深厚覆蓋層上某核電護(hù)岸結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及穩(wěn)定性分析

白秋紅+趙杰+王桂萱

摘要：以某深厚覆蓋層上核電護(hù)岸工程為研究對(duì)象，介紹了護(hù)岸抗震穩(wěn)定分析的原理和分析方法。采用等價(jià)線性法對(duì)代表性斷面進(jìn)行有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析，得到SL1和SL2地震動(dòng)作用下護(hù)岸結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、安全系數(shù)、液化區(qū)分布狀況以及震后殘余變形。通過(guò)分析地基不同土層交界面加速度響應(yīng)變化來(lái)研究深厚覆蓋層對(duì)加速度峰值的動(dòng)力放大效應(yīng)影響。

關(guān)鍵詞：深厚覆蓋層；等價(jià)線性；動(dòng)力響應(yīng)；殘余變形

中圖分類號(hào)：TU311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2017）01-0052-07

0引言

隨著資源的日益匱乏，核電能源成為一種新型能源，憑借安全、清潔且經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢(shì)為我國(guó)的能源缺口和環(huán)境問(wèn)題提供了一條重要解決途徑（郭勇，鄭硯國(guó)2008）。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)的巖質(zhì)地基廠址資源日益減少，導(dǎo)致新建核電廠的選址往往無(wú)法規(guī)避軟土地基，為此國(guó)內(nèi)很多規(guī)劃新建的核電海工護(hù)岸結(jié)構(gòu)均坐落于深厚覆蓋土場(chǎng)地上?？紤]到深厚覆蓋層的形成條件不同，地質(zhì)環(huán)境相差較大，且存在分布不規(guī)律等因素，造成其結(jié)構(gòu)和級(jí)配變化大、物理力學(xué)性質(zhì)不均勻的特點(diǎn)，土性在水平和垂直兩個(gè)方向存在較大差異。因此，位于深厚覆蓋層地基上的核電結(jié)構(gòu)設(shè)施必須考慮深厚覆蓋層地基對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

孫鋒（2013）利用深厚覆蓋層地基具有較強(qiáng)的壓縮性以及較小滲透性，會(huì)使得結(jié)構(gòu)沉降較大的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到深厚覆蓋軟土地基的沉降規(guī)律。費(fèi)康等（2008）等認(rèn)為采用常規(guī)的擬靜力方法不能真實(shí)反映深厚覆蓋層上土石壩的動(dòng)力特性，應(yīng)從壩體材料的動(dòng)力穩(wěn)定性、永久變形和安全系數(shù)時(shí)程變化等方面綜合評(píng)價(jià)大壩的穩(wěn)定性。黨發(fā)寧和胡再?gòu)?qiáng)（2005）通過(guò)對(duì)深厚覆蓋層上土石壩的三維有限元模型進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算分析，得到土石壩在地震作用下的穩(wěn)定性以及安全性。趙劍明和溫彥鋒（2010）在三維非線性有效應(yīng)力地震反應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)深厚覆蓋層上高土石壩的特點(diǎn)，提出從穩(wěn)定、變形、防滲體安全等方面對(duì)深厚覆蓋層上高心墻堆石壩的極限抗震能力的研究方法，對(duì)堆石壩進(jìn)行抗震研究。

本文以坐落在深厚覆蓋層上的某沿海核電海工護(hù)岸結(jié)構(gòu)為工程背景，采用等價(jià)線性法，在SL1和SL2地震動(dòng)作用下進(jìn)行核電護(hù)岸的動(dòng)力響應(yīng)、地下砂土層的液化、殘余變形等分析，得出深厚覆蓋層上護(hù)岸結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和抗震穩(wěn)定性等方面的規(guī)律。通過(guò)分析護(hù)岸內(nèi)部加速度的放大過(guò)程研究深厚覆蓋層厚度以及復(fù)雜土層對(duì)加速度峰值的動(dòng)力放大效應(yīng)影響。

