基于FLAC3D 的地基土地震作用下孔壓的變化分析

何相禮 李健全 朱方敏

（浙江大合建設工程檢測有限公司，浙江杭州 310023）

基于FLAC3D 的地基土地震作用下孔壓的變化分析

何相禮 李健全 朱方敏

（浙江大合建設工程檢測有限公司，浙江杭州 310023）

利用FLAC3D有限差分軟件對地基土在地震作用下孔隙水壓力的變化進行了流固耦合分析，探討了地基土在地震作用下孔壓的變化規律，結果表明地基孔隙水壓力的分布與地震激勵、場地土的土質、組成和埋藏條件等因素都有密切關系，對進一步加深液化地基震害的理解具有重要的意義。

地震，地基土，液化，孔隙水壓力，FLAC3D

地震作用下，孔隙水壓力的發展變化是影響地基變形及強度變化的重要因素。我們在評價地基的抗震性能時，首先要研究地基中孔隙水壓力的分布及其發展變化規律。

1 孔隙水壓力的類型和產生機理

飽和土體在外荷載作用下，任一平面上的總應力是由土骨架所發揮的有效應力和作用于孔隙中流體上的孔隙水壓力共同承擔的。孔隙水壓力各向相等，不會造成土體壓縮。而有效應力屬于土顆粒間的直接作用力，是控制土體變形和強度變化的應力。由于有效應力是不可直接測得的，目前都通過測量孔隙水壓力，反算土的有效應力，達到研究土體的強度和變形特性的目的。因此，孔隙水壓力發生、發展及消散的研究一直是人們十分關注的課題。根據其產生機理的不同，孔隙水壓力可分為靜水壓力和超靜水壓力。靜水壓力是由土孔隙水自重及水對土顆粒浮力的反力引起的;超靜水壓力是由附加荷載或水位的變化引起的。超靜水壓力隨著時間的推移逐漸消散，轉化為土的有效應力，完成土的固結。

2 FLAC3D模擬計算理論

FLAC3D自美國Itasca Consulting Group推出后，已成為目前巖土工程中最重要的數值計算方法之一。該程序以三維快速拉格朗日法為原理，是一種基于三維顯式有限差分法的數值分析方法，能較好地分析漸進破壞和失穩以及模擬大變形和進行流固耦合。

2.1 FLAC3D流固耦合模擬原理

FLAC3D軟件模擬土體的流固耦合時，流體在土體孔隙介質中的滲流服從Darcy定律，同時滿足Biot方程［1］。

其中，qi為滲流速度;qv為流體強度;ζ為單位體積空隙介質的流體體積變化量;M為比奧模量;p為孔隙水壓力;α為比奧系數;T為溫度;t為時間;β為考慮流體和固體顆粒的熱膨脹系數;k為介質的滲透系數;ρf為流體密度;gj為重力加速度分量;σij為應力;Δσij為應力增量;Hij為給定函數;δij為Kronecker因子;Δξij為總應變增量;v為介質中某點的速度。

通過已知邊界條件，求解以上方程組，可求出土顆粒的位移和土中的孔隙水壓力。

2.2 孔壓模型

FLAC3D采用Finn模型［2］模擬砂土在動力作用下孔壓積累孔的效應。其實質是以Mohr-Coulomb模型為基礎，假定動孔壓的上升與塑性體積應變增量相關，增加了動孔壓的上升模式。

設在有效應力為σ0'時砂土的一維回彈模量為ˉEr，則對于不排水條件下孔隙水壓力的增量Δu與塑性體積應變增量Δεvd的關系為:

3 算例分析

算例［3，4］模型地基土自上而下分別為粉質粘土200 mm、砂質粉土1 050 mm和砂土350 mm，共三層。模型地基土的物理力學性質指標如表1所示。計算模型如圖1，圖2所示。

