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      核電核島嵌巖樁地基動力響應(yīng)及液化分析

      2016-07-04 07:04:48徐浩王桂萱趙杰
      地震研究 2016年1期
      關(guān)鍵詞:砂土液化比值

      徐浩 王桂萱 趙杰

      摘要:運用三維有限元差分軟件FLAC3D對混凝土樁加固的地基建立模型,對天然地基以及樁基地震液化前后地基模型的加速度、位移以及樁基的液化情況等進行數(shù)值模擬和系統(tǒng)對比分析,得到4種工況地基的加速度變化情況以及地基液化特點。計算結(jié)果表明加速度在非液化層傳播呈放大趨勢,而液化層對地震波的傳播有明顯削弱作用。在相同地震動作用下,天然地基的超孔壓比值超過0.75的單元略多于樁基,樁對消除地基液化作用有限。研究成果可以作為類似的工程實例的參考。

      關(guān)鍵詞:天然地基;樁基;加速度;地震液化;數(shù)值模擬;FLAC3D

      中圖分類號:TU435 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-0666(2016)01-0067-07

      0 引言

      地基加固是工程建設(shè)領(lǐng)域中被廣泛采用的一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處理形式。多次地震震害調(diào)查結(jié)果表明,相比于建造在天然地基上的建筑物,采用樁基加固的地基上的建筑物震害相對較輕。黃群賢和林建華(2004)運用ANSYS有限元分析軟件,合理地解釋了地震液化引起地面大位移對地基產(chǎn)生破壞的實際震害情況。張會榮和劉松玉(2004)總結(jié)了地面大變形引起的震害情況、液化誘發(fā)地面大變形的機理、液化大變形的預(yù)測方法以及存在問題和研究思路。張健民和王剛(2004)分析的結(jié)果表明,無初始靜剪應(yīng)力存在的水平地基液化后也可產(chǎn)生大的側(cè)向殘余變形,成為導(dǎo)致地基震動破壞的主要原因之一。李雨潤和袁曉銘(2004)總結(jié)了地震作用下地基震害現(xiàn)象以及樁-土-結(jié)構(gòu)動力相互作用、液化引起地面?zhèn)认驍U展對地基影響的理論模型和分析方法。黃雨等(2005)采用有效應(yīng)力方法對液化場地地基的地震反應(yīng)進行了三維有限元分析,得到了一些有用的結(jié)論。Miura等(1991)指出樁所遭受到的損壞程度與地表處存在的非液化土層的狀態(tài)有很大的關(guān)系。

      本文以河北海興核電廠為背景,運用三維有限元差分軟件FLAC3D對混凝土樁加固的地基建立模型并進行地震響應(yīng)分析,通過數(shù)值模擬,系統(tǒng)地對比分析天然地基以及樁基地震液化前后的加速度、位移以及樁基的液化情況,得到4種工況地基的加速度變化情況以及地基液化特點。

      1 FLAC3D的基本計算原理

      1.1 超孔壓比值液化判別法

      在數(shù)值計算中采用超孔壓比的概念來描述液化,超孔壓比用ru=1-(σ'm'm0)表示,σ'm0為動力計算前單元的平均有效應(yīng)力,σ'm為動力計算過程中的平均有效應(yīng)力。理論上,當(dāng)超孔壓為1時,砂土發(fā)生液化,但是大量的試驗數(shù)據(jù)表明,超孔壓未達到1時,砂土就發(fā)生液化現(xiàn)象。本文選取為0.75作為液化的標(biāo)志。

      1.2 有效應(yīng)力值液化判別法

      一般應(yīng)力條件下飽和砂土液化的判定準(zhǔn)則:飽和砂土若發(fā)生液化是從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài),因此當(dāng)不考慮液體粘滯力時,其抗剪強度為零。把這個液化定義及特征表示為動荷載作用下廣義剪應(yīng)力g和有效球應(yīng)力p的變化,如下:式中σ'i(i=1,2,3)為液化時的有效主應(yīng)力(共3個)。這說明有效應(yīng)力為零時,飽和砂土發(fā)生液化。

