地震条件下人工岛的动力反应与液化的数值分析研究

曾 威, 杨 野, 李 成 刚

(1.四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，四川 成都 611731；2.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 402000)

地震条件下人工岛的动力反应与液化的数值分析研究

曾 威1, 杨 野2, 李 成 刚1

(1.四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，四川 成都 611731；2.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 402000)

人工岛回填砂土在地震和动力载荷作用下可能发生液化，对海滩水利工程造成损坏。利用有限元数值分析方法，针对人工岛回填砂土进行了数值分析，研究其动力反应与液化特性以指导设计与施工。

人工岛回填砂土;数值分析；动力反应；液化特征

1 概 述

人工岛是指在近岸浅海水域中人工建造的陆地，通过栈桥或海底隧道与岸相连(水深在0～10 m之内)。采用人工岛开发滩海水利工程是经济有效的方法。但因其岛芯的回填砂土在地震与动力载荷作用下会产生液化现象而急需解决。

砂土液化是岩土工程中一个重要而复杂的现象，传统的研究多集中在因地震条件引起的陆地的砂层液化，而由于地震引起的近岸结构物砂土液化亦是一个很重要的问题。近岸砂土液化可能引起结构物的倾斜与破坏。基于海床动力响应弹性分析得知：当土单元中由于地震引起的瞬时超孔隙水压力幅值达到有效应力时，海床土体即会发生瞬时液化。

土工结构物的地震动力分析可以采用时域法或频域法。时域法是应用逐步积分方法直接求解非线性动力方程得到土体的地震位移、加速度和动应力反映的时间过程。而采用频域求解运动方程或波动方程时，则是将地震的地面运动与土体动力响应过程看作是稳态过程，于是将输入运动时程通过Fourier变换成一系列简谐运动之和，求解这些运动方程或波动方程得到稳态解，再通过Fourier反变换反演到时域上，从而得到土体的动力反应时程。

笔者采用时域上的Wilson-θ逐步积分法，按照等价线性化法进行动力分析，研究了人工岛回填砂土的动力特性，对液化的可能性进行了分析。

2 地基地震动力非线性分析方法

地震过程中地基的动力反应及液化危险性不仅与地基本身的几何特征、土料的物理力学特性有关，而且与输入地震动的组成特性有关。因此，在进行动力分析之前，首先必须根据当地的地震危险性分析结果确定比较合理的输入地震动参数。设计地震动包括地震动的作用时间、地面运动最大(峰值)加速度、卓越周期和等效循环作用次数。笔者根据委托方关于设计地震烈度分别为7、8及9度的要求，确定设计地震地面运动最大地震加速度分别为0.1 g、0.2 g及0.4 g(g为重力加速度)，等效振动次数分别为12次、20次及50次，卓越周期为0.2 s，振动持续时间分别为20 s、40 s及60 s。

由于难以预知可能遭遇地震的时间过程，所以，目前动力分析中一般均采用已有的地震记录。对于该工程，以距场地较近的1976年唐山地震记录为基础，按上述不同的设计地震烈度要求，调整得到地震反应分析中地震动输入的时间过程曲线。

该地震动力数值模拟中分别考虑了砂土的相对紧密度为60%和70%，取在1Hz的振动频率下的动力试验结果进行分析。为了得到土体地基的地震反应规律及砂土层在地震作用下的液化可能性，分别按设计地震烈度为7度、8度及9度(对应的场地最大加速度为0.1 g、0.2 g及0.4 g)进行地震动力反应及液化分析。

根据等价线性化法，具有粘滞阻尼的非线性土体可以简化为一个等价粘弹性振动体系，于是在地震作用下土体的运动方程为：

[M]{δ′}+[C]{δ′}+[K]{δ}=-{E}xug,x(t)-{E}yug,y(t)

(1)

式中 [M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为土体总刚度阵，采用瑞利阻尼假定，于是阻尼矩阵为质量阵和刚度阵的线性组合，即[C]=α[M]+β[K]；而α=ξw，β=ξw；ξ为各单元的阻尼比，w为土体最低自振圆频率；{δ″}，{δ′}，{δ}分别为节点的相对位移、速度、加速度；{E}x，{E}y分别为X和Y方向的质量向量。

