地震條件下人工島的動力反應(yīng)與液化的數(shù)值分析研究

曾 威, 楊 野, 李 成 剛

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院勘察分院，四川 成都 611731；2.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 402000)

地震條件下人工島的動力反應(yīng)與液化的數(shù)值分析研究

曾 威1, 楊 野2, 李 成 剛1

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院勘察分院，四川 成都 611731；2.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院，重慶 402000)

人工島回填砂土在地震和動力載荷作用下可能發(fā)生液化，對海灘水利工程造成損壞。利用有限元數(shù)值分析方法，針對人工島回填砂土進行了數(shù)值分析，研究其動力反應(yīng)與液化特性以指導(dǎo)設(shè)計與施工。

人工島回填砂土;數(shù)值分析；動力反應(yīng)；液化特征

1 概 述

人工島是指在近岸淺海水域中人工建造的陸地，通過棧橋或海底隧道與岸相連(水深在0～10 m之內(nèi))。采用人工島開發(fā)灘海水利工程是經(jīng)濟有效的方法。但因其島芯的回填砂土在地震與動力載荷作用下會產(chǎn)生液化現(xiàn)象而急需解決。

砂土液化是巖土工程中一個重要而復(fù)雜的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的研究多集中在因地震條件引起的陸地的砂層液化，而由于地震引起的近岸結(jié)構(gòu)物砂土液化亦是一個很重要的問題。近岸砂土液化可能引起結(jié)構(gòu)物的傾斜與破壞。基于海床動力響應(yīng)彈性分析得知：當(dāng)土單元中由于地震引起的瞬時超孔隙水壓力幅值達到有效應(yīng)力時，海床土體即會發(fā)生瞬時液化。

土工結(jié)構(gòu)物的地震動力分析可以采用時域法或頻域法。時域法是應(yīng)用逐步積分方法直接求解非線性動力方程得到土體的地震位移、加速度和動應(yīng)力反映的時間過程。而采用頻域求解運動方程或波動方程時，則是將地震的地面運動與土體動力響應(yīng)過程看作是穩(wěn)態(tài)過程，于是將輸入運動時程通過Fourier變換成一系列簡諧運動之和，求解這些運動方程或波動方程得到穩(wěn)態(tài)解，再通過Fourier反變換反演到時域上，從而得到土體的動力反應(yīng)時程。

筆者采用時域上的Wilson-θ逐步積分法，按照等價線性化法進行動力分析，研究了人工島回填砂土的動力特性，對液化的可能性進行了分析。

2 地基地震動力非線性分析方法

地震過程中地基的動力反應(yīng)及液化危險性不僅與地基本身的幾何特征、土料的物理力學(xué)特性有關(guān)，而且與輸入地震動的組成特性有關(guān)。因此，在進行動力分析之前，首先必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卣鹞ｋU性分析結(jié)果確定比較合理的輸入地震動參數(shù)。設(shè)計地震動包括地震動的作用時間、地面運動最大(峰值)加速度、卓越周期和等效循環(huán)作用次數(shù)。筆者根據(jù)委托方關(guān)于設(shè)計地震烈度分別為7、8及9度的要求，確定設(shè)計地震地面運動最大地震加速度分別為0.1 g、0.2 g及0.4 g(g為重力加速度)，等效振動次數(shù)分別為12次、20次及50次，卓越周期為0.2 s，振動持續(xù)時間分別為20 s、40 s及60 s。

由于難以預(yù)知可能遭遇地震的時間過程，所以，目前動力分析中一般均采用已有的地震記錄。對于該工程，以距場地較近的1976年唐山地震記錄為基礎(chǔ)，按上述不同的設(shè)計地震烈度要求，調(diào)整得到地震反應(yīng)分析中地震動輸入的時間過程曲線。

該地震動力數(shù)值模擬中分別考慮了砂土的相對緊密度為60%和70%，取在1Hz的振動頻率下的動力試驗結(jié)果進行分析。為了得到土體地基的地震反應(yīng)規(guī)律及砂土層在地震作用下的液化可能性，分別按設(shè)計地震烈度為7度、8度及9度(對應(yīng)的場地最大加速度為0.1 g、0.2 g及0.4 g)進行地震動力反應(yīng)及液化分析。

根據(jù)等價線性化法，具有粘滯阻尼的非線性土體可以簡化為一個等價粘彈性振動體系，于是在地震作用下土體的運動方程為：

[M]{δ′}+[C]{δ′}+[K]{δ}=-{E}xug,x(t)-{E}yug,y(t)

(1)

式中 [M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為土體總剛度陣，采用瑞利阻尼假定，于是阻尼矩陣為質(zhì)量陣和剛度陣的線性組合，即[C]=α[M]+β[K]；而α=ξw，β=ξw；ξ為各單元的阻尼比，w為土體最低自振圓頻率；{δ″}，{δ′}，{δ}分別為節(jié)點的相對位移、速度、加速度；{E}x，{E}y分別為X和Y方向的質(zhì)量向量。

