單相土體與飽和土體地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對比研究

王相寶 趙 凡

（中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，交通堵塞是困擾城市發(fā)展的主要問題之一。因此加快對城市地下空間的開發(fā)與利用，修建地下交通工程，對于城市的發(fā)展具有十分重大的經(jīng)濟和社會意義。城市內(nèi)的地鐵工程，沿海和沿江城市的跨海、越江水底隧道工程，大大提高了通行效率，縮短了通勤時間。上述結(jié)構(gòu)分別屬于單相土體場地、飽和土體場地的地下結(jié)構(gòu)。

我國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震之間，地震活動頻度高、分布廣，而且全國半數(shù)以上的城市位于7度（0.1g）或以上的地震區(qū)，因此，對地下結(jié)構(gòu)的抗震問題研究則具有非常重要的意義。本文將基于ABAQUS有限元軟件分析平臺，開展飽和土體場地與單相土體場地中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的對比研究。

1 計算模型

基于ABAQUS有限元軟件平臺，對單相土體-地下結(jié)構(gòu)、飽和土體-地下結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)進行模擬計算。算例為：水平向100m，高30m，結(jié)構(gòu)水平向16m，高6m，結(jié)構(gòu)內(nèi)有一根截面寬0.4m的柱子，截面如圖2所示，結(jié)構(gòu)埋深6m，左右土體寬度均為42m，結(jié)構(gòu)頂板厚0.8m，底板厚0.85m，左右墻厚0.7m。土體及結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 場地土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)

飽和土體網(wǎng)格尺寸大部分為21m，結(jié)構(gòu)周圍區(qū)域的土體進行了網(wǎng)格加密，如圖1所示；結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸大部分為0.3×0.2m，局部區(qū)域進行了網(wǎng)格加密，如圖2所示。并選取結(jié)構(gòu)中的單元A、B為研究對象。

圖1 場地土體有限元計算模型

圖2 地下結(jié)構(gòu)有限元計算模型

本算例選用天津波作為入射地震波進行地震反應(yīng)的數(shù)值模擬,該地震波為天津?qū)幒拥卣鹉媳狈较蚍至康牡卣鹩涗?，其震級M=6.9，持時為19.2s，采樣點的時間間隔為0.01s，其加速度時程如圖3所示。本算例通過ABAQUS CAE建立數(shù)值分析模型，邊界采用的是應(yīng)力型局部人工邊界，即將輸入地震轉(zhuǎn)化為作用于黏彈性人工邊界結(jié)點上的等效荷載的方法來實現(xiàn)地震動輸入。

圖3 輸入地震加速度時程

2 單相土體場地與飽和土體場地中地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對比

地震反應(yīng)最后時刻單相土體與飽和土體中地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4所示，單元A在單相土體、飽和土體的應(yīng)力時程曲線如圖5所示，單元B在單相土體、飽和土體的應(yīng)力時程曲線如圖6所示。

圖4 地震反應(yīng)最后時刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖4可知，地震輸入最后時刻，單相土體中結(jié)構(gòu)與飽和土體中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖呈對稱分布，且均在結(jié)構(gòu)底角區(qū)域、混凝土柱頂部兩側(cè)區(qū)域、頂板中部外側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中；與單相土體中的結(jié)構(gòu)相比，飽和土體中結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力值較大，應(yīng)力集中區(qū)域較多，區(qū)域面積較大，并且在混凝土柱區(qū)域也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中。

飽和土體中結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力幅值整體大于單相土體中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力幅值。由圖5可知，單相土體中結(jié)構(gòu)單元A的應(yīng)力最大值為4.0MPa，飽和土體中結(jié)構(gòu)單元A的應(yīng)力最大值為4.3MPa；由圖6可知，單相土體中結(jié)構(gòu)單元A的應(yīng)力最大值為6.5MPa，飽和土體中結(jié)構(gòu)單元B的應(yīng)力最大值為6.7MPa。

圖5 單元A的應(yīng)力時程曲線

圖6 單元B的應(yīng)力時程曲線

3 結(jié)束語

本文在ABAQUS有限元計算軟件平臺上，開展了單相土體地下結(jié)構(gòu)、飽和土體地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的對比研究，飽和土體基于二維流固耦合兩相介質(zhì)動力模型孔壓單元進行模擬，地震波輸入通過設(shè)置黏彈性人工邊界，等效結(jié)點荷載來實現(xiàn)。在研究中發(fā)現(xiàn)：

（1）在地震反應(yīng)最后時刻，單相土體中結(jié)構(gòu)與飽和土體中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖呈對稱分布，且均在結(jié)構(gòu)底角區(qū)域、混凝土柱頂部兩側(cè)區(qū)域、頂板中部外側(cè)區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中；

（2）與單相土體中的結(jié)構(gòu)相比，飽和土體中結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力值較大，應(yīng)力集中區(qū)域較多，區(qū)域面積較大。