      1.3 動力邊界條件

      為吸收地震過程中地震波在邊界上的反射,對計算模型設(shè)置了自由場邊界,設(shè)定自由場邊界之后,F(xiàn)LAC3D程序會自動在模型四周形成自由場網(wǎng)格,通過主體網(wǎng)格與自由場網(wǎng)格的耦合作用來近似地模擬自由場地的地震響應(yīng)(陳育民,徐鼎平,2008;Byrne et al,2003)。阻尼形式采用局部阻尼,它在振動循環(huán)中通過在節(jié)點或結(jié)構(gòu)節(jié)點上增加或減小質(zhì)量的方法達到收斂,由于增加的單元質(zhì)量和減少的單元質(zhì)量相等,所以說系統(tǒng)保持質(zhì)量守恒,本文阻尼取為0.314。

      1.4 樁單元

      樁單元(pile)通過幾何形狀、材料參數(shù)和連接彈簧的性質(zhì)來定義。一個樁結(jié)構(gòu)單元(pileSEL)是兩個節(jié)點之間界面和材料相同的直線性單元,一個任意曲線的pile單元可以由一組pileSEL組成。pileSEL與beamSEL的剛度矩陣是一樣的,它除了具有梁單元性質(zhì)(提供最大塑性彎矩)外,在樁與節(jié)點之間還會產(chǎn)生法向(垂直于樁軸線)和切向(平行于樁軸線)的摩擦力,這時,樁起著梁與索的雙重作用。pileSEL適于模擬支撐結(jié)構(gòu),比如樁基礎(chǔ),因為這種情況下樁與巖體或土體的法向及切向摩擦力都會產(chǎn)生。

      圖1為樁單元構(gòu)件的局部坐標(biāo)系及12個自由度,其中ui、vi、wi分別代表兩點x、y、z方向的位移,θi代表兩點x、y、z方向的旋轉(zhuǎn)。

      2 工程實例

      2.1 工程簡介

      該核電核島地基主要以粉質(zhì)黏土為主,局部為粉砂。整個土層厚度為37.6~44.5m,平均厚度為41.43m,底面埋深為-37.2~-43.2m,整體起伏不大,表現(xiàn)為西北較薄、向東南略微變厚的趨勢,北東方向差異不明顯。

      由于主廠區(qū)建筑物對地基承載力和變形要求較高,結(jié)合鉆探成果,擬選用嵌巖樁,樁徑d為1m,樁端進入基巖1.5m,樁長41.5m,樁間距為3m,如圖2所示。

      2.2 模型尺寸

      在x、y、z方向尺寸分別為60m、60m和50m,由上至下分別為筏板1m、粉質(zhì)粘土8m、粉砂12m、粉質(zhì)粘土6m、粉質(zhì)粘土14m、基巖10m。

      2.3 模型計算參數(shù)

      材料模型計算參數(shù)和本次模擬采用的接觸面參數(shù)分別參照表1~2。

      2.4 地震動輸入

      對地基進行時程分析,地震波持續(xù)時間20s。如圖3所示為x方向、y方向與z方向的地震波。具體動力分析計算時,由基巖底部輸入的地震動加速度輸入考慮兩種情況:0.10g和0.20g。

      2.5 邊界條件和力學(xué)阻尼

      本次數(shù)值模擬中模型各側(cè)面采用自由場邊界,其目的是減少邊界反射波對動力分析結(jié)果的影響,施加自由場邊界的混凝土樁加固液化土地基,計算模型如圖4所示,動力計算阻尼形式采用局部阻尼,阻尼比取0.314。

      3 地基地震響應(yīng)分析

      為了測得地基超靜孔隙水壓力和孔壓比的時程曲線,需要布置一些輸出點,選取水平方向樁距為3m,輸出點位置如圖5所示。

      3.1 加速度

      在四層土體中選取特征點來觀察加速度情況,其中加速度峰值大多都出現(xiàn)在11s附近,如表3所示。從表中不難發(fā)現(xiàn),在加固地基中加速度峰值要略大于天然地基,加速度峰值出現(xiàn)在地下18m附近。

      圖6給出了地基加速度放大系數(shù)包絡(luò)線。根據(jù)圖可以看出加速度呈現(xiàn)一種“降低-增長-急劇降低-緩慢增長”的趨勢,其中急劇降低的情況出現(xiàn)在液化區(qū),可能是液化區(qū)對地震向上傳播有明顯的削弱作用。