1計(jì)算分析方法

11等價(jià)線性法

護(hù)岸結(jié)構(gòu)在深厚覆蓋層條件下的地震響應(yīng)以及穩(wěn)定性與土的動(dòng)力特征密切相關(guān)。土體復(fù)雜的非線性特征隨著地震振幅的增大而增大。采用傳統(tǒng)的非線性時(shí)程分析方法計(jì)算復(fù)雜、費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)而且分析參數(shù)較多且不容易掌握，因此，本文排除傳統(tǒng)方法采用等價(jià)線性法（宋建希等，2016）。等價(jià)線性法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以考慮土體在地震作用下的復(fù)雜非線性變化，而且也極大的提高了計(jì)算效率。等價(jià)線性法中剪切模量和阻尼比是由等效剪應(yīng)變振幅來(lái)確定，但是等效剪應(yīng)變振幅在初始計(jì)算中是未知的，因此需要通過(guò)不斷迭代來(lái)確定等效剪應(yīng)變幅值，具體步驟如圖1所示。

地震研究40卷第1期白秋紅等：深厚覆蓋層上某核電護(hù)岸結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及穩(wěn)定性分析12液化及殘余變形分析

在地震反應(yīng)分析中有效應(yīng)力法能夠求出地震過(guò)程中孔隙水壓力的增長(zhǎng)規(guī)律和液化隨時(shí)間的發(fā)展過(guò)程，F(xiàn)inn（1981）等人首先提出在粘彈性模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力分析，但分析具有局限性，僅適用于一維分析，沈珠江和徐志英（1981）把它推廣用于二維問(wèn)題的分析。有效應(yīng)力動(dòng)力分析方法的計(jì)算結(jié)果更為合理更能真實(shí)反映出土的特性。本文將整個(gè)動(dòng)力作用過(guò)程等分成若干時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段按WILSON-θ法動(dòng)力計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)公式得到該時(shí)段內(nèi)各單元的殘余變形，將結(jié)果以初應(yīng)變或初應(yīng)力的形式進(jìn)行靜力計(jì)算，從而得到結(jié)點(diǎn)位移、單元應(yīng)變的變化。將計(jì)算得到的每個(gè)時(shí)段的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行疊加從而得到整個(gè)過(guò)程中的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變和殘余變形。

13有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析

考慮地震過(guò)程中護(hù)岸結(jié)構(gòu)應(yīng)力的瞬時(shí)變化計(jì)算出每一時(shí)刻護(hù)岸結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)稱之為有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析方法，該法考慮了巖土體材料的不均勻性和非線性。 目前我國(guó)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50267—97）和《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 25002-2011）均要求針對(duì)核電海工構(gòu)筑物這類核安全物項(xiàng)必須采用動(dòng)力時(shí)程分析方法進(jìn)行抗震穩(wěn)定性評(píng)。因此，在護(hù)岸結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析中，利用動(dòng)力有限元法（田貴川，何江達(dá)，2010）通過(guò)計(jì)算護(hù)岸結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布以及變形狀況，運(yùn)用每一單元疊加的應(yīng)力以及變形來(lái)評(píng)價(jià)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性。并且以最小安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)護(hù)岸穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

2算例分析21工程概況某核電廠海工構(gòu)筑物護(hù)岸結(jié)構(gòu)，頂部高程145 m，堤心石采用開(kāi)山石填筑，地基處理采用爆破排淤填石法，護(hù)岸外坡、內(nèi)坡坡度均為1∶15。堤內(nèi)、外兩側(cè)采用拋填塊石法護(hù)底，為防止堤前浪底流速的沖刷作用采用柔性地連墻防滲結(jié)構(gòu)。工程場(chǎng)地地基土層由上而下分布如下：淤泥、粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土 、全風(fēng)化黑云母花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖、中風(fēng)化黑云母花崗巖，屬于典型覆蓋層較厚廠址地基。

