軟巖動參數(shù)統(tǒng)計及地基動力反應(yīng)分析

朱文秀ZHU Wen-xiu；王旭宏WANG Xu-hong；呂濤LV Tao；楊球玉YANG Qiu-yu

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

核電廠標準化設(shè)計需要以地基的動力學特性參數(shù)為輸入條件。目前，在核電廠選址和廠址評價工作中，我國通常選擇中風化及以上的堅硬巖石地基作為核島地基。長期的工程實踐，促使工程研究人員對核電廠中硬巖地基進行了大量深入研究，對于剪切波速大于600m/s的核電廠址已經(jīng)提出了標準化設(shè)計地基模型[1]。作為“核電走出去”戰(zhàn)略中的主力堆型，華龍一號機組需要適應(yīng)不同國家當?shù)氐牡刭|(zhì)條件，因此，研究剪切波速小于600m/s的軟巖地基動力特性對核電技術(shù)發(fā)展就顯得尤為重要。

代表性軟巖有黏土質(zhì)膠結(jié)砂巖和廣泛分布的泥巖[2]，其地震動力學特性以及地震反應(yīng)表現(xiàn)出介于巖石與土體之間的特征，具有特殊的工程性質(zhì)?，F(xiàn)有的研究成果大多根據(jù)勘察試驗獲取特定工程的軟巖參數(shù)資料，而對軟巖地基動力學特性缺乏一般規(guī)律性研究，不利于軟巖地基上的核電廠標準化設(shè)計。

縱觀世界上的核電大國，美國、法國等均在內(nèi)陸地區(qū)建有大量核電站，在不同核電廠標準設(shè)計中考慮多種軟巖及和土層地基的情況，針對不同機組建立了多種標準化設(shè)計地基模型，積累了豐富的經(jīng)驗[3]。本文在借鑒國外成果的基礎(chǔ)上，綜合我國實際工程場地情況，對軟巖地基動力學特性深入系統(tǒng)的研究，為軟巖地基核電廠標準化設(shè)計提供基礎(chǔ)條件。

1 軟巖動力學參數(shù)研究

本次調(diào)研范圍基本涵蓋了我國主要內(nèi)陸省份，包括核電、地鐵、油田等大型建筑場址，資料搜集以近年來的完整土動力學參數(shù)實驗數(shù)據(jù)為主，包括工程地質(zhì)勘查資料和場地地震安全性評價報告。調(diào)研巖土類型包括了泥巖、砂巖、中風化巖層、強風化巖層及密實的碎石土等，統(tǒng)計最大基巖埋深為地表以下100m。

1.1 剪切波速隨深度的變化規(guī)律

剪切波速指震動橫波在地基介質(zhì)中的傳播速度，其大小反映土層的剛度特征，代表了地基介質(zhì)的動力特性，是工程場地地震安全評價和地震區(qū)劃工作中的重要參數(shù)之一，并對場地地震動參數(shù)有顯著影響[4]。

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，軟巖地基的剪切波速在500m/s～600m/s間隨機分布，總體上隨深度增加呈線性增長趨勢。對剪切波速采用線性方程擬合，如圖1所示。軟巖地基地表處剪切波速510m/s，并隨深度增加線性增長，在深度100m時達到580m/s。

圖1 剪切波速分布圖

1.2 容重隨深度的變化規(guī)律

依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，軟巖容重在19kN/m3～23kN/m3之間分布，數(shù)理統(tǒng)計中剔除個別偏差較大的離散點，如圖2所示，可見軟巖容重隨土層埋深的增加變化不明顯。以線性方程擬合后，地表處軟巖容重為20kN/m3，深度100m時剪切波速線性增長到22kN/m3。

圖2 容重分布圖

1.3 動剪切模量比和阻尼比變化規(guī)律

除剪切波速外，反映土動力學特性的另外兩個重要參數(shù)分別是動剪切模量比G/Gmax和阻尼比D。動剪切模量表征介質(zhì)在動荷載作用下表現(xiàn)出來的彈性性能，而阻尼比是評價場地抗震性能的重要參數(shù)。在工程場地地震安全性評價和土層動力反應(yīng)分析中，動剪切模量比和阻尼比均是不可或缺的。

現(xiàn)有研究成果表明[5~6]，土的類別、相對密度、埋藏條件、塑性指數(shù)和固結(jié)壓力等因素對土的動剪切模量和阻尼比都有一定影響，單一以埋深為統(tǒng)計依據(jù)，所得的結(jié)果離散程度較大。根據(jù)前人經(jīng)驗，土的動剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變的變化關(guān)系可分別由雙曲線方程和多項式函數(shù)擬合而成。研究中為評估G/Gmax-γ和D-γ的變化規(guī)律，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行擬合，擬合優(yōu)度分別為0.99、0.97，如圖3、圖4所示。

