強(qiáng)震作用下深厚砂質(zhì)覆蓋層土壩有效應(yīng)力動(dòng)力分析

方火浪1， 鄭浩1， 曾澤斌2

(1.浙江大學(xué)防災(zāi)工程研究所，浙江 杭州310058； 2.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州310018)

摘要：利用基于Biot的飽和多孔介質(zhì)理論和砂土多重機(jī)構(gòu)模型的動(dòng)力分析有限元程序FLIP，對(duì)遭受M6.7地震的國(guó)外某深厚砂質(zhì)覆蓋層土壩進(jìn)行有效應(yīng)力動(dòng)力分析，研究壩體和地基的動(dòng)力反應(yīng)特性及其超靜孔隙水壓力的分布規(guī)律。通過對(duì)壩體加速度和永久變形的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較分析，證明兩者之間存在一定差異，但計(jì)算結(jié)果基本上反映壩體加速度與永久變形的實(shí)際分布特征，從而說明采用的數(shù)值計(jì)算方法和本構(gòu)模型具有一定精度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出：壩體無液化發(fā)生；壩底上游淺層地基可能會(huì)發(fā)生局部液化，但范圍較小，可以不進(jìn)行加固處理；壩趾附近淺層地基可能會(huì)發(fā)生較大范圍的液化，因此須采取相應(yīng)的抗液化加固措施。

關(guān)鍵詞：地震； 動(dòng)力反應(yīng)； 永久變形； 砂土液化

收稿日期：*2014-08-20

作者簡(jiǎn)介：方火浪(1962-)，男，浙江諸暨人，博士，研究員，主要從事防災(zāi)減災(zāi)的教學(xué)和科研工作.E-mail：fanghuolang@zju.edu.cn

中圖分類號(hào):TU311.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0074

Effective Stress Analysis of an Earth Dam on Deep Sandy

Alluviums During Strong Earthquakes

FANG Huo-lang1， ZHENG Hao1， ZENG Ze-bin2

(1.InstituteofDisasterPreventionEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou，Zhejiang310058，China；

2.CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation，ZhejiangSci-TechUniversity，Hangzhou，Zhejiang310018，China)

Abstract：Using the finite element liquefaction program based on Biot’s dynamic theory for fluid-saturated porous media and a multimechanism constitutive model for sandy soils，dynamic effective stress analysis of an earth dam on deep sandy alluviums during an M6.8 earthquake is conducted.A comparison of calculated and measured values shows some differences in acceleration and permanent deformation.Because the calculated values essentially reflect actual distribution，the accuracies of the numerical and constitutive models are validated.On the basis of the numerical analysis results，it can be concluded that a reinforcement measure for the dam and its underlying foundation is unnecessary because liquefaction in only a small area may occur in these zones. However，an anti-liquefaction reinforcement measure should be taken because liquefaction in large areas may occur in the shallow layers of sandy alluviums near the dam toe.

Key words： earthquake； dynamic response； permanent deformation； sand liquefaction