圖2所示為護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，從地表到中風(fēng)化巖層深度高達(dá)80 m左右。

2有限元模型

根據(jù)地質(zhì)資料建立護(hù)岸有限元分析模型，計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示，模型長(zhǎng)400 m，寬100 m，共8 893個(gè)單元，9 042個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型采用等價(jià)線性模型，模型左右邊界采用粘性邊界條件，模擬地基無(wú)限輻射阻尼效果，底部邊界固定約束。

23計(jì)算輸入231計(jì)算參數(shù)本次靜力計(jì)算采用鄧肯張模型，模型計(jì)算參數(shù)如表1所示，動(dòng)力計(jì)算采用沈珠江有效應(yīng)力模型，計(jì)算參數(shù)如表2、表3所示。

232地震波選擇

根據(jù)中國(guó)地震局地球物理研究所完成的該核電廠址地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，抗震分析采用廠址基巖基準(zhǔn)地面地震動(dòng)時(shí)程曲線見(jiàn)圖4，該地震動(dòng)持時(shí)28 s。SL1運(yùn)行安全地震動(dòng)水平峰值加速度設(shè)計(jì)值取015 g，豎直方向?yàn)?1 g，SL2極限安全地震動(dòng)水平峰值加速度設(shè)計(jì)值取03 g，豎向峰值加速度為02 g。

3結(jié)果分析

31地震加速度響應(yīng)計(jì)算結(jié)果初步表明高低水位的變化對(duì)地震加速度響應(yīng)的影響不大，在動(dòng)力計(jì)算分析中不再考慮水位變化的影響。由于護(hù)岸結(jié)構(gòu)地基覆蓋層較深、軟弱淤泥層較厚等因素使得結(jié)構(gòu)整體剛度較低，因此結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大效應(yīng)相對(duì)減弱。如圖5所示：SL1地震動(dòng)作用下，護(hù)岸頂部水平加速度的最大放大倍數(shù)為312，豎向加速度的最大放大倍數(shù)為321；SL2地震動(dòng)作用下，護(hù)岸頂部水平加速度的最大放大倍數(shù)為3，豎向加速度的最大放大倍數(shù)為257。

為研究護(hù)岸內(nèi)部加速度的放大過(guò)程，在相鄰?fù)翆咏唤缑嬖O(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)每土層的加速度放大過(guò)程給出峰值加速度變化情況。如圖6所示：在土層交界面共設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)分析計(jì)算得到每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值加速度，得到如圖6的規(guī)律：護(hù)岸結(jié)構(gòu)內(nèi)部加速度總體上自基巖到護(hù)岸頂部在水平方向和豎直方向都是隨著高程的增加而增大的，由圖中可直觀形象的看出在-20 m附近有不同程度的降低的，說(shuō)明深厚軟土地基的厚度對(duì)應(yīng)于加速度峰值放大系數(shù)可能存在臨界值，超過(guò)該臨界厚度值加速度放大系數(shù)會(huì)有不同程度的下降，也可能與在-20 m附近存在粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粘土等多種土層有關(guān)。計(jì)算結(jié)果表明，在地表土層的峰值加速度放大系數(shù)在13～18范圍內(nèi)，從地面到護(hù)岸頂部放大系數(shù)是急劇增大的，水平方向放大系數(shù)為35，豎直方向?yàn)?；隨著輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加，土體表現(xiàn)出的非線性增加，隨著地震波頻率的增加，因其高頻段的能量分布較多，土體濾波效應(yīng)明顯增強(qiáng)。因此，護(hù)岸的加速度反應(yīng)及其分布規(guī)律不僅與結(jié)構(gòu)受到的地震動(dòng)特性有關(guān)，也與護(hù)岸結(jié)構(gòu)深厚地基土層厚度以及覆蓋土層種類復(fù)雜有很大關(guān)系。