      總體來說加速度響應(yīng)峰值產(chǎn)生的時刻都發(fā)生在所輸?shù)卣鸩ㄗ畲竺}沖發(fā)生的時刻,在所取的輸入地震動和材料參數(shù)下,液化區(qū)域?qū)庸桃夯巴恋鼗铀俣扔绊懨黠@。液化場地可使其上短周期結(jié)構(gòu)(剛性結(jié)構(gòu))反應(yīng)減小。

      3.2 位移

      表4給出了樁外附近的土體不同深度處位移峰值。其中位移峰值大多出現(xiàn)在18s左右,位移的變化在10s以前差異不是很明顯,在10s以后表現(xiàn)出了明顯的差異,整體符合位移隨深度的增加而減小的一般規(guī)律。從表中可以看出天然地基的位移要遠(yuǎn)大于相同地震動作用下加固地基的位移,可能是樁對地基的加固對于位移有了一定的約束作用。其中地基位移峰值表中各數(shù)據(jù)的負(fù)號代表為x向負(fù)方向。

      3.3 液化

      為了判斷天然地基和樁基液化情況,在計算模型中選取不同單元的超孔壓比值進行監(jiān)測,分別得出在0.10g和0.20g峰值加速度下,砂土層不同部位的超孔壓比值大小,如圖7所示。

      表5給出了地基的不同監(jiān)測單元在不同加速度峰值下的超孔壓比的數(shù)值情況,圖7給出了不同加速度峰值下監(jiān)測單元的超孔壓比值曲線圖,圖8給出了4種工況下的液化區(qū)域圖,由表3、圖7~8可知:在不同峰值加速度下,砂土層不同部位的超孔壓比值不一樣。根據(jù)理論通常是將粉土孔壓比值為0.68以及粉砂土孔壓比值為0.87作為土體液化破壞開始的標(biāo)志,但是考慮到本模型中砂土的特性,取孔壓比值為0.75時作為液化的標(biāo)志。在選取的監(jiān)測單元中,0.10g峰值加速度下時,超孔壓比值范圍為0.4~0.8,超孔壓比超過0.75的單元比較少,說明砂土層液化區(qū)域較小,0.20g峰值加速度下時,超孔壓比為0.551,超孔壓比值超過0.75的單元較前兩者明顯增多,砂土層液化的區(qū)域明顯增大,砂土層下部液化區(qū)域也較明顯,屬于嚴(yán)重程度液化。

      幾種工況的土體超孔壓比在砂土層上部即輸出點1和2,在10s前均為緩慢增長,10~13s左右急劇增長,在13s以后又歸于平穩(wěn),在砂土層底部即輸出點3和4,超孔隙水壓比變化不是很明顯。其原因可能是隨著土層的增加,土體的超孔壓是不斷增加的,但砂土層下部的土體的有效圍壓相對來說比較大,從而在一定范圍內(nèi)限制了該區(qū)域土體的超孔壓比發(fā)展。

      綜合幾種工況,不難比較得出靠近樁的2點和4點孔壓比相對較小,更不易液化。其主要原因可能是樁間的土地在樁的加固作用下,其間土體的相對運動能力相對降低,土體結(jié)構(gòu)受損傷程度較低,孔壓的積累量也就比其他位置的土體的孔壓小,不過液化程度差異不是很明顯,由此可以發(fā)現(xiàn)樁對消除地基液化作用有限。

      5 結(jié)論

      本文借助三維有限差分軟件FLAC3D,通過數(shù)值模擬對地震液化前后加速度、位移以及樁基的液化情況等進行系統(tǒng)分析,獲得了對工程有一定指導(dǎo)意義的結(jié)論:

      (1)對于剛性結(jié)構(gòu),地震加速度在非液化層向上傳播時呈放大趨勢,但若遇液化層,液化層對地震波的傳播有明顯的削弱作用。

      (2)在相同地震動作用下,天然地基的超孔壓比值超過0.75的單元略多于樁基,遠(yuǎn)離樁的土體單元超孔壓比值超過0.75的單元略多于樁間的單元,樁對消除地基液化作用有限。

      (3)在0.10g峰值加速度作用下,超孔壓比值超過0.75的單元較少,在0.20g峰值加速度作用下,超孔壓比值超過0.75的單元明顯增多。并且超孔壓比值超過0.75的單元隨深度的降低而逐漸減少。

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