0引言

土石壩具有選材容易、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，其中不少建造在地震高烈度區(qū)的深厚砂質(zhì)覆蓋層上。在深厚砂質(zhì)覆蓋層上修建土石壩，有可能會(huì)產(chǎn)生砂土地震液化而導(dǎo)致壩體破壞，例如1971年美國(guó)San Fernando地震(M6.6)、1995年日本兵庫(kù)縣南部地震(M7.2)、2001年印度古杰拉特邦庫(kù)奇地震(M7.8)和2011年日本東北部海域地震(M9.0)中，許多土石壩或堤防工程遭受了嚴(yán)重的震害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此研究深厚砂質(zhì)覆蓋層上土石壩的抗震穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著土動(dòng)力學(xué)和土石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地震區(qū)深厚砂質(zhì)覆蓋層上土石壩的研究越來越重視，并且取得了一定的成果和進(jìn)展。陳飛熊等[1]基于飽和固液兩相介質(zhì)的動(dòng)力固結(jié)理論，采用Hardin動(dòng)力本構(gòu)模型對(duì)黑河土石壩進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，研究了壩體內(nèi)超靜孔隙水壓力的增長(zhǎng)與消散過程及壩體材料滲透性對(duì)超靜孔隙水壓力的影響。周健等[2]采用三維有效應(yīng)力動(dòng)力分析方法，考慮壩體的三維特性、震動(dòng)引起的孔隙水壓力對(duì)材料剪切模量的影響，研究了某灰渣壩在Ⅷ度地震作用下的穩(wěn)定性，得出灰渣壩不同工況時(shí)期的穩(wěn)定情況和最危險(xiǎn)斷面。明海燕等[3]利用臨界狀態(tài)砂土模型，對(duì)Lower San Fernando土壩在1971年San Fernando地震中的反應(yīng)進(jìn)行完全耦合有限元分析，研究了該壩的流動(dòng)破壞特性。Sica等[4]采用有效應(yīng)力動(dòng)力有限元法，研究了載荷履歷對(duì)埃爾因菲耶尼約壩的動(dòng)力特性的影響。汪明武等[5]用土工離心機(jī)試驗(yàn)和有效應(yīng)力分析方法研究了不同地震強(qiáng)度下液化場(chǎng)地堤壩的地震反應(yīng)和大變形特征。岑威鈞等[6]采用非線性有限元法和動(dòng)孔壓試驗(yàn)曲線法，對(duì)某深厚黃土覆蓋層上土石壩進(jìn)行了有效應(yīng)力法地震反應(yīng)分析，重點(diǎn)分析了大壩的加速度、位移和應(yīng)力等動(dòng)力反應(yīng)及其超靜孔隙水壓力分布情況。趙劍明等[7]針對(duì)強(qiáng)震區(qū)深厚覆蓋層上高土石壩的特點(diǎn)，在三維非線性有效應(yīng)力地震反應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，提出了一套深厚覆蓋層上高土石壩極限抗震能力的研究方法，從穩(wěn)定、變形、防滲體安全等方面，對(duì)建在深厚覆蓋層上的長(zhǎng)河壩高心墻堆石壩的極限抗震能力進(jìn)行了研究。于玉貞等[8]采用彈塑性模型和等效線性方法進(jìn)行了高心墻土石壩二維和三維地震動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算，結(jié)果表明彈塑性分析方法能較好地反映土石壩在地震過程中的實(shí)時(shí)動(dòng)力反應(yīng)，在分布規(guī)律上比等效線性方法更為合理。Elia等[9]利用多屈服面彈塑性模型，對(duì)某一土壩進(jìn)行了完全耦合的有效應(yīng)力動(dòng)力分析，研究了該壩的地震反應(yīng)及永久變形。Ming等[10]用完全耦合的有限元分析方法和臨界狀態(tài)砂土模型，對(duì)Upper San Fernando土壩在1971年San Fernando地震中的流動(dòng)破壞特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。陳育民等[11]利用FLIP 程序分析了青草沙水庫(kù)堤基及上部堤防的地震液化變形規(guī)律，比較了堤防不同位置處的殘余變形、超靜孔隙水壓力比分布、有效應(yīng)力路徑。

但是，由于液化問題的復(fù)雜性，地震作用下砂質(zhì)地基和壩體的動(dòng)力特性尚未被充分認(rèn)識(shí)，深厚砂質(zhì)覆蓋層上土石壩抗震設(shè)計(jì)理論的研究還不夠成熟，其設(shè)計(jì)方法在很大程度上仍建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，特別是缺少與實(shí)際土石壩地震反應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果的比較分析。本文以日本某強(qiáng)震區(qū)深厚砂質(zhì)覆蓋層上的土壩為研究對(duì)象，利用基于Biot的飽和多孔介質(zhì)理論和砂土多重機(jī)構(gòu)模型的動(dòng)力分析有限元程序FLIP，對(duì)其進(jìn)行有效應(yīng)力法地震反應(yīng)分析，研究該壩遭受1987年12月17日日本千葉縣東方?jīng)_M6.7地震時(shí)，其大壩和地基的動(dòng)力反應(yīng)特性及超靜孔隙水壓力的分布規(guī)律，為該壩的抗震穩(wěn)定性評(píng)估和抗震加固措施提供依據(jù)，同時(shí)將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1分析方法

有效應(yīng)力動(dòng)力分析采用Iai等[12]開發(fā)的非線性有限元程序FLIP。該程序以Biot的飽和多孔介質(zhì)理論和砂土多重機(jī)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，可以預(yù)測(cè)地基和土工建筑物的地震液化及其大變形過程。通過近年來日本大地震所引發(fā)的岸壁和堤岸破壞實(shí)例的再現(xiàn)計(jì)算和不斷改進(jìn)，其計(jì)算準(zhǔn)確性有較大提高，因此在日本得到了廣泛應(yīng)用。