圖3 G/Gmax-r變化曲線

圖4 D-r變化曲線

G/Gmax-γ和D-γ關(guān)系如表1。

表1 G/Gmax-γ和D-γ關(guān)系成果表

1.4 動泊松比隨深度的變化規(guī)律

本次調(diào)研的各場址動參數(shù)資料，來源于各大型建筑場址地震安全性評價報告。在各個場址的地震安全性評價報告中，土層動力反應(yīng)中基本為一維模型，動參數(shù)中很少涉及到動泊松比的選取，導致動泊松比的樣本數(shù)據(jù)較少。（圖5）

圖5 動泊松比分布圖

根據(jù)已獲取的數(shù)據(jù)及文獻資料，軟巖動泊松比變化基本位于0.35～0.45之間，均值0.40。

2 軟巖地基動力反應(yīng)分析

2.1 計算方法

土層動力反應(yīng)分析是驗證基于調(diào)研數(shù)據(jù)所初步定義軟巖地基模型合理適用性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。深厚土層覆蓋條件下，地震中建構(gòu)筑物的穩(wěn)定性及響應(yīng)狀態(tài)與地基土層的動力學特性關(guān)系密切。應(yīng)變速率、應(yīng)變幅度及循環(huán)加載是土體動力學特性的主要影響因素。而土是非線性材料，表征土動力學特征的主要參數(shù)，如剪切模量G和阻尼比D等都是剪應(yīng)變γ的函數(shù)。針對近場地基的非線性特征，美國土木工程師協(xié)會和美國核管理委員會均建議使用等價線性法。目前，國內(nèi)的中并沒有明確指出相應(yīng)的計算模型，但已發(fā)表的文獻資料大多采用了等價線性法。

等價線性法在地震分析時段內(nèi)首先采用平均材料物性進行線性分析，再根據(jù)剪應(yīng)變（有效剪應(yīng)變）特性修正物性進行下一次迭代分析，迭代過程中始終保證土的動力學特性與剪應(yīng)變的相關(guān)性，直至結(jié)果收斂誤差達到允許范圍。

2.2 邊界條件

遠場地基的輻射阻尼影響通過在地基計算區(qū)域的外邊界處施加粘性人工邊界反映。粘性邊界模型是由粘性邊界和等效荷載共同實現(xiàn)的，目的在于模擬實際波場的應(yīng)力邊界條件。

2.3 計算模型參數(shù)

計算模型參數(shù)分別取統(tǒng)計分析后的軟巖剪切波速、容重、動剪切模量比與阻尼比。地震動輸入采用美國改進型NRC R.G.1.60標準反應(yīng)譜對應(yīng)的時程，基巖峰值加速度設(shè)計值取0.30g。依據(jù)改進型RG1.60反應(yīng)譜，通過人工地震動擬合技術(shù)得到的改進型RG1.60地震波時程曲線，其中地震動持時為28秒，時間步長為0.01s。對于軟巖地基核電廠址，基于最不利因素考慮，計算采用阻尼比0.5%[7]。（圖6）

圖6 水平X向地震波時程曲線

3 計算結(jié)果分析

在場地的動力響應(yīng)分析中，實際工程場地一般采用水平成層模型進行模擬，假設(shè)基巖面為地震動輸入界面[8]。由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，真實基巖面的位置往往不易確定。本文力求對軟巖地基動力響應(yīng)進行一般規(guī)律性研究，而非對某一特定工程場地的地震響應(yīng)分析，因此地震動輸入界面為某一假想基巖面。計算過程中，選取埋深分別為30m、50m、80m、100m的巖土界面為假想基巖面，并進行地震動輸入，經(jīng)一維土層等效線性化分析方法計算軟巖場地的地震反應(yīng)。（圖7、圖8）

圖7 地表加速度峰值變化曲線

圖8 軟巖地震加速度反應(yīng)譜

基巖面埋深30m、50m、80m、100m時，地表峰值加速度為0.86g、0.77g、0.52g、0.45g，相對輸入加速度峰值0.3g放大系數(shù)為2.9、2.57、1.73、1.5，表明軟巖地基對地表加速度峰值的放大效應(yīng)隨基巖埋深而逐漸減小。同樣地，隨著基巖埋深增加，加速度反應(yīng)譜峰值逐漸減小，分別為4.64g、3.25 g、2.54 g、1.84 g。加速度反應(yīng)譜隨基巖埋深增加向長周期方向移動，加速度反應(yīng)譜峰值響應(yīng)頻率降低。軟巖地基地震響應(yīng)分析表明，基巖埋深對軟巖場地動力響應(yīng)有很大影響，在工程實踐中，尚需根據(jù)實際情況綜合分析。

4 結(jié)論

①采用數(shù)理統(tǒng)計方法，初步得到了軟巖容重、剪切波速、動剪切模量比和阻尼比、動泊松比等動力學參數(shù)隨深度變化規(guī)律，為軟巖地基核電廠標準化設(shè)計提供了基礎(chǔ)輸入條件；

②通過構(gòu)造不同基巖埋深的水平成層地基模型，采用等效線性方法對軟巖地基進行動力響應(yīng)分析。計算表明，軟巖地基對地表加速度峰值的放大效應(yīng)隨基巖埋深增大而逐漸降低，且加速度反應(yīng)譜峰值響應(yīng)頻率隨基巖埋深增大而降低。