基于ANSYS的吹填砂場地地震反應特性分析

宋亞平　陳碩

摘 要：吹填砂場地用于現代化建設的步伐越來越快，調查探究場地的卓越周期、正確規避場地振動液化等工程實際問題是沿海區域場地擴展的緊要環節。本文在某吹填場地的基礎上，施加人工合成地震動，通過ANSYS模態分析、譜分析和時程分析，探討吹填場地在成陸過程中動力特性的演變歷程，得出了一些有意義的結論。力求為探究吹填砂場地卓越周期的演化和陸后建設的抗震設防提供初步的依據。

關鍵詞：吹填砂；卓越周期；密實度；動力響應

在經濟高速發展的趨勢下，沿海地區的建設用地已不能與其建設規模相適應，用地匱乏與城市建設的矛盾加劇了吹填工藝的發展。為了適應開發建設的需求，國內一些沿海地區在吹填的同時，進行場地的開發，地質條件特殊，表層多為5m左右的吹填砂，下覆深厚欠固結海積軟土層，承載能力低、含水量大，加之沿海區域地震作用發生頻繁。

目前，強夯法、高真空擊密法、振沖法等地基處理方法雖能在提高地基承載力方面取得較明顯的效果。但吹填場地在地震作用下表現的震陷、液化等地基失效現象，還需要進一步的探索。本文以防城港地區某一吹填場地為研究對象，通過計算機模擬不同密實度下的吹填砂場地，探索其在遠場強震下的動力響應，以求為工程建設和防震防災提供一定的科學依據。

1 動力響應分析

1.1 場地地質條件的設定

在深厚的海積軟土層上利用吹填工藝進行粉細砂、粉土的吹填形成吹沙型填海場地，為城市開發建設創造了場地條件。通過地質勘探，揭露出場地土層通常為以粉細砂為主的吹填土，厚度約5～8m，處于中壓縮性粉土或粉質粘土，厚度約為5～10m，具有高壓縮性的海積淤泥質土層，具有高承載力和低壓縮性的基巖層，呈現出明顯的層狀結構特性。為更真實的模擬工程實際，取四個具有代表性的土層形成場地模擬單元。其中海積軟土層深至基巖層，往往厚度較大，以北部灣地區吹填場地工程實踐經驗取代表值30m。設置三種不同的吹填砂層密實度以適應場地長期荷載下密實度的變化。同時吹填場地往往受海浪、潮汐等多復雜因素的影響，加之土體性質的各向異性，往往使模擬計算難以展開。為簡化計算假設各土層為位移相互協調的水平層狀結構體，且不考慮孔隙水壓力的影響。

模擬試樣取自防城港某吹填砂場地，通過對其進行固結等室內試驗得出其基本物理性能參數如下：其中海積軟土層的為1590kg·m-3，c為17.70KPa，φ為8.61°，ES為1.301Mpa；粉質粘土的為1812kg·m-3，c為28.86KPa，φ為10.65°，ES為2.210Mpa；粉細砂的分別為1521kg·m-3、1637kg·m-3、1702kg·m-3，c分別為3.621KPa、4.124KPa、4.450KPa，φ分別為27.61°、29.61°、32.05°，ES分別為31.02MPa、38.31MPa、51.62MPa。

1.2 有限元模型的建立

為簡化計算應用平面應變單元建立100m×50m的二維均質半無限空間。并利用有限元的二次開發功能在場地非自由邊建立二維粘彈性人工邊界模型，來模擬場地的彈性恢復和地震波的反射性能，以更好地實現場地邊界效果，且粘彈性人工邊界對各頻率地震成分均表現出良好的穩定性 [ 1 ]。其中，粘彈性人工邊界是通過具有特定剛度和阻尼的COMBIN14單元來實現的，且其準確性和合理性與常規的理論積分法趨于一致，計算精度良好。并在不同土層之間設置面面接觸單元，網格尺寸設為1m×1m，按照各工況的物理性能參數建立有限元模型。

長周期地震動對建筑設施的破壞越來越引起人們的關注，場地陸后建設應更加考慮遠場強震的抗震設計。因目前遠場實震資料較少，很難滿足工程設計需要，加之深厚土體對實震記錄頻率的過濾性能的復雜性，故本文依據設計規范反應譜采用人工合成地震動。根據廣西北部灣地區的場地類別、設防烈度、場地特征周期等得出其設計規范反應譜曲線。并把規范反應譜導入地震動合成軟件進行地震動的合成、過濾和基線修正。最終形成的地震動，時程為20s，時間步長為0.01s，最大加速度為36.205cm/s2。

1.3 不同工況地震響應分析

模態分析主要是通過對場地的絕對剛度和質量分布進行整體的和宏觀的構造概念意義上的分析。通過對三種工況分別進行模態分析，并取相應的自振頻率進行曲線擬合。得出在特定工況下，各階陣型呈線性直線緩慢增長趨勢，變化幅度不大，且隨著吹填砂層密實度的增加其擬合曲線逐漸從下往上分布。譜分析是通過合并各周期分量下的陣型響應來構造結構在地震荷載下的響應峰值的一種動力計算方法[ 2 ]。通過對各工況場地施加水平地震加速度反應譜進行單點響應譜分析，提取卓越周期，得出相應周期下的動力響應值。發現工況三場地卓越頻率最大，且對三種工況的卓越頻率進行曲線擬合，其相關性呈指數增長，相關系數達到0.998以上。

動力時程分析是一種被廣泛認可的抗震設計分析方法，它在彈性理論的基礎上使結構動力響應的全過程更加清晰明了，有效的規避了反應譜分析方法的局限性。建立二維有限元模型，并在其非自由邊建立粘彈性人工邊界，把人工合成的長周期地震波在模型底部垂直入射。其中地震動輸入方法的計算精度已得到充分的驗證。通過分析發現，吹填砂層對輸入地震動的峰值加速度具有明顯的放大作用，放大系數約為基巖層的4～5倍，但密實度對放大效應的影響不明顯。同時發現，基巖層、深厚海積軟土層、粉質粘土層對輸入地震動的放大系數也呈現明顯的差異。其中海積軟土層的放大系數明顯大于粉質粘土層，由此表明，通過地基處理來提高土體的固結程度具有一定的減震作用，但具體起作用的頻率區段尚需要進一步的探究。

2 結語

本文通過對不同密實度的吹填砂場地進行模態分析、譜分析和動力時程分析，得出吹填場地成陸后隨著施工荷載的增加，場地固結程度的增大，其自振頻率逐步增大且呈指數增長趨勢，進行陸后建設時應盡可能的避開固有頻率段，減少共振。不同工況對輸入地震動的放大作用不明顯，這可能是由土體的固有特性對地震波的特有的過濾作用所導致。僅探究吹填砂層變化對動力特性的影響具有明顯的局限性，吹填砂層密實度變化的同時，下覆深厚軟土層的固結程度也在逐步提高，進一步探究二者協調變化情況下場地卓越周期的演化、場地不同深度處動力響應的分布規律以及場地孔隙水壓力的變化等特性將具有更深刻的現實意義，也為下一步探究提供了方向。

參考文獻：

[1] 劉晶波，王振宇，杜修力，等.波動問題中的三維時域粘彈性人工邊界[J].工程力學，2005，22（6）： 46-51.

[2] 魯俊輝，佘成學.水工隧洞地震反應影響因素分析[J].中國農村水利水電，2012，（9）：101-104.