辽东湾某海相软土场地地震动响应研究

梅振宙　宫昆峰　赵祖栋

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津　300142 )

The Research on Vibration Response of Marine Soft Soil Ground in Liaodong Bay

MEI Zhenzhou　GONG Kunfeng　ZHAO Zudong

辽东湾某海相软土场地地震动响应研究

梅振宙宫昆峰赵祖栋

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津300142 )

The Research on Vibration Response of Marine Soft Soil Ground in Liaodong Bay

MEI ZhenzhouGONG KunfengZHAO Zudong

摘要结合工程实例，对海相软土场地地震动响应特征进行研究。依托辽东湾某液化场地的钻孔资料，结合当地的勘察报告，建立FALC3D动力学液化Byrne模型，对该地区自由场地El Centro波作用下不同时刻进行动力学模拟，监测记录了2.5 s，5 s，7.5 s及10 s时刻该场地的加速度、z向位移、x向位移、孔隙水压力比。得到海相软土在动力作用下的受力规律、位移变形规律和孔隙水压力变化规律。勘察结果表明，该软土场地液化严重，与数值模拟结果一致。

关键词滨海地区软土场地Byrne孔压模型动力学分析

滨海地区广泛分布着软土、砂土、液化土等特殊土[1]，在这些地区进行工程建设需注意场地承载力、砂土液化和软土震陷等问题[2]。同时，我国东部沿海特别是京津塘地区和环渤海地区地震频发，在这些特殊土场地进行工程建设所遇到的动力学问题也尤为突出[3]。选择辽东湾某滨海地区具有代表性的软土、砂土场地[4]，利用FLAC3D软件对该水平自由场地在地震荷载作用下的动响应问题进行研究。

1研究区概况

研究区地处辽东湾滨海地区(见图1中蓝色圆圈所示)，濒临辽东湾，该地区软土、吹填土、砂土广布，成因为海相沉积，选取该滨海软土场地某具有代表性的钻孔所揭示的地层进行研究。该孔位所在场地淤泥、砂土、粉土互层广布。

图1　钻孔实际位置

2模型的建立及参数选取

2.1　软土水平自由场地模型的建立

该场地土层共分为4层，总厚度为16 m，0～2 m为粉砂， 2～7 m为粉砂夹粉质黏土，7～11 m为淤泥质粉质黏土粉砂互层，11～16 m为粉质黏土粉砂互层。场地实际尺寸为12 m×12 m×16 m，x、y、z网格划分为30×30×10，共划分31 500个单元，共计34 596个网格结点。

2.2　基本物理力学参数及动力学参数选取

依据勘察报告并通过室内外实验得到该钻孔所在特殊土场地的基本物理力学参数(如表1)。

2.3　动力边界条件的设置

因为地震波的反射、叠加，会影响动响应的结果，所以边界条件的设置就显得尤为重要。FLAC3D中有静止(黏性)边界和自由场边界两类边界条件,以减少波的这些影响[5]。模拟水平自由场地的动力反应，在模型各侧面的边界条件须考虑为没有地面结构时的自由场运动，故采用FLAC3D自带的自由场边界(图2)。

表1　软土场地土层物理力学参数选取

图2　自由场边界示意

FLAC3D通过在模型四周生成二维和一维网格的方法来实现自由场边界条件，主体网格的侧边界通过阻尼器与自由场网格进行耦合，自由场网格的不平衡力施加到主体网格的边界上(图3)。由于自由场边界提供了与无限场地相同的效果，因此向上的面波在边界上不会产生扭曲[6]。

图3　土体与自由场边界单元网格

2.4　地震波的选择

选择在地震动力分析中最常用的El Centro地震波作为输入地震荷载。该地震波加速度时程曲线如图4所示。

图4　El Centro波加速度时程曲线

2.5　监测单元及监测点的布设

为了更好地研究地震波对水平自由场地的影响，需对水平自由场地布设监测点。从三维空间x，y，z向选择不同土层的分界面及土层顶底面(见图5)，共4层土，5个分界面，再选择3个点(中心点、左前方点和右后方点)，共选取15个点，分别对每个点的加速度、z向位移、x向位移和孔隙水压力比进行监测，其中每个孔隙水压力比监测点设置2个监测点(即由总应力表示的孔隙水压力比和由有效应力表示的孔隙水压力比)，共设置监测点75个。

图5　监测单元剖面布局及空间分布

3地震动力响应模拟及分析

选取El Centro地震波实际记录时间的前10 s，参阅《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，并结合当地相关的地质勘察报告，研究区的地震动峰值加速度为0.15g，其对应的地震基本烈度为Ⅶ度，对选取的地震波进行滤波和基线校准等处理后作为输入的动荷载[7]。

3.1　El Centro波不同作用时间下各监测单元的加速度时程曲线[8]

图6　监测点16(6，6，-16)аx-t曲线

从图6，图7中可以看出，各加速度曲线与导入的EL Centro地震波具有良好的相关性，而且加速度约在2 s时逐步增加达到峰值，与地震波在2 s时达到峰值加速度一致(对比监测点4(位于场地底面中心)和监测点16(位于表面中心))。