1.1運(yùn)動(dòng)方程

FLIP程序以基于Biot飽和多孔介質(zhì)理論的動(dòng)力控制方程為基礎(chǔ)，結(jié)合本構(gòu)關(guān)系、邊界條件和初始條件，利用有限元法進(jìn)行求解。飽和不排水條件下的離散運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

式中：U為結(jié)點(diǎn)位移向量；M為質(zhì)量矩陣；ΔM=-STFHSF為考慮流體相互作用影響的附加流體質(zhì)量矩陣；H為反映流體壓力分布的函數(shù)矩陣；SF為動(dòng)水壓力增量矩陣；C為阻尼矩陣；∫VBTσ＇dV為有效應(yīng)力等效結(jié)點(diǎn)力向量；B為應(yīng)變矩陣；σ＇為有效應(yīng)力張量；Kp為不排水條件下孔隙水的剛度矩陣；F為結(jié)點(diǎn)荷載向量。

1.2本構(gòu)模型

FLIP程序采用定義在應(yīng)變空間中的多重機(jī)構(gòu)模型[12]來描述土體的應(yīng)力與應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系。該模型把土體的宏觀變形用一個(gè)宏觀體積變形機(jī)構(gòu)和平面上一系列任意方向分布的一維剪切變形機(jī)構(gòu)來模擬，其剪切變形機(jī)構(gòu)如圖1所示，實(shí)線和虛線圓分別反映壓縮剪切變形和純剪切變形。每個(gè)一維剪切變形機(jī)構(gòu)的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變?cè)诠羌芮€上服從雙曲線關(guān)系，在加載和卸載曲線上遵循修正的Masing準(zhǔn)則以便更真實(shí)地反映土的實(shí)際滯回特性。由于假定一維剪切變形機(jī)構(gòu)之間相互獨(dú)立，該模型能自動(dòng)考慮應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性和主應(yīng)力軸方向偏轉(zhuǎn)的影響。

圖1　多重剪切變形機(jī)構(gòu)模型示意圖 Fig.1　Sketch of multiple shear deformation mechanism model

平面應(yīng)變條件下的本構(gòu)關(guān)系可表示為：

式中：ε為應(yīng)變張量；εp為剪脹引起的體應(yīng)變向量；D為應(yīng)力-應(yīng)變剛度矩陣，可表示為：

圖2　液化狀態(tài)面示意圖 Fig.2　Sketch of liquefaction state surface

2工程概況和計(jì)算條件

2.1工程概況

圖3為位于深厚砂質(zhì)覆蓋層上的日本某土壩，壩頂高程79.5m，壩頂寬度20.0m，最大壩高52.0m，壩體填筑總方量1 455 000m3，上游壩坡度1∶3.5，下游壩坡坡度1∶3.0～3.5，水庫(kù)正常蓄水位75.1 m。壩體主要由泥巖石料、關(guān)東土和易液化的NS細(xì)砂填筑而成，基礎(chǔ)由新生代第四紀(jì)洪積KM泥巖層、KS細(xì)砂層、CS細(xì)砂層和易液化的成田細(xì)砂層組成。該壩遭受了1987年12月17日發(fā)生的日本千葉縣東方?jīng)_M6.7地震，震中距為29km。地震時(shí)水庫(kù)水位為57.0m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果確定其地下水位線，見圖3。

圖3　有限元模型和觀測(cè)點(diǎn)位置 Fig.3　Finite element model and the observation points

2.2計(jì)算模型

有限元模型如圖3所示，為了減少人工邊界引起的誤差，壩體兩側(cè)各取壩體寬度的2倍以上，深度方向取到泥巖層。模型底部采用半無限地基黏性邊界，側(cè)向采用考慮了自由場(chǎng)運(yùn)動(dòng)影響的黏性邊界。計(jì)算網(wǎng)格由5 147個(gè)結(jié)點(diǎn)和5 003個(gè)單元構(gòu)成，單元類型有固體單元、孔隙水單元和水庫(kù)流體單元。