表1 模型地基土的物理力學性質指標

圖1 計算模型

圖2 動力計算模型

圖3為模擬計算時采用的0.058g及0.532g EL-Centro波加速度時程曲線圖。

圖3 0.058g及0.532g EL-Centro波加速度時程曲線圖

利用FLAC3D程序對模型進行非線性動力反應分析，圖4為0.532g EL-Centro波輸入下地基中不同位置測點得到的超孔隙水壓力及有效應力的時程曲線圖。從圖4中可以看出－0.4 m處的超孔壓比峰值基本達到1.0，且在振動過程中維持在1.0左右，相應時間的孔隙水壓力發展較快并維持在較高水平，有效應力均接近零，此時土體基本處于液化狀態。而－0.6 m處土層的超孔壓比峰值僅達到0.8，有效應力也維持在一個相當的水平，并未降至零，可見此處土體未發生液化，埋深－0.4 m左右為液化分界線。

在0.058g EL-Centro波和0.532g EL-Centro波輸入下，地基土層中超孔隙水壓力變化時程曲線如圖5所示。

圖5 加速度峰值為0.058g和0.532g輸入下超孔隙水壓力時程曲線

從圖5中可以看出，無論是在0.058g EL-Centro波還是在0.532g EL-Centro波輸入下，土中孔隙水壓力隨著地震加速度的增長迅速上升，并且埋深越深孔隙水壓力值越大，原因可能是較深土層的固結應力和圍壓較大，微觀排水條件較差，孔隙水壓力消散速率也較低，積累的孔隙水壓力就大。

峰值孔隙水壓力指某一工況下孔隙水壓力時程中出現的最大孔隙水壓力值，雖然它可能只出現在某一瞬間并且持續時間很短，但它對地基的動力變形、軟化、液化等物理形態的影響很大，是孔壓研究中一個重要的考察內容。同一監測點在0.058g EL-Centro波和0.532g EL-Centro波輸入下，后者情況下產生的孔隙水壓力峰值較大。

另外，在孔隙水壓力即將迅速上升前的時刻，孔隙水壓力存在一個“驟降”的現象。并且輸入的加速度峰值越大，這種現象越明顯，如圖5所示。Kagawa等［5］（1994）在日本Tsukuba國家地質學與防災研究所（NIED）進行液化場地土—樁動力相互作用模型振動臺試驗中也得到了類似的現象。

4 結語

地基孔隙水壓力的分布與地震激勵、場地土的土質、組成和埋藏條件等因素都有密切關系。無論是較大震輸入還是小震輸入，不同埋深土層的液化發展規律基本一致，但相互之間存在一定的時差;埋深較淺的土層較容易液化，且隨著埋深的增加，土層液化程度有減小的趨勢。這些與實際震害調查和理論分析得到的結論是一致的。

［1］Itasca Consulting Group Inc.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions［M］.Minneapolis：Itasca Con sulting Group Inc，2002.

［2］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［3］錢德玲，夏京，盧文勝.支盤樁——土—高層建筑結構振動臺試驗的研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（10）：2024-2030.

［4］王東坡.支盤樁——地基—結構相互作用體系的振動臺試驗研究［D］.合肥：合肥工業大學，2005.

［5］Kagawa T.，Minowa C.，Mizuno H.，et al.Shaking-Table Tests on Piles in Liquefying Sand［J］.Proc.5th U.S.Natl.Conf.Earthquake Eng，Chicago，1994，4（10）：107-116.

Variation analysis of porewater pressure
under the earthquake based on FLAC3D foundation soil

HE Xiang-li LI Jian-quan ZHU Fang-m in

（Zhejiang Dahe Construction Engineering Detection Co.，Ltd，Hangzhou 310023，China）

This paper carries out fluid-solid interaction analysis on porewater pressure variation of foundation soil under the earthquake by using FLAC3D finite difference software，and explores the porewater pressure variation of foundation soil under the earthquake.Results show that the foundation porewater pressure distribution is closely related to seismic excitation，field soil quality，composition and embedding conditions and so on，which has significantmeaning for further understanding hydraulic foundation earthquake hazard.

earthquake，foundation soil，hydraulic，pore water pressure，FLAC3D

TU413.7

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.18.005

1009-6825（2012）18-0068-03

2012-03-1

何相禮（1963-），男，高級工程師