地震頻率對砂土液化影響的數(shù)值模擬研究

曾事超

[摘要]在影響砂土液化的諸多因素中，振動頻率一直以來都是人們研究的重點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的研究振動頻率對砂土液化的影響大多采用動三軸儀來實現(xiàn)并得出了一些結(jié)論，但這些結(jié)論之間存在差異；由于試驗設(shè)備尺寸的限制、試驗方法的差異等因素必定會影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬方法因其自身的優(yōu)點(diǎn)常常被用來解決很多工程中的問題，而且利用數(shù)值模擬方法研究振動頻率對砂土液化的影響也較少。

[關(guān)鍵詞]砂土液化；地震頻率；數(shù)值模擬；孔壓比

[中圖分類號]TU441.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

引言

飽和砂土液化問題一直是巖土工程界廣泛關(guān)注、研究的重要課題之一，大量研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)飽和砂土液化的本質(zhì)是液化過程中孔隙水壓力上升而有效應(yīng)力降低。近些年來，國內(nèi)外的研究者們從不同角度研究了動孔隙水壓力增長的機(jī)理、影響因素等。關(guān)于頻率對砂土液化的影響，國內(nèi)外學(xué)者也都做過相應(yīng)的研究，但均未得出同一結(jié)論。因此，本文利用數(shù)值模擬方法進(jìn)一步研究了振動頻率對砂土液化的影響。

1 計算模型簡介

根據(jù)相似比關(guān)系，將試驗室尺寸還原為真實場地后尺寸為11m×11m×6m（長x寬x高）。砂土密度，體積模量，剪切模量，滲透系數(shù)，孔隙率。建立模型時考慮到精確描述模型中波的傳播，網(wǎng)格尺寸必須要小于輸入的波形最高頻率對應(yīng)的波長的1/8～1/10。本文采用自由場地建立的計算模型如圖1所示。

2 監(jiān)測點(diǎn)布置和加載方案確定

為了在模擬過程中監(jiān)測孔隙水壓力、有效應(yīng)力、超靜孔壓比等指標(biāo)，需要在模型中設(shè)置合適位置的監(jiān)測點(diǎn)。其坐標(biāo)分別為（5.5，5.5，0）、（5.5，5.5，1.5）、（5.5，5.5，3）、（5.5，5.5，4.5）、（5.5，5.5，6），如圖2所示。本次模擬根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范要求8級抗震設(shè)防烈度和基本加速度為0.2g，輸入地震波的頻率與幅值需滿足以下關(guān)系式，加載方案表如表1所示。

2.1 模擬結(jié)果

首先靜力平衡階段由彈性模型計算得到的豎向自重應(yīng)力為，而理論計算得到的豎向應(yīng)力，誤差為4%，初始應(yīng)力平衡正確，可以進(jìn)行動力計算分析。

2.2 超靜孔隙水壓力及孔壓比分析

孔壓比定義為超靜孔隙水壓力與初始有效應(yīng)力的比值。孔壓比的大小也可以用來判斷砂土液化程度，試驗中監(jiān)測的孔壓比如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

不同深度處的孔壓比可以很好的反映整個砂土的液化情況，由模擬得到的孔壓比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率在2～5Hz范圍內(nèi)時，整個模型土的孔壓比在很高的水平；當(dāng)頻率為6Hz時最上層的孔壓比的峰值達(dá)到了1.0左右但隨后突然降低，中間層和最底層土的孔壓比峰值均低于表層；且從整體上看，孔壓比保持峰值的持續(xù)時間明顯是下層時間小于中間層時間小于表層時間，這是因為在液化過程中，底部為不透水邊界，當(dāng)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力時水會向上擴(kuò)散，導(dǎo)致底部的超靜孔隙水開始降低而表層超靜孔隙水會持續(xù)保持一段時間然后開始降低，即上層的液化會有延時現(xiàn)象。當(dāng)頻率大于6Hz時，孔壓比最大只達(dá)到0.45左右，并且隨著頻率的逐漸增加，砂土模型的孔壓比越來越??；當(dāng)頻率達(dá)到20Hz時，砂土模型基本不受動荷載的影響而表現(xiàn)出很穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文通過試驗和數(shù)值模擬研究，對比不同振動頻率下的液化孔壓比可以得出以下結(jié)論：在同一地震強(qiáng)度下，液化強(qiáng)度并非隨著頻率的增大而增強(qiáng)或者說液化強(qiáng)度并非與頻率的大小無關(guān)；頻率在2～5Hz范圍內(nèi)對液化過程中的超靜孔隙水壓力、有效應(yīng)力、孔壓比等影響不大，均達(dá)到了液化的水平；但是當(dāng)頻率大于6Hz后，頻率越大，超靜孔隙水壓力、有效應(yīng)力以及孔壓比的值越?。?Hz后砂土地基的孔壓比均在很小的值，可以判斷地基處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生液化。因此振動頻率對液化強(qiáng)度存在很明顯的差異。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Martin G R， Finn W D L， Seed H B. Fundamentals of liquefaction under cyclic loading[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division， 1975，101（5）：423-438.

[2] Ishibashi I， Sherif M A， Tsuchiya C. Pore-pressure rise mechanism and soil liquefaction.[J]. Soils & Foundations，1977，17（2）：17-27.

[3] 汪聞韶.土液化特性中的幾點(diǎn)發(fā)現(xiàn)[J].巖土工程學(xué)報，1980，2（3）：55-63.

[4] 中國建筑科學(xué)研究院.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2014.