2.3材料參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)物理與力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果，確定計(jì)算用的材料參數(shù)，結(jié)果見表1和表2。表中初始剪切模量、強(qiáng)度指標(biāo)、阻尼比與剪脹參數(shù)分別由現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試、靜三軸試驗(yàn)、動(dòng)三軸試驗(yàn)確定。由于地基的KM泥巖層、KS細(xì)砂層、CSⅡ細(xì)砂層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)在50以上，可以按線彈性材料來處理，其他材料均為非線性。壩體飽和NS細(xì)砂料和壩基成田細(xì)砂層有可能發(fā)生地震液化，因此作為易液化材料來考慮。圖4為壩基成田細(xì)砂層和壩體NS細(xì)砂料的液化強(qiáng)度試驗(yàn)的計(jì)算強(qiáng)度曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的比較(DA為軸向應(yīng)變的雙幅峰值)，兩者吻合較好。靜力和動(dòng)力計(jì)算采用相同的材料參數(shù)，但靜力計(jì)算不考慮剪脹的影響。

表 1　材料參數(shù)

表 2　剪脹參數(shù)

圖4　液化強(qiáng)度曲線 Fig.4　Curves of liquefaction strength

2.4輸入地震波

圖5　地震波時(shí)程曲線 Fig.5　 Time-history curve of input earthquake wave

1987年12月17日，日本千葉縣東方?jīng)_發(fā)生了M6.7地震，埋設(shè)在壩體不同位置的地震計(jì)記錄了該次地震的壩體加速度反應(yīng)時(shí)程。根據(jù)埋設(shè)在壩底廊道的地震計(jì)的水平向加速度記錄，利用一維土層地震反應(yīng)分析程序SHAKE對(duì)上述地震波進(jìn)行反演計(jì)算，求出有限元模型底部的入射波作為計(jì)算用的輸入地震波，結(jié)果如圖5所示，最大加速度為4.65m/s2。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1加速度反應(yīng)

圖6為最大水平加速度反應(yīng)分布。從圖6可以看出，最大加速度從模型底部開始隨著標(biāo)高的增加而逐漸變小，在KS細(xì)砂層出現(xiàn)其最小值，然后隨著標(biāo)高的增加逐漸增大，在壩體表面達(dá)到其最大值。這一現(xiàn)象說明覆蓋層在一定程度上減弱了壩體的動(dòng)力反應(yīng)，起到了減震的作用。最大加速度反應(yīng)在上游端附近有一極值區(qū)域(圖中的紅色區(qū)域)，其中最大值(5.6m/s2)發(fā)生在上游壩頂。表3給出了各觀測(cè)點(diǎn)(位置見圖3)加速度的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值。從表3可以看出，在觀測(cè)點(diǎn)C、D、E和J處，兩者的值較接近，在其他觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較大。相對(duì)于壩底，堤頂加速度放大倍數(shù)的實(shí)測(cè)值為1.4～1.9，計(jì)算值為2.0～2.5。圖7為壩體水平加速度反應(yīng)時(shí)程曲線的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較。由圖可見，在觀測(cè)點(diǎn)J處，兩者的波形不僅形態(tài)吻合較好，而且峰值也較接近。在觀測(cè)點(diǎn)D和E處，兩者在加速度峰值附近基本一致，從地震開始13s以后計(jì)算值明顯大于實(shí)測(cè)值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是多方面的，如用二維模型來模擬實(shí)際的三維問題、用黏性邊界來模擬無限域能量輻射、Rayleigh阻尼假定以及本構(gòu)模型精度等。

表 3加速度實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較

Table3Comparisonbetweenmeasuredandcalculatedaccelerations

觀測(cè)點(diǎn)位置編號(hào)(節(jié)點(diǎn))水平加速度最大值/(m·s-2)計(jì)算實(shí)測(cè)壩頂中心B(5012)5.203.69壩頂下游端C(5017)4.414.97壩體中心D(4821)2.511.80上游壩坡E(4805)3.983.53下游壩坡H(4838)2.443.82成田細(xì)砂層J(3436)2.122.62

圖6　最大水平加速度分布(單位：m/s 2) Fig.6　Distribution of maximum horizontal acceleration (unit: m/s 2)

圖7　加速度時(shí)程曲線 Fig.7　Time-history curves of accelerations

3.2超靜孔隙水壓力反應(yīng)

圖9為K、L單元(位置見圖3)的超靜孔隙水壓力比時(shí)程曲線。由圖可見，壩底上游地基K單元的最大超靜孔隙水壓力比為0.86，壩后地基L單元的最大超靜孔隙水壓力比為0.89，兩者的最大值雖然相差不大，但壩后地基L單元的超靜孔隙水壓力比的上升速度較快，較早達(dá)到其穩(wěn)定值。圖10為K、L單元(位置見圖3)的有效應(yīng)力路徑。由圖中可見，隨著超靜孔隙水壓力的增加，兩單元的有效應(yīng)力迅速下降并趨于一個(gè)較小的值，其應(yīng)力狀態(tài)離破壞線越來越近，并且由于壩底地基初始有效應(yīng)力較大，K單元的安全裕度大于L單元。