边界条件为：在基岩面上{δ}x=0=0。

采用Wilson-θ法求解上述动力方程式，计算中取θ=1.4，求解得出位移、速度、加速度。按位移形函数确定的应变-位移关系，得到单元的动应变，再根据平面应变问题的应力-应变关系求出各单元的动应力。

采用等价线性化的方法考虑土体土料的动力非线性性质。其基本做法是：根据选定的剪切模量及阻尼比的初始值G0与ξ0，在频域或时域上运用波动理论或线性有限元法估算土体的动力反应，以此确定各土体单元的有效应变γeff(通常取最大剪应变γmax的0.65倍)，然后根据试验得到土料的G～γ与ξ～γ试验曲线，估算与当前特征应变水平γeff相应的动力参数，进而再次进行线性分析，以此类推，不断迭代直至所选用的动力参数与所取得的有效应变相协调，将最终计算结果作为土体的非线性动力响应。

人工岛的结构是由围堰(岛壁)和岛芯组成，四周围堰采用抛石斜坡堤结构和桩基抛石斜坡堤混合结构。堤身分两期填筑，第一层回填中粗砂至标高水面上1 m处，第二层回填土至堤心石顶，相应的外侧人工护面块体、内侧混合倒滤层也分两期安装和铺设(图1、2)。

图1 人工岛断面简图

图2 计算网格示意图

3 回填砂土的动力分析

地基地震动力反应的强弱不仅取决于地震输入，而且与地基结构特性有关。输入地震的频率越接近地基的基频，地基的地震动力反应越强烈。计算得到的典型断面地基的自振圆频率为5.53 Hz，自振频率为0.88 Hz，基本周期为1.136 s。其与地震动的基本周期相差尚远，故在输入地震作用下地基的地震动力响应不很强烈。

基础动力响应在密实度为60%、振动频率为1 Hz的情况下，给出了在设计地震烈度为7度时断面的地震加速度反应。由此可以看到：在中部岛体的顶面水平最大加速度反应为0.1 g左右，而垂直最大加速度反应比较小，数值为0.275 m/s2左右。从设计地震烈度为8度时断面的地震加速度反应可以看到：在中部岛体的顶面，水平最大加速度反应为0.2 g左右，垂直最大加速度反应比较小，数值为0.33 m/s2左右。从设计地震烈度为9度时地震作用下的断面的地震加速度反应中可以看到：在中部岛体的顶面水平最大加速度反应为0.4 g左右，垂直最大加速度反应比较小，数值为0.66 m/s2左右。

最终得出以下结论：在各设计烈度下断面的地震动力反应分布规律大致一样，但整体上加速度反应数值随输入最大加速度的增加而增大。

同样，对于密实度为70%、振动频率为1 Hz的情况，在设计地震烈度为7度时，中部岛体的顶面水平最大加速度反应为0.1 g左右，而垂直最大加速度反应比较小，数值为0.236 m/s2左右。在设计地震烈度为8度时，中部岛体的顶面水平最大加速度反应为0.2 g左右；垂直最大加速度反应比较小，数值为0.33 m/s2左右。在设计地震烈度为9度时，中部岛体的顶面水平最大加速度反应为0.4 g左右，垂直最大加速度反应比较小，数值为0.661 m/s2左右。

在各设计烈度下断面的地震动力反应分布规律大致一样，但整体上加速度反应数值随输入最大加速度的增加而增大。

4 砂土层的地震液化分析

在上述土体动力特性试验与地震动力反应分析的基础上，根据地震设计烈度，采用剪应力对比法可以得到断面砂土层可能的液化区分布范围。笔者分别分析了设计地震烈度分别为7度、8度和9度时各种工况下的液化情况。

(1)Dr=60%，试验振动频率为1 Hz时的液化分析结果。

在相对紧密度Dr=60%、振动频率为1 Hz时，图3显示的是在地震烈度为7度时的液化区分布。由图3可见，砂土层仅在边缘有极小范围的液化，可以认为没有发生液化；图4显示的是在地震烈度为8度时的液化区分布，由图4可见，液化区由两边向中间发展，有较大范围的液化；图5显示的是在地震烈度为9度时的液化区分布，由图5可见，砂土层发生了全面的液化。

