高层住宅大震位移下土体附加应力数值分析

王韵斌

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

在罕遇地震(大震)作用下，当楼房嵌固端取在地下室顶板之下时，楼房将对周边土体产生较大推力，该推力将作用在周边的挡土墙上，对挡墙产生附加应力，从而造成安全隐患。国内外学者对挡土墙与边坡的稳定问题做了大量的研究［1-5］。

本分析是以昆明市七彩云南第一城项目为依托，通过分析在大震作用下楼房基底产生位移之后对房屋周边土体产生的推力，以此作为房屋周边挡墙的设计依据。

1 分析软件简介

本分析运用FLAC3D进行计算分析。FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美国Itasca公司开发，现广泛应用于岩土工程数值分析领域。

FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的扩展，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动(大变形模式)。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合—离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。FLAC3D是采用ANSI C++语言编写的。

2 建模分析

2.1 模型几何条件

本工程选取一楼房刚体与相应地基进行计算，根据其受力特征，选择沿截面方向的二维断面进行数值模拟分析。地基填土层为20 m，中风化岩层为20 m，楼房埋深为10 m，其余几何尺寸见图1。模型的网格划分见图2，网格尺寸为1 m×1 m×1 m。

图1 模型示意图

图2 模型网格划分

2.2 模型参数与计算工况

本工程采用FLAC3D进行弹塑性数值分析，模型中需体积模量K与剪切模量G，采用如下公式计算:

模型中主要涉及到的材料基本物理学参数见表1。

表1 模型材料属性

本工程中模拟在大震作用下发生侧移，挤压土体，并由此通过数值计算得到地基土中的横向附加应力值，并以此作为挡土墙设计的依据。

2.3 本构模型与边界条件

考虑岩土体材料本身的特性，楼房刚体和中风化岩层采用FLAC3D中的ELAS(弹性)模型，填土层采用FLAC3D中的M-C(摩尔库仑)模型，考虑了土的弹塑性变形。

模型边界设置两侧为水平位移约束，侧面边界设置为Z方向位移约束，底部边界为水平和垂直位移约束。同时在楼房刚体地面附加水平方向约束。

3 计算结果分析

3.1 主楼大震下侧移时模型位移

通过对主楼左侧施加附加应力的方式，使其在一层地面位置产生40 mm的位移，如图3所示。通过图4的显示可知，主楼左侧土体产生向右上侧的位移，而主楼右侧土体产生了向右下侧的位移。

图3 主楼大震下侧移时的模型位移矢量图

图4 主楼大震下侧移时的楼房地基局部位移矢量图

3.2 主楼大震侧移时模型应力分布

通过对比图5和图6的结果，可见在大震作用下，主楼的右下侧土体产生了较大的水平附加应力，达到了接近200 kPa。

图5 重力场下土体水平向应力云图

图6 主楼大震侧移时土体的水平向应力云图

对距离主楼6 m和8 m的各深度的土体水平应力进行提取，可得到如图7～图9所示的规律。

图7 距离主楼6 m处水平应力分布

4 结论与建议

对以上规律进行总结可得出以下结论:

1)在大震的作用下，主楼附近土体较之未计算大震时产生了较大的水平附加应力;

图8 距离主楼8 m处水平应力分布

图9 不同位置土压力差值

2)在大震的作用下，主楼附近土体水平应力沿深度呈增大趋势;

3)在大震的作用下，主楼附近土体水平应力沿距离呈减小趋势;

4)在大震的作用下，距主楼不同距离的土体水平应力差值沿深度呈减小趋势。

基于本文研究的内容，可由设计者根据项目具体情况所需提取指定距离和指定深度的附加水平应力，作为对周边挡土墙的设计依据。

［1］殷跃平，李廷强，唐 军.四川省丹巴县城滑坡失稳及应急加固研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(5):971-978.

［2］Hoek E，Bray J W.岩石边坡工程［M］.卢世宗，译.北京:冶金工业出版社，1983:105-115.

［3］Goodman R E.岩石力学原理及其应用［M］.王鸿儒，译.北京:水利电力出版社，1990:207-210.

［4］Tamraka R N K，Yokota S，Osaka O.A Toppled Structure with Sliding in the Siwalik Hills，Midwestern Nepal［J］.Engineering Geology，2002，64(4):339-350.

［5］王立强，王元战，迟丽华.挡土墙地震土压力及其分布［J］.中国港湾建设，2007(5):29-30.