圖8　地震結(jié)束時(shí)的超靜孔隙水壓力比分布 Fig.8　Distribution of excess pore water pressure ratios after earthquake

圖9　超靜孔隙水壓力比時(shí)程曲線 Fig.9　Time-historiy curves of excess pore water pressure ratio

圖10　地震時(shí)有效應(yīng)力路徑 Fig.10　Effective stress paths during earthquake

3.3應(yīng)力與應(yīng)變反應(yīng)

圖11和圖12分別為總剪應(yīng)力和動(dòng)剪應(yīng)變最大值分布。從圖11可以看出，剪應(yīng)力最大值發(fā)生在下游壩體地基的KS細(xì)砂層，為300 kPa左右。從圖12可以看出，在關(guān)東土壩料的中上部區(qū)域和壩趾附近淺層地基出現(xiàn)較大的動(dòng)剪應(yīng)變，最大值為1.0%左右。

圖11　地震時(shí)總剪應(yīng)力最大值分布(單位：kPa) Fig.11　Distribution of maximum values of total shear stress during earthquake (unit: kPa)

圖12　地震時(shí)動(dòng)剪應(yīng)變最大值分布(單位：%) Fig.12　Distribution of maximum values of dynamic shear strain during earthquake (unit: %)

3.4永久變形

圖13(a)、(b)分別為地震結(jié)束時(shí)的壩體水平和豎向永久變形分布。從圖13(a)可以看出，上游壩體水平向永久變形指向上游，下游壩體水平向永久變形指向下游，最大值出現(xiàn)在下游壩坡靠近壩趾的表層附近。從圖13(b)可以看出，豎向永久變形以沉降為主，壩踵和壩趾處受壩體側(cè)向變形影響呈現(xiàn)向上隆起現(xiàn)象，壩體最大沉降值出現(xiàn)在壩頂。

表 4　位移實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較

表4給出了各觀測(cè)點(diǎn)(位置見圖3)永久變形的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值。從表4可以看出，壩頂最大沉降計(jì)算值為57 mm，為實(shí)測(cè)值20 mm的3倍左右，其他觀測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較也表明前者大于后者，其原因可能是二維模型無法反映實(shí)際河谷的三維拘束效應(yīng)的影響以及本構(gòu)模型的精度不足等。圖14為壩頂中心點(diǎn)B和下游壩坡點(diǎn)H的水平和豎向位移時(shí)程曲線。由圖可見，在地震動(dòng)峰值附近時(shí)段點(diǎn)B與H的豎向永久變形和點(diǎn)H的水平永久變形不斷積累，而點(diǎn)B的水平向幾乎沒有永久變形發(fā)生。

圖13　地震結(jié)束時(shí)的永久變形(單位: m) Fig.13　Permanent deformations after earthquake (unit: m)

圖14　位移時(shí)程曲線 Fig.14　Time-history curces of displacements

4結(jié)論

利用非線性有限元程序FLIP，對(duì)地震作用下的某深厚砂質(zhì)覆蓋層土壩進(jìn)行了有效應(yīng)力動(dòng)力分析，探討了壩體和地基的加速度與變形的動(dòng)力反應(yīng)特性及其超靜孔隙水壓力的分布規(guī)律，主要結(jié)論為：

(1) 壩體水平加速度、豎向永久變形的計(jì)算值與相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較接近，而水平永久變形計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較大，計(jì)算值偏大。但是，計(jì)算結(jié)果基本上反映了壩體加速度與永久變形的實(shí)際分布特征，說明采用的數(shù)值計(jì)算方法和本構(gòu)模型具有一定的精度。

(2) 壩體超靜孔隙水壓力較小，不會(huì)發(fā)生液化。壩底上游淺層地基超靜孔隙水壓力較大，可能會(huì)發(fā)生局部液化，但范圍較小，可以不進(jìn)行加固處理。壩趾附近淺層地基超靜孔隙水壓力較大，可能會(huì)發(fā)生較大范圍的液化，因此須采取相應(yīng)的抗液化加固措施。

(3) 今后須在本文工作基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的研究，開展不同條件(如三維模型、黏彈性邊界、其他本構(gòu)模型等)下的地震反應(yīng)分析，更大程度地提高計(jì)算精度，以對(duì)大壩的地震穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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