實度的增加其擬合曲線逐漸從下往上分布。譜分析是通過合并各周期分量下的陣型響應(yīng)來構(gòu)造結(jié)構(gòu)在地震荷載下的響應(yīng)峰值的一種動力計算方法[ 2 ]。通過對各工況場地施加水平地震加速度反應(yīng)譜進(jìn)行單點響應(yīng)譜分析，提取卓越周期，得出相應(yīng)周期下的動力響應(yīng)值。發(fā)現(xiàn)工況三場地卓越頻率最大，且對三種工況的卓越頻率進(jìn)行曲線擬合，其相關(guān)性呈指數(shù)增長，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.998以上。

動力時程分析是一種被廣泛認(rèn)可的抗震設(shè)計分析方法，它在彈性理論的基礎(chǔ)上使結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的全過程更加清晰明了，有效的規(guī)避了反應(yīng)譜分析方法的局限性。建立二維有限元模型，并在其非自由邊建立粘彈性人工邊界，把人工合成的長周期地震波在模型底部垂直入射。其中地震動輸入方法的計算精度已得到充分的驗證。通過分析發(fā)現(xiàn)，吹填砂層對輸入地震動的峰值加速度具有明顯的放大作用，放大系數(shù)約為基巖層的4～5倍，但密實度對放大效應(yīng)的影響不明顯。同時發(fā)現(xiàn)，基巖層、深厚海積軟土層、粉質(zhì)粘土層對輸入地震動的放大系數(shù)也呈現(xiàn)明顯的差異。其中海積軟土層的放大系數(shù)明顯大于粉質(zhì)粘土層，由此表明，通過地基處理來提高土體的固結(jié)程度具有一定的減震作用，但具體起作用的頻率區(qū)段尚需要進(jìn)一步的探究。

2 結(jié)語

本文通過對不同密實度的吹填砂場地進(jìn)行模態(tài)分析、譜分析和動力時程分析，得出吹填場地成陸后隨著施工荷載的增加，場地固結(jié)程度的增大，其自振頻率逐步增大且呈指數(shù)增長趨勢，進(jìn)行陸后建設(shè)時應(yīng)盡可能的避開固有頻率段，減少共振。不同工況對輸入地震動的放大作用不明顯，這可能是由土體的固有特性對地震波的特有的過濾作用所導(dǎo)致。僅探究吹填砂層變化對動力特性的影響具有明顯的局限性，吹填砂層密實度變化的同時，下覆深厚軟土層的固結(jié)程度也在逐步提高，進(jìn)一步探究二者協(xié)調(diào)變化情況下場地卓越周期的演化、場地不同深度處動力響應(yīng)的分布規(guī)律以及場地孔隙水壓力的變化等特性將具有更深刻的現(xiàn)實意義，也為下一步探究提供了方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉晶波，王振宇，杜修力，等.波動問題中的三維時域粘彈性人工邊界[J].工程力學(xué)，2005，22（6）： 46-51.

[2] 魯俊輝，佘成學(xué).水工隧洞地震反應(yīng)影響因素分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2012，（9）：101-104.