基于Finn液化本構(gòu)模型的寒區(qū)堤防工程砂土液化數(shù)值模擬

(沈陽和嘉建設管理有限公司，遼寧 沈陽 110004)

1 研究區(qū)概況

大遼河營口段堤防整治工程，全長18.31km，可將洪水設防標準由原來的50年一遇提高到100年一遇。工程建設區(qū)段的主要地貌為大遼河下游的河漫灘以及一級階地，其中，河漫灘的灘面比較平坦，坡降較小，整個工程區(qū)段的高程變化不大。但是，受到大遼河洪水沖刷和淤積作用的影響，寬窄變化較大，從數(shù)百米到數(shù)千米不等。在漫灘的后緣為一級階地，寬度為數(shù)公里[1]。該地區(qū)標準凍深為1.50～2.40m，凍深范圍內(nèi)存在粉土質(zhì)砂、有機質(zhì)低液限黏土等凍脹性土以及各種級配的砂、礫和細粒砂等不凍脹性土。

研究區(qū)段，大遼河營口段堤防工程位于我國東部郯城—營口地震帶上的大遼河的漫灘區(qū)，為2級堤防[2]。歷史上曾經(jīng)歷過多次破壞性地震影響。近年來，我國東北老震區(qū)有地震趨于頻繁的特征，2014年4月18日營口蓋州市發(fā)生3.2級地震，2015年8月4日蓋州市再次發(fā)生4.3級地震，上述地震均距離研究區(qū)不足50km，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，可知研究河段的地震烈度為Ⅵ度，部分堤防工程位于地震烈度Ⅶ度區(qū)，在堤防設計施工過程中必須注意地震的液化問題。

2 計算模型的構(gòu)建

鑒于地震具有突發(fā)性的特點，東北寒區(qū)凍土層的地震液化危害難以通過現(xiàn)場試驗獲取研究數(shù)據(jù)，因此，采用FLAC3D三維有限元軟件進行數(shù)值模擬[3]。Finn模型是Martin等根據(jù)試驗提出的，可用于解決土在循環(huán)荷載作用下體積應變以及孔隙水壓力的變化規(guī)律問題[4]?；诒敬窝芯康哪康暮蛯ο?，采用Finn模型進行數(shù)值模擬分析計算，以研究寒區(qū)堤防工程砂土液化問題。

2.1 模型尺寸

根據(jù)大遼河營口段堤防工程設計資料以及工程現(xiàn)場的實際勘測數(shù)據(jù)，模型的地基模型尺寸為50m×10m×10m[5]。由于利用FLAC3D三維有限元軟件建模需要設定合適的網(wǎng)格尺寸，研究中利用Lysmer提出的模型精度要求[6]，規(guī)定模型的網(wǎng)格尺寸應該小于最小波長的1/10～1/8，同時，考慮到計算量不宜過大，因此，確定凍土層的最小網(wǎng)格尺寸為0.40m，非凍土層的最小網(wǎng)格尺寸為0.28m。

2.2 計算工況

為了研究地層飽水和非飽和狀態(tài)下，不同厚度的凍土層對地基地震液化情況的影響，結(jié)合當?shù)氐膬鐾辽疃群偷刭|(zhì)環(huán)境情況進行計算工況設計，結(jié)果見表1。為了進一步分析不同工況下的孔隙水壓力和應力變化，在每種工況下設計A、B、C三個監(jiān)測點，埋深分別為2m、4m和6m。

表1 模擬計算工況設計

2.3 計算參數(shù)

結(jié)合研究前期進行的大量試算經(jīng)驗，地基的非黏性土的黏滯系數(shù)可視為0[7]，而摩擦角的小幅變化難以對計算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，因此，均取為30°，為了區(qū)別地基的凍土與非凍土土層，采用不同的剪切和體積模量。雖然莫爾-庫侖本構(gòu)模型屬于靜力模型，但也適用于FLAC3D算法下的動力分析，因此本次計算全部采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型。結(jié)合上述分析，得到計算模型的物理力學參數(shù)(見表2)。鑒于模型并不復雜，并且滲流計算主要針對非凍土層進行，因此，各向同性的滲流模式即可滿足模型的計算要求[8]?；谏鲜龇治?，凍土層的滲透系數(shù)設定為10-6cm/s，非凍土層的滲透系數(shù)設定為10-3cm/s。FLAC3D中的土壤孔隙率的默認值為0.50，通過實例驗證，滿足本次研究中的工程實際情況。

表2 模型的物理力學參數(shù)

2.4 地震波輸入

本次研究中，以研究區(qū)的地震安全性評價報告為依據(jù)，選用總時間為40s的百年一遇合成加速度時程，由于時長較長，不便于模型計算，因此，在地震波輸入時將其縮減為10s(見圖1)。

