滩涂匡围区地基土体地震液化分析

徐 玮 任旭华 张继勋

（河海大学 水利水电学院，南京 210098）

在地震作用下饱和砂土液化问题历来为岩土工程界所重视，大量的工程灾害实例也证明，地震引起的砂土液化是造成工程破坏的主要原因之一［1］.现有的砂土液化分析方法很多，Mejia和Seed在1981年提出液化分析的三维总应力法.徐志英等［2］将Biot固结方程引入到地震孔隙水压力消散和扩散过程中，提出了一种适用于地基动力分析的非线性二维有效应力分析法.1987年何广讷等［3］基于能量分析建立了体变与孔压的关系.

本文运用FLAC3D软件，通过动力与渗流的耦合分析，模拟了江苏条子泥滩涂围区南排水闸地基土在动力作用下的孔压积累直至土体液化的全过程，并计算分析了该地区地基土在地震作用下的液化情况.

1 FLAC3D流－固耦合分析原理及方法

FLAC3D可以模拟多孔介质中的流体流动，例如模拟地下水在土体中的流动.与FLAC3D中一般的力学计算无关，流动建模既可以由其本身完成，也可同力学建模并行完成，以便获得流－固耦合的效果［4］.

1.1 流－固耦合方程

FLAC3D中耦合变形－扩散过程的增量的准确描述过程基于Biot半静态线性理论［5］.应用水－热－力耦合与热－孔压－力的方程于孔隙介质中的Darcy定律流动定律.描述流体通过孔隙介质中的变量包括孔隙压力、饱和度和比流量矢量3个分量.通过描述流体运动重量平衡的平衡方程，描述流体运动对于孔隙压力影响的传导方程以及描述流体运动相对体积应变改变而变化的本构方程，再根据具体的几何特性、属性、边界和初始条件，可以解出这些变量.

1.1.1 平衡方程

流体的平衡关系为

式中，ζ为流体容量的变化（单位体积的孔隙材料中流体体积的变化）；qv为体积流源强度.

1.1.2 传导方程

流体的传导由Darcy定律描述：

式中，qi为比流量矢量为表观流动性系数，它是饱和度s的函数；P为孔隙压力.

1.1.3 本构方程

孔隙流动性的响应方程依赖于饱和度的值.在完全饱和状态下，s＝1，（s）＝kij，并且流体可以维持高达极限Tf的拉力.对s＝1的情况，响应方程为

式中，M为比奥模量；α为有效应力的比奥系数；ε为体积应变.

2 工程概况

条子泥滩涂匡围区位于东台市东部，北起梁垛河口外，南到新川港口外，西界为东台市沿海中南部垦区外堤线，东至江家坞，匡围面积约2.67hm2.工程场地地处滨海相沉积地貌单元，自然地面高程多在－3.5～2.5m之间，局部有港道分布，现为沿海滩地.拟建海堤地基工程地质条件较差，交通不畅.其中南排水闸场地内地层为第四纪滨海相沉积层，根据土层的埋藏深度、空间分布规律及其工程地质特征等，分为3类主要工程地质层.场区地震动峰值加速度为0.15g，相应地震基本烈度为7度.

利用勘察场地内钻孔的标准贯入试验，对地下20m深度范围内土体进行地震液化判断，综合评定第①（0～3m）、②（3～6m）层为液化土层，第③层（6～20m）不液化.

3 自由场典型地震液化数值模拟

3.1 计算模型

该场地地基为半无限空间场，分析计算时取有限区域建立模型，模型各侧面的边界条件考虑为没有地面结构的自由场运动，把其作为自由场进行液化数值分析［6］.取计算模型高20m，长为80m，宽为4m.模型分为3层，上层为轻粉质砂壤土，厚度为3m，中层为轻粉质砂壤土夹粉砂，厚度为3m，下层为粉砂，层厚为14m.地下水表面与模型上表面平齐.计算模型网格图见图1，网格尺寸最大为1m.

图1 计算网格图

3.2 模型参数

按照现场实测数据，结合设计院提供的基本资料，不同土层模型物理力学参数参见表1.水的密度取为1 000kg／m3，体积模量为0.2GPa，抗拉强度为0.在地震波输入的过程中，为了减弱土体自然振动的振幅，采用瑞利阻尼.根据重力作用下模型自振分析，土体自振频率取2.5Hz，阻尼比取0.5%.

表1 土层物理力学参数

3.3 动力输入条件

参照当地的地震基本资料，场区地震动峰值加速度为0.2g，相应地震烈度为Ⅷ级.地震波采用国际上常用的El Centro地震波55s的记录作为输入条件，其加速度的峰值为0.2g，和场区地震动峰值加速度一致.地震波的输入分为水平与垂直2个方向，其速度－时间曲线如图2～3所示.

