深厚覆蓋層上某核電護岸結構地震響應及穩定性分析

白秋紅+趙杰+王桂萱

摘要：以某深厚覆蓋層上核電護岸工程為研究對象，介紹了護岸抗震穩定分析的原理和分析方法。采用等價線性法對代表性斷面進行有限元動力時程分析，得到SL1和SL2地震動作用下護岸結構的加速度響應、安全系數、液化區分布狀況以及震后殘余變形。通過分析地基不同土層交界面加速度響應變化來研究深厚覆蓋層對加速度峰值的動力放大效應影響。

關鍵詞：深厚覆蓋層；等價線性；動力響應；殘余變形

中圖分類號：TU311文獻標識碼：A文章編號：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、清潔且經濟高效的優勢為我國的能源缺口和環境問題提供了一條重要解決途徑（郭勇，鄭硯國2008）。隨著我國核電的快速發展，沿海地區符合核電廠標準設計的巖質地基廠址資源日益減少，導致新建核電廠的選址往往無法規避軟土地基，為此國內很多規劃新建的核電海工護岸結構均坐落于深厚覆蓋土場地上。考慮到深厚覆蓋層的形成條件不同，地質環境相差較大，且存在分布不規律等因素，造成其結構和級配變化大、物理力學性質不均勻的特點，土性在水平和垂直兩個方向存在較大差異。因此，位于深厚覆蓋層地基上的核電結構設施必須考慮深厚覆蓋層地基對結構抗震性能的影響。

孫鋒（2013）利用深厚覆蓋層地基具有較強的壓縮性以及較小滲透性，會使得結構沉降較大的特點，根據實際地質情況建立模型進行計算分析，得到深厚覆蓋軟土地基的沉降規律。費康等（2008）等認為采用常規的擬靜力方法不能真實反映深厚覆蓋層上土石壩的動力特性，應從壩體材料的動力穩定性、永久變形和安全系數時程變化等方面綜合評價大壩的穩定性。黨發寧和胡再強（2005）通過對深厚覆蓋層上土石壩的三維有限元模型進行動力計算分析，得到土石壩在地震作用下的穩定性以及安全性。趙劍明和溫彥鋒（2010）在三維非線性有效應力地震反應分析的基礎上，針對深厚覆蓋層上高土石壩的特點，提出從穩定、變形、防滲體安全等方面對深厚覆蓋層上高心墻堆石壩的極限抗震能力的研究方法，對堆石壩進行抗震研究。

本文以坐落在深厚覆蓋層上的某沿海核電海工護岸結構為工程背景，采用等價線性法，在SL1和SL2地震動作用下進行核電護岸的動力響應、地下砂土層的液化、殘余變形等分析，得出深厚覆蓋層上護岸結構動力響應和抗震穩定性等方面的規律。通過分析護岸內部加速度的放大過程研究深厚覆蓋層厚度以及復雜土層對加速度峰值的動力放大效應影響。

1計算分析方法

11等價線性法

護岸結構在深厚覆蓋層條件下的地震響應以及穩定性與土的動力特征密切相關。土體復雜的非線性特征隨著地震振幅的增大而增大。采用傳統的非線性時程分析方法計算復雜、費時較長而且分析參數較多且不容易掌握，因此，本文排除傳統方法采用等價線性法（宋建希等，2016）。等價線性法最大的優點是可以考慮土體在地震作用下的復雜非線性變化，而且也極大的提高了計算效率。等價線性法中剪切模量和阻尼比是由等效剪應變振幅來確定，但是等效剪應變振幅在初始計算中是未知的，因此需要通過不斷迭代來確定等效剪應變幅值，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岸結構地震響應及穩定性分析12液化及殘余變形分析

在地震反應分析中有效應力法能夠求出地震過程中孔隙水壓力的增長規律和液化隨時間的發展過程，Finn（1981）等人首先提出在粘彈性模型的基礎上進行動力分析，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題的分析。有效應力動力分析方法的計算結果更為合理更能真實反映出土的特性。本文將整個動力作用過程等分成若干時間段，每個時間段按WILSON-θ法動力計算，按經驗公式得到該時段內各單元的殘余變形，將結果以初應變或初應力的形式進行靜力計算，從而得到結點位移、單元應變的變化。將計算得到的每個時段的應力應變進行疊加從而得到整個過程中的動應力應變和殘余變形。

13有限元動力時程分析

考慮地震過程中護岸結構應力的瞬時變化計算出每一時刻護岸結構抗滑穩定安全系數稱之為有限元動力時程分析方法，該法考慮了巖土體材料的不均勻性和非線性。 目前我國《核電廠抗震設計規范》（GB50267—97）和《核電廠海工構筑物設計規范》（NB/T 25002-2011）均要求針對核電海工構筑物這類核安全物項必須采用動力時程分析方法進行抗震穩定性評。因此，在護岸結構動力反應分析中，利用動力有限元法（田貴川，何江達，2010）通過計算護岸結構在地震過程中每個單元節點的應力分布以及變形狀況，運用每一單元疊加的應力以及變形來評價護岸結構的動力穩定性。并且以最小安全系數作為評價護岸穩定性的標準。