32地基土層液化及殘余變形

圖7所示，在SL1地震動(dòng)作用下，地基砂土層發(fā)生輕微的液化；在SL2地震動(dòng)作用下，地基砂土層液化程度比較嚴(yán)重?？傮w說(shuō)來(lái)，分布較淺的粉細(xì)砂②2由于液化動(dòng)剪應(yīng)力比較小，液化程度較嚴(yán)重；分布較深中粗砂③6液化動(dòng)剪應(yīng)力比較大，液化程度較輕微。

圖8為護(hù)岸結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)作用下的永久變形，由于上部護(hù)岸結(jié)構(gòu)地基淤泥層較厚，震后殘余變形較大，但下部地基土體硬度較大且多風(fēng)化巖石殘余變形較小，整體護(hù)岸結(jié)構(gòu)受深厚覆蓋層的影響震后殘余變形相對(duì)較大。計(jì)算得SL1極限地震動(dòng)作用下最大水平位移為0658 m，最大豎向位移為0382 m；在SL2極限地震動(dòng)作用下最大水平位移為1350 m，最大豎向位移為0708 m。

33動(dòng)力有限元穩(wěn)定分析

根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50267—97）》和《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 25002—2001）有關(guān)規(guī)定，對(duì)海工構(gòu)筑物按照核安全類物項(xiàng)進(jìn)行動(dòng)力有限元計(jì)算得到護(hù)岸結(jié)構(gòu)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面如圖9所示，通過(guò)計(jì)算得到在不同地震動(dòng)作用下的安全系數(shù)時(shí)程如圖10所示：若海工構(gòu)筑物按照核安全類Ⅱ抗震設(shè)計(jì)，SL1地震作用下，最小動(dòng)力安全系數(shù)為120，剛滿足規(guī)范要求；若按照核安全Ⅰ類抗震設(shè)計(jì)，SL2地震作用下，最小動(dòng)力安全系數(shù)為0787，安全系數(shù)小于1，結(jié)構(gòu)相對(duì)危險(xiǎn)，需進(jìn)行必要的加固措施。

4結(jié)論

采用等價(jià)線性法方法分析，通過(guò)計(jì)算分析某深厚覆蓋層核電廠護(hù)岸結(jié)構(gòu)在SL1和SL2地震動(dòng)作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)、液化區(qū)分布以及震后殘余變形得出如下結(jié)論：

（1）護(hù)岸結(jié)構(gòu)存在地基覆蓋層較深時(shí)，軟弱淤泥層較厚等因素使得結(jié)構(gòu)整體剛度較低，因此護(hù)岸結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)相對(duì)減弱。

（2）加速度峰值放大系數(shù)在-20 m附近有不同程度的降低的，說(shuō)明深厚軟土地基的厚度對(duì)應(yīng)于加速度峰值放大系數(shù)可能存在臨界值，超過(guò)該臨界厚度值加速度放大系數(shù)會(huì)有不同程度的下降，也可能與在-20 m附附近存在粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粘土等多種土層有關(guān)。這種下降趨勢(shì)的原因不僅與地震動(dòng)的特性有關(guān)，也與護(hù)岸結(jié)構(gòu)深厚地基土層厚度以及覆蓋土層種類復(fù)雜有很大關(guān)系。

（3）SL1地震作用下，場(chǎng)區(qū)砂土發(fā)生輕微的液化；SL2地震作用下，場(chǎng)區(qū)砂土液化程度為嚴(yán)重。

（4）由于上部護(hù)岸結(jié)構(gòu)地基淤泥層較厚，整體護(hù)岸結(jié)構(gòu)震后殘余變形相對(duì)較大。護(hù)岸結(jié)構(gòu)按照核安全類Ⅱ抗震設(shè)計(jì)，滿足規(guī)范要求；按照核安全Ⅰ類抗震設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)相對(duì)危險(xiǎn)，需進(jìn)行必要的加固措施。

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