图7　监测点16(6，6，0)аx-t曲线

该点处的加速度与底面中心相比较小，可见地震波在土层中传播过程中由于受到阻尼的作用其能量逐渐减小，其加速度幅值也有所降低。

3.2　El Centro波不同作用时间下各监测单元位移应力研究

通过设立的监测点，对各个监测单元的位移、应力及孔隙水压力进行记录得到如下结果(如图8～图11所示)。

图8　动力作用2.5 s时刻的z向位移

图9　动力作用5 s时刻的z向位移

图10　动力作用7.5 s时刻的z向位移

图11　动力作用10 s时刻的z向位移

对比2.5 s、5 s、7.5 s、10 s的z位移可知，该水平场地在EL Centro地震波作用2.5 s，5 s，7.5 s及10 s时的竖向最大位移分别为2.3 cm，5.9 cm，21.97 cm和66.34 cm。说明在地震荷载作用下，该场地竖向位移不断增大，在地震作用6 s之后，z向位移迅速增加(如图12所示)。

图12　z向位移随动力作用时间的变化曲线

图13　动力作用2.5 s时刻的x向位移

图14　动力作用5 s时刻的x向位移

图15　动力作用7.5 s时刻的x向位移

图16　动力作用10 s时刻的x向位移

图17　x向位移随动力作用时间的变化曲线

从图13到图17可知，该场地在地震波的作用下水平向产生的位移较大，x向最大位移从2.5 s时刻的5.3 cm迅速增加到10 s时刻的21.8 cm。而同一时刻该场地位移随深度的增加而呈线性趋势增大。

图18　动力作用2.5 s时刻的z向应力

图19　动力作用5 s时刻的z向应力

图20　动力作用7.5 s时刻的z向应力

图21　动力作用10 s时刻的z向应力

从图18到图21可知，该场地在不同时刻所受的z向应力整体上均呈层状分布，同时随着深度的增加其所受的动应力不断增加。而同一深度土层受地震波作用而呈波浪形，这与实际情况吻合。

图22　动力作用2.5 s时刻的孔隙水压力

图23　动力作用5 s时刻的孔隙水压力

图24　动力作用7.5 s时刻的孔隙水压

图25　动力作用10 s时刻的孔隙水压力

从图22到图25可知，孔隙水压力随时间的变化不断增加，而在空间上呈层状分布。

如图26所示，不同颜色的单元表示不同的塑性变形。可见，在地震作用下不同层位的土层某一时刻受到的应力极为复杂，同时，其应力历史也比较复杂，塑性区分布广泛、应力状态基本呈层状分布，同一点往往不仅仅受一种应力的作用，这是受地震波反射、叠加等作用的影响造成的[9，10]。

图26　地震荷载作用10 s的塑性变形

3.3　El Centro波作用下的孔隙水压力时程曲线

对比图27不同深度处孔隙水压力时程曲线可以得到如下规律：随着地震荷载的作用，土体内的有效应力减小，孔隙水压力在0.2 s内迅速增加，增加到一定峰值之后，由于土体内的水不能及时排出，孔隙水压力不断增大，此时土层有效应力减少很大，土层发生液化。下部土层孔隙水压力在2 s后迅速增大，之后一直保持较高的孔隙水压力水平。中部的土层由于土层渗透性差，其孔隙水压力得不到消散，孔压比曲线呈不断上升的趋势，但在急速上升之后呈缓慢增长的趋势，而上部的土层由于排水通道良好，孔隙水及时排出，其孔隙水压力比曲线在地震荷载用初期迅速增长到一定值之后，随后一直相对稳定，而且孔隙水压力值明显低于其他土层[13-14]。

图27　不同深度处的孔隙水压力变化曲线

4结论

依托辽东湾某软土自由场地的钻孔资料，结合当地的勘察报告，对该地区自由场地在El Centro波作用不同时刻进行动力学模拟，监测记录了2.5 s，5 s，7.5 s及10 s时刻该场地的加速度、z向位移、x向位移、孔隙水压力比，在该处场地的5个土层界面，每个土层界面设置3个监测单元，一共设置15个监测单元，75个监测点，得出该地区不同深度的水平向加速度时程曲线、竖向和水平向位移变化曲线及孔隙水压力变化曲线。此外，选取实际地层进行数值模拟，模拟的参数来自大量的室内实验和原位测试，为模拟提供了各项物理力学参数，而通过引入孔隙水压力建立Byrne模型，很好地解决了地震过程中孔隙水压力的记录、研究等问题。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.建筑抗震设计规范(GB50011—2010)[S].北京:中国建筑工业出版社，2010

[2]中华人民共和国建设部.地基动力特性测试规范(GB/T50269—97)[S].北京:中国计划出版社，1999

[3]谢定义.土动力学[M].北京:高等教育出版社，2011

[4]石兆吉，张延军，孙锐.土层液化对房屋遭受地震荷载的影响[J].世界地震工程，1995，8(3)：10-16

[5]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，2008

[6]何传友.液化场地微型桩基地震响应三维数值分析[D].合肥:合肥工业大学，2009

[7]黄芮，张延军，李洪岩，等.辽河三角洲相沉积软土动力特性试验[J].吉林大学学报：地球科学版，2010，40(5):213-217

[8]丰土根，张礼明.振动频率对饱和松砂动力特性影响试验研究[J].水利与建筑工程学报，2013，11(3):11-14

中图分类号：TU475+.1

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)04-0055-06

作者简介：第一梅振宙(1988—)，男，2014年毕业于吉林大学，工学硕士，助理工程师。

收稿日期：2015-03-04