(2)Dr=70%，试验振动频率为1 Hz时的液化分析结果。

在相对紧密度Dr=70%，试验振动频率为1 Hz时，图6显示的是在地震烈度为7度时的液化区分布，由图6可见，砂土层中没有发生液化；图7显示的是在地震烈度为8度时的液化区分布，由图7可见，砂土层仅在边缘有极小范围的液化(可以认为没有发生液化)；图8显示的是在地震烈度为9度时的液化区分布，由图8可见，砂土层发生了全面的液化。

图3 Dr=60%，7度地震时地震液化区分布示意图(图中阴影部分)

图4 Dr=60%，8度地震时地震液化区分布示意图(图中阴影部分)

图5 Dr=60%，9度地震时地震液化区分布示意图(图中阴影部分)

图6 Dr=70%，7度地震时地震液化区分布示意图(图中阴影部分)

图7 Dr=70%，8度地震时地震液化区分布示意图(图中阴影部分)

图8 Dr=70%，9度地震时地震液化区分布示意图(图中阴影部分)

5 结 语

笔者采用数值方法分析了地震载荷作用下人工岛的动力反应，研究了液化的可能性，从计算结果可以看出：

(1)随着设计地震烈度的增加，砂土层液化的可能性增加；随着砂土相对紧密度的提高，抗液化能力提高。

(2)对人工岛的设计应充分考虑回填砂土层的动力特性与液化可能性，在不同的地震烈度条件下会产生不同的动力反应，并且可能会出现液化，导致基础的不稳定，进而影响运行的安全性。

[1] 朱百里，沈珠江，等.计算土力学[M].上海：上海科学技术出版社，1990.

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[3] 金明权，李凯双，王长军，等.极浅海石油开发工程环境与数字滩海——南堡油田路岛工程前期研究[M].北京：海洋出版社，2006.

[4] 许成顺.复杂应力条件下饱和砂土剪切特性及本构模型的试验研究[D].大连理工大学博士论文，2006.

TV7;TV221

B

1001-2184(2017)06-0071-04

2017-06-10

曾 威(1986-)，男，四川成都人，工程师，学士，从事水电工程地质勘察工作；

杨 野(1978-)，男，重庆市人，高级工程师，学士，从事水电工程地质勘察工作；

李成刚(1976-)，男，陕西澄城人，工程师，学士，从事水电工程地质勘察工作.

李燕辉)

流域水电综合监测和水能利用监测初步成果讨论会在京召开

为加快推进和统一规范流域水电综合监测工作，2017年9月1～2日，水电水利规划设计总院在北京组织召开了流域水电综合监测和水能利用监测初步成果讨论会。国家能源局新能源和可再生能源司刘明阳处长出席了会议，国电大渡河流域水电开发有限公司、雅砻江流域水电开发有限公司、云南华电金沙江中游水电开发有限公司、中国长江三峡集团公司等有关单位的专家和代表参加了会议。自国家能源局于7月6日组织召开流域水电综合监测暨水能利用监测工作启动会以来，在国家能源局的统筹协调下，在省能源局、各流域公司和发电企业的大力支持下，在水电水利规范设计总院领导及各相关部门的共同努力下，流域水电综合监测和水能利用监测工作顺利推进，已接入四川、云南等试点流域已投产运行的37座电站实时运行数据，并对7、8月份的监测数据进行了计算分析，取得了阶段性的成果。会议听取了流域水电综合监测和水能利用监测初步成果等情况汇报，与会代表对监测数据、计算方法、边界条件等进行了认真讨论，对各发电公司上报的数据进行了逐一复核计算，并总结了本阶段的工作经验。国家能源局新能源和可再生能源司刘明阳处长对流域水电综合监测和水能利用监测工作进展以及取得的成果给予了充分肯定和高度评价，对各发电公司给予的支持表示感谢，并对工作过程中遇到的具体问题提出了解决思路，强调了流域综合监测工作的重要性和意义，希望各单位继续努力，通力协作，进一步推进流域水电综合监测工作。