2算例分析21工程概況某核電廠海工構筑物護岸結構，頂部高程145 m，堤心石采用開山石填筑，地基處理采用爆破排淤填石法，護岸外坡、內坡坡度均為1∶15。堤內、外兩側采用拋填塊石法護底，為防止堤前浪底流速的沖刷作用采用柔性地連墻防滲結構。工程場地地基土層由上而下分布如下：淤泥、粉細砂、中粗砂、粉質粘土、砂質粘土 、全風化黑云母花崗巖、強風化黑云母花崗巖、中風化黑云母花崗巖，屬于典型覆蓋層較厚廠址地基。

圖2所示為護岸結構型式，從地表到中風化巖層深度高達80 m左右。

2有限元模型

根據地質資料建立護岸有限元分析模型，計算網格模型如圖3所示，模型長400 m，寬100 m，共8 893個單元，9 042個節點，模型采用等價線性模型，模型左右邊界采用粘性邊界條件，模擬地基無限輻射阻尼效果，底部邊界固定約束。

23計算輸入231計算參數本次靜力計算采用鄧肯張模型，模型計算參數如表1所示，動力計算采用沈珠江有效應力模型，計算參數如表2、表3所示。

232地震波選擇

根據中國地震局地球物理研究所完成的該核電廠址地震安全性評價報告，抗震分析采用廠址基巖基準地面地震動時程曲線見圖4，該地震動持時28 s。SL1運行安全地震動水平峰值加速度設計值取015 g，豎直方向為01 g，SL2極限安全地震動水平峰值加速度設計值取03 g，豎向峰值加速度為02 g。

3結果分析

31地震加速度響應計算結果初步表明高低水位的變化對地震加速度響應的影響不大，在動力計算分析中不再考慮水位變化的影響。由于護岸結構地基覆蓋層較深、軟弱淤泥層較厚等因素使得結構整體剛度較低，因此結構動力放大效應相對減弱。如圖5所示：SL1地震動作用下，護岸頂部水平加速度的最大放大倍數為312，豎向加速度的最大放大倍數為321；SL2地震動作用下，護岸頂部水平加速度的最大放大倍數為3，豎向加速度的最大放大倍數為257。

為研究護岸內部加速度的放大過程，在相鄰土層交界面設監測點，通過監測每土層的加速度放大過程給出峰值加速度變化情況。如圖6所示：在土層交界面共設置6個監測點，通過分析計算得到每個監測點的峰值加速度，得到如圖6的規律：護岸結構內部加速度總體上自基巖到護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，說明深厚軟土地基的厚度對應于加速度峰值放大系數可能存在臨界值，超過該臨界厚度值加速度放大系數會有不同程度的下降，也可能與在-20 m附近存在粉細砂、中粗砂、粉質粘土和砂質粘土等多種土層有關。計算結果表明，在地表土層的峰值加速度放大系數在13～18范圍內，從地面到護岸頂部放大系數是急劇增大的，水平方向放大系數為35，豎直方向為3；隨著輸入地震動強度的增加，土體表現出的非線性增加，隨著地震波頻率的增加，因其高頻段的能量分布較多，土體濾波效應明顯增強。因此，護岸的加速度反應及其分布規律不僅與結構受到的地震動特性有關，也與護岸結構深厚地基土層厚度以及覆蓋土層種類復雜有很大關系。

32地基土層液化及殘余變形

圖7所示，在SL1地震動作用下，地基砂土層發生輕微的液化；在SL2地震動作用下，地基砂土層液化程度比較嚴重。總體說來，分布較淺的粉細砂②2由于液化動剪應力比較小，液化程度較嚴重；分布較深中粗砂③6液化動剪應力比較大，液化程度較輕微。

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

33動力有限元穩定分析

根據《核電廠抗震設計規范（GB50267—97）》和《核電廠海工構筑物設計規范》（NB/T 25002—2001）有關規定，對海工構筑物按照核安全類物項進行動力有限元計算得到護岸結構的最危險滑動面如圖9所示，通過計算得到在不同地震動作用下的安全系數時程如圖10所示：若海工構筑物按照核安全類Ⅱ抗震設計，SL1地震作用下，最小動力安全系數為120，剛滿足規范要求；若按照核安全Ⅰ類抗震設計，SL2地震作用下，最小動力安全系數為0787，安全系數小于1，結構相對危險，需進行必要的加固措施。

4結論

采用等價線性法方法分析，通過計算分析某深厚覆蓋層核電廠護岸結構在SL1和SL2地震動作用下的穩定安全系數、液化區分布以及震后殘余變形得出如下結論：

（1）護岸結構存在地基覆蓋層較深時，軟弱淤泥層較厚等因素使得結構整體剛度較低，因此護岸結構動力效應相對減弱。

（2）加速度峰值放大系數在-20 m附近有不同程度的降低的，說明深厚軟土地基的厚度對應于加速度峰值放大系數可能存在臨界值，超過該臨界厚度值加速度放大系數會有不同程度的下降，也可能與在-20 m附附近存在粉細砂、中粗砂、粉質粘土和砂質粘土等多種土層有關。這種下降趨勢的原因不僅與地震動的特性有關，也與護岸結構深厚地基土層厚度以及覆蓋土層種類復雜有很大關系。

（3）SL1地震作用下，場區砂土發生輕微的液化；SL2地震作用下，場區砂土液化程度為嚴重。

（4）由于上部護岸結構地基淤泥層較厚，整體護岸結構震后殘余變形相對較大。護岸結構按照核安全類Ⅱ抗震設計，滿足規范要求；按照核安全Ⅰ類抗震設計，結構相對危險，需進行必要的加固措施。

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