为了保证数值模拟计算的准确性，在施加El Centro地震波作为动力输入荷载时，需要进行滤波和基线校正［7］.通过滤波，把大于5Hz的高频地震波分量过滤掉，再通过基线校正消除动力计算结束时模型底部出现继续的速度和残余位移.经过滤波与基线校正的速度－时间曲线如图4、图5所示.

4 计算结果分析

4.1 土体孔隙水压力及有效应力

为了便于计算结果分析及成果整理，在土层③中布置多个典型监测点监测其孔隙水压力与其有效应力，具体布置见表2.

表2 各监测位置

监测点A在地震发生后，孔隙水压力明显上升（如图6所示）.由于该监测点处于不同土层的交界处，其孔隙水压上升幅度较大.在地震持续15s后其孔隙水压力达到峰值82kPa并稳定在该水平左右.对应于该点的有效应力也在15s后减小到谷值19 kPa并稳定（如图7所示）.并且整个过程有效应力减小幅度并不大，可以判断在发生地震后，此部分的土体并不发生液化.

监测点B位于土层③的上部.地震发生后，该监测点孔隙水压力达到峰值103kPa（如图8所示）.与其相对应的有效应力在地震初期变化比较剧烈，地震发生5s后其减小到谷值37.5kPa并保持稳定（如图9所示）.可以判断土层③上部分土体在地震发生后并不发生液化.

监测点C位于土层③的中部.在地震持续5s后，该监测点孔隙水压力从147kPa上升到峰值164kPa，并稳定在这一水平值（如图10所示）.该点的有效应力在地震发生后变化比较剧烈，在5s后到达谷值40 kPa并稳定（如图11所示）.由此可以判断在发生地震时，土层③中部的土体不会发生液化.

监测点D、E位于土层③的下部.在地震发生5s后这个监测点的孔隙水压力都达到各自的峰值186 kPa与214kPa（如图12～13所示），有效应力也在此时降到谷值45kPa与53kPa（如图14～15所示），之后孔隙水压力与有效应力都保持稳定.可以判断在地震发生后，土层③下部的土体也不会发生液化.

4.2 计算结果分析

根据现有的工程勘测报告，土层①与土层②已经发生液化，土层③不发生液化.在历史上各种荷载的作用下，土层①与土层②由于处于地基土的表层，容易发生液化，而土层③埋藏比较深，并没有发生液化.根据计算结果分析得出，土层③土体在地震作用下并不会发生液化.同时在地震初期，由于地震波动较强，有效应力变化较大，但在后期随着地震波动减弱，其量值变化较小且值较稳定，可以判断土体有效应力的变化幅度和地震波动情况基本一致.结合工程勘测报告与数值计算结果可以判断，该地区地基土6m以上范围内为可能发生液化的土体，而6m以下的深层土体相对稳定性较好，在地震作用下，不易发生液化.

5 结 论

运用二维有限差分法程序FLAC模拟了江苏省东台市条子泥滩涂匡围区南排水闸的地基土状况，分析了在地震荷载作用下该地区土体发生液化的可能性.根据工程勘测结果，该地区6m以上的土层已经发生了液化，采用换填土作为加固措施.而6m以下的土体，本文经数值模拟计算判断在地震烈度不超过8级的情况下，并不会发生液化.工程上出于安全考虑采用振冲碎石桩对6m以下土体进行适当加固，在地基中形成渗透性能良好的竖向排水降压通道，有效地消散和防止超孔隙水压力的增高，加快地基排水固结，增加砂土抗液化能力，以保证在强震作用下深层土体不会发生严重液化而影响地基承载能力.

［1］ 刘惠珊，翁鹿年，王承春.近年地震中的液化侧向扩展与岸坡滑塌［J］.工程勘察，1991（3）：16－20.

［2］ 徐志英，沈珠江.土坝地震孔隙水压力产生、扩散和消散的有限元法动力分析［J］.华东水利学院学报，1981，9（4）：1－16.

［3］ 何广讷，李万明.振动能量下砂土的体变与孔隙水压力［J］.地震工程与工程振动，1987，7（2）：89－99.

［4］ 陈育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009：208－209.

［5］ 刘 波，韩彦晖.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005：50－51.

［6］ 何剑平，陈卫忠.自由场典型液化特征数值模拟试验［J］.地震工程与工程震动，2011，31（2）：162－169.

［7］ 王根龙，林 玮，蔡晓光.基于Finn本构模型的饱和砂土地震液化分析［J］.地震工程与工程震动，2010，30（3）：178－184.