邊界條件為：在基巖面上{δ}x=0=0。

采用Wilson-θ法求解上述動力方程式，計算中取θ=1.4，求解得出位移、速度、加速度。按位移形函數(shù)確定的應(yīng)變-位移關(guān)系，得到單元的動應(yīng)變，再根據(jù)平面應(yīng)變問題的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求出各單元的動應(yīng)力。

采用等價線性化的方法考慮土體土料的動力非線性性質(zhì)。其基本做法是：根據(jù)選定的剪切模量及阻尼比的初始值G0與ξ0，在頻域或時域上運用波動理論或線性有限元法估算土體的動力反應(yīng)，以此確定各土體單元的有效應(yīng)變γeff(通常取最大剪應(yīng)變γmax的0.65倍)，然后根據(jù)試驗得到土料的G～γ與ξ～γ試驗曲線，估算與當(dāng)前特征應(yīng)變水平γeff相應(yīng)的動力參數(shù)，進而再次進行線性分析，以此類推，不斷迭代直至所選用的動力參數(shù)與所取得的有效應(yīng)變相協(xié)調(diào)，將最終計算結(jié)果作為土體的非線性動力響應(yīng)。

人工島的結(jié)構(gòu)是由圍堰(島壁)和島芯組成，四周圍堰采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)和樁基拋石斜坡堤混合結(jié)構(gòu)。堤身分兩期填筑，第一層回填中粗砂至標(biāo)高水面上1 m處，第二層回填土至堤心石頂，相應(yīng)的外側(cè)人工護面塊體、內(nèi)側(cè)混合倒濾層也分兩期安裝和鋪設(shè)(圖1、2)。

圖1 人工島斷面簡圖

圖2 計算網(wǎng)格示意圖

3 回填砂土的動力分析

地基地震動力反應(yīng)的強弱不僅取決于地震輸入，而且與地基結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。輸入地震的頻率越接近地基的基頻，地基的地震動力反應(yīng)越強烈。計算得到的典型斷面地基的自振圓頻率為5.53 Hz，自振頻率為0.88 Hz，基本周期為1.136 s。其與地震動的基本周期相差尚遠，故在輸入地震作用下地基的地震動力響應(yīng)不很強烈。

基礎(chǔ)動力響應(yīng)在密實度為60%、振動頻率為1 Hz的情況下，給出了在設(shè)計地震烈度為7度時斷面的地震加速度反應(yīng)。由此可以看到：在中部島體的頂面水平最大加速度反應(yīng)為0.1 g左右，而垂直最大加速度反應(yīng)比較小，數(shù)值為0.275 m/s2左右。從設(shè)計地震烈度為8度時斷面的地震加速度反應(yīng)可以看到：在中部島體的頂面，水平最大加速度反應(yīng)為0.2 g左右，垂直最大加速度反應(yīng)比較小，數(shù)值為0.33 m/s2左右。從設(shè)計地震烈度為9度時地震作用下的斷面的地震加速度反應(yīng)中可以看到：在中部島體的頂面水平最大加速度反應(yīng)為0.4 g左右，垂直最大加速度反應(yīng)比較小，數(shù)值為0.66 m/s2左右。

最終得出以下結(jié)論：在各設(shè)計烈度下斷面的地震動力反應(yīng)分布規(guī)律大致一樣，但整體上加速度反應(yīng)數(shù)值隨輸入最大加速度的增加而增大。

同樣，對于密實度為70%、振動頻率為1 Hz的情況，在設(shè)計地震烈度為7度時，中部島體的頂面水平最大加速度反應(yīng)為0.1 g左右，而垂直最大加速度反應(yīng)比較小，數(shù)值為0.236 m/s2左右。在設(shè)計地震烈度為8度時，中部島體的頂面水平最大加速度反應(yīng)為0.2 g左右；垂直最大加速度反應(yīng)比較小，數(shù)值為0.33 m/s2左右。在設(shè)計地震烈度為9度時，中部島體的頂面水平最大加速度反應(yīng)為0.4 g左右，垂直最大加速度反應(yīng)比較小，數(shù)值為0.661 m/s2左右。

在各設(shè)計烈度下斷面的地震動力反應(yīng)分布規(guī)律大致一樣，但整體上加速度反應(yīng)數(shù)值隨輸入最大加速度的增加而增大。

4 砂土層的地震液化分析

在上述土體動力特性試驗與地震動力反應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)地震設(shè)計烈度，采用剪應(yīng)力對比法可以得到斷面砂土層可能的液化區(qū)分布范圍。筆者分別分析了設(shè)計地震烈度分別為7度、8度和9度時各種工況下的液化情況。

(1)Dr=60%，試驗振動頻率為1 Hz時的液化分析結(jié)果。

在相對緊密度Dr=60%、振動頻率為1 Hz時，圖3顯示的是在地震烈度為7度時的液化區(qū)分布。由圖3可見，砂土層僅在邊緣有極小范圍的液化，可以認(rèn)為沒有發(fā)生液化；圖4顯示的是在地震烈度為8度時的液化區(qū)分布，由圖4可見，液化區(qū)由兩邊向中間發(fā)展，有較大范圍的液化；圖5顯示的是在地震烈度為9度時的液化區(qū)分布，由圖5可見，砂土層發(fā)生了全面的液化。