圖1 基巖加速度時程曲線

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 飽和條件下模擬結(jié)果與分析

對飽和條件下不同凍土層厚度的四種工況進行模擬計算，獲得如圖2～圖5所示的孔隙水壓力云圖以及三個不同深度監(jiān)測點的有效應力變化曲線。由模擬計算結(jié)果可知：在工況一條件下，也就是不存在凍土層時，受到地震應力的作用，地基孔隙水的壓力呈現(xiàn)出先迅速升高然后逐步趨于穩(wěn)定的態(tài)勢，有效應力值均存在為零的情況，同時其變化曲線也十分接近于零，說明土體發(fā)生了液化，但是液化程度與深度的關聯(lián)性并不明顯；在工況二條件下，孔隙水的壓力在地震作用下先迅速升高然后逐步趨于穩(wěn)定，而有效應力迅速減小，然后逐步趨于穩(wěn)定，其變化趨勢與工況一類似，但是深部的有效應力值大于淺部的有效應力值，說明深部的液化程度有所減輕，另外，在同一深度下，工況二的有效應力值大于工況一，說明凍土層對液化現(xiàn)象有一定的抑制作用；工況三與工況二類似，深部的有效應力值大于淺部的有效應力值，說明深部的液化程度有所減輕，另外，在同一深度下，其有效應力值大于工況二，進一步說明凍土層對液化現(xiàn)象有一定的抑制作用；在工況四條件下，計算結(jié)果顯示的規(guī)律與工況三和工況二類似，深部的有效應力值大于淺部的有效應力值，說明深部的液化程度有所減輕，另外，在同一深度下，其有效應力值大于工況三，再一次驗證了工況三和工況二的結(jié)論，也就是凍土層對砂土液化現(xiàn)象有一定的抑制作用。

圖2 工況一孔隙水壓力云圖

圖3 工況二孔隙水壓力云圖

圖4 工況三孔隙水壓力云圖

圖5 工況四孔隙水壓力云圖

3.2 非飽和條件下模擬結(jié)果與分析

圖6 工況五孔隙水壓力云圖

圖7 工況六孔隙水壓力云圖

圖8 工況七孔隙水壓力云圖

為對照研究飽和與非飽和條件下不同厚度凍土層對地震作用下砂土液化程度的影響，對工況五～工況八條件下的孔隙水壓力進行模擬計算，獲得圖6～圖9的孔隙水壓力云圖以及三個不同深度監(jiān)測點的有效應力變化曲線。由計算結(jié)果可知：在工況五條件下，也就是不存在凍土層時，受到地震應力的作用，地基孔隙水的壓力呈現(xiàn)出先迅速升高然后逐步趨于穩(wěn)定的態(tài)勢，有效應力值迅速下降并逐步穩(wěn)定，且均存在為零的情況，同時，其變化曲線也十分接近于零，說明土體發(fā)生了液化，鑒于有效應力值隨著深度的增加而增大，說明砂土液化現(xiàn)象隨著深度的增加而減弱；在工況六條件下，孔隙水的壓力在地震作用下先迅速升高然后逐步趨于穩(wěn)定，而有效應力迅速減小，然后逐步趨于穩(wěn)定，其變化趨勢與工況五類似，同時，深部的有效應力值大于淺部的有效應力值，說明深部的液化程度有所減輕，另外，在同一深度下，工況六的有效應力值大于工況五，說明凍土層對液化現(xiàn)象有一定的抑制作用，這與飽和條件下的計算結(jié)果一致，最后，與工況二相比，工況六的有效應力值更大，說明非飽和地基條件不易發(fā)生砂土液化；在工況七條件下，僅表層土的孔隙水壓力曲線接近于零，說明該部位的砂土存在液化現(xiàn)象，而深部的土層孔隙水壓力較大，不易發(fā)生液化，同時深度越大，孔隙水壓力值也越大，說明砂土更不易發(fā)生液化，此外，與工況三相比，工況七的有效應力值更大，說明非飽和地基條件不易發(fā)生砂土液化，這也進一步驗證了工況六的結(jié)論；在工況八條件下，計算結(jié)果顯示的規(guī)律與工況七和工況六類似，在同一深度下，其有效應力值大于工況七和工況四，再一次驗證了工況七和工況六獲得的結(jié)論。

圖9 工況八孔隙水壓力云圖

4 結(jié) 論

在地震應力的作用下，河道堤壩的地基容易發(fā)生砂土液化現(xiàn)象，這不僅會對堤壩本身造成破壞，還會對堤壩防護區(qū)內(nèi)的生命和財產(chǎn)安全造成潛在威脅。

本次研究以位于地震高烈度區(qū)的大遼河營口段為例，通過模擬計算的方法對寒區(qū)地震條件下的堤防工程地基砂土液化問題進行研究，并獲得結(jié)論：在飽和與非飽和地基條件下，如果凍土層厚度相同，堤壩地基淺部土層在地震作用下更容易發(fā)生液化現(xiàn)象；在飽和與非飽和地基條件下，凍土層對抑制地震作用下的地基砂土液化現(xiàn)象具有一定的作用；在其他條件相同的條件下，飽和地基在地震作用下更容易發(fā)生砂土液化現(xiàn)象。