(2)Dr=70%，試驗振動頻率為1 Hz時的液化分析結(jié)果。

在相對緊密度Dr=70%，試驗振動頻率為1 Hz時，圖6顯示的是在地震烈度為7度時的液化區(qū)分布，由圖6可見，砂土層中沒有發(fā)生液化；圖7顯示的是在地震烈度為8度時的液化區(qū)分布，由圖7可見，砂土層僅在邊緣有極小范圍的液化(可以認(rèn)為沒有發(fā)生液化)；圖8顯示的是在地震烈度為9度時的液化區(qū)分布，由圖8可見，砂土層發(fā)生了全面的液化。

圖3 Dr=60%，7度地震時地震液化區(qū)分布示意圖(圖中陰影部分)

圖4 Dr=60%，8度地震時地震液化區(qū)分布示意圖(圖中陰影部分)

圖5 Dr=60%，9度地震時地震液化區(qū)分布示意圖(圖中陰影部分)

圖6 Dr=70%，7度地震時地震液化區(qū)分布示意圖(圖中陰影部分)

圖7 Dr=70%，8度地震時地震液化區(qū)分布示意圖(圖中陰影部分)

圖8 Dr=70%，9度地震時地震液化區(qū)分布示意圖(圖中陰影部分)

5 結(jié) 語

筆者采用數(shù)值方法分析了地震載荷作用下人工島的動力反應(yīng)，研究了液化的可能性，從計算結(jié)果可以看出：

(1)隨著設(shè)計地震烈度的增加，砂土層液化的可能性增加；隨著砂土相對緊密度的提高，抗液化能力提高。

(2)對人工島的設(shè)計應(yīng)充分考慮回填砂土層的動力特性與液化可能性，在不同的地震烈度條件下會產(chǎn)生不同的動力反應(yīng)，并且可能會出現(xiàn)液化，導(dǎo)致基礎(chǔ)的不穩(wěn)定，進而影響運行的安全性。

[1] 朱百里，沈珠江，等.計算土力學(xué)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

[2] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

[3] 金明權(quán)，李凱雙，王長軍，等.極淺海石油開發(fā)工程環(huán)境與數(shù)字灘海——南堡油田路島工程前期研究[M].北京：海洋出版社，2006.

[4] 許成順.復(fù)雜應(yīng)力條件下飽和砂土剪切特性及本構(gòu)模型的試驗研究[D].大連理工大學(xué)博士論文，2006.

TV7;TV221

B

1001-2184(2017)06-0071-04

2017-06-10

曾 威(1986-)，男，四川成都人，工程師，學(xué)士，從事水電工程地質(zhì)勘察工作；

楊 野(1978-)，男，重慶市人，高級工程師，學(xué)士，從事水電工程地質(zhì)勘察工作；

李成剛(1976-)，男，陜西澄城人，工程師，學(xué)士，從事水電工程地質(zhì)勘察工作.

李燕輝)

流域水電綜合監(jiān)測和水能利用監(jiān)測初步成果討論會在京召開

為加快推進和統(tǒng)一規(guī)范流域水電綜合監(jiān)測工作，2017年9月1～2日，水電水利規(guī)劃設(shè)計總院在北京組織召開了流域水電綜合監(jiān)測和水能利用監(jiān)測初步成果討論會。國家能源局新能源和可再生能源司劉明陽處長出席了會議，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司、云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司、中國長江三峽集團公司等有關(guān)單位的專家和代表參加了會議。自國家能源局于7月6日組織召開流域水電綜合監(jiān)測暨水能利用監(jiān)測工作啟動會以來，在國家能源局的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下，在省能源局、各流域公司和發(fā)電企業(yè)的大力支持下，在水電水利規(guī)范設(shè)計總院領(lǐng)導(dǎo)及各相關(guān)部門的共同努力下，流域水電綜合監(jiān)測和水能利用監(jiān)測工作順利推進，已接入四川、云南等試點流域已投產(chǎn)運行的37座電站實時運行數(shù)據(jù)，并對7、8月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了計算分析，取得了階段性的成果。會議聽取了流域水電綜合監(jiān)測和水能利用監(jiān)測初步成果等情況匯報，與會代表對監(jiān)測數(shù)據(jù)、計算方法、邊界條件等進行了認(rèn)真討論，對各發(fā)電公司上報的數(shù)據(jù)進行了逐一復(fù)核計算，并總結(jié)了本階段的工作經(jīng)驗。國家能源局新能源和可再生能源司劉明陽處長對流域水電綜合監(jiān)測和水能利用監(jiān)測工作進展以及取得的成果給予了充分肯定和高度評價，對各發(fā)電公司給予的支持表示感謝，并對工作過程中遇到的具體問題提出了解決思路，強調(diào)了流域綜合監(jiān)測工作的重要性和意義，希望各單位繼續(xù)努力，通力協(xié)作，進一步推進流域水電綜合監(jiān)測工作。