单相土体与饱和土体地下结构地震反应对比研究

王相宝 赵 凡

（中海油石化工程有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

随着经济的发展和城市化进程的加快，交通堵塞是困扰城市发展的主要问题之一。因此加快对城市地下空间的开发与利用，修建地下交通工程，对于城市的发展具有十分重大的经济和社会意义。城市内的地铁工程，沿海和沿江城市的跨海、越江水底隧道工程，大大提高了通行效率，缩短了通勤时间。上述结构分别属于单相土体场地、饱和土体场地的地下结构。

我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震之间，地震活动频度高、分布广，而且全国半数以上的城市位于7度（0.1g）或以上的地震区，因此，对地下结构的抗震问题研究则具有非常重要的意义。本文将基于ABAQUS有限元软件分析平台，开展饱和土体场地与单相土体场地中地下结构地震反应的对比研究。

1 计算模型

基于ABAQUS有限元软件平台，对单相土体-地下结构、饱和土体-地下结构体系的地震反应进行模拟计算。算例为：水平向100m，高30m，结构水平向16m，高6m，结构内有一根截面宽0.4m的柱子，截面如图2所示，结构埋深6m，左右土体宽度均为42m，结构顶板厚0.8m，底板厚0.85m，左右墙厚0.7m。土体及结构的材料参数如表1所示。

表1 场地土体及结构参数

饱和土体网格尺寸大部分为21m，结构周围区域的土体进行了网格加密，如图1所示；结构的网格尺寸大部分为0.3×0.2m，局部区域进行了网格加密，如图2所示。并选取结构中的单元A、B为研究对象。

图1 场地土体有限元计算模型

图2 地下结构有限元计算模型

本算例选用天津波作为入射地震波进行地震反应的数值模拟,该地震波为天津宁河地震南北方向分量的地震记录，其震级M=6.9，持时为19.2s，采样点的时间间隔为0.01s，其加速度时程如图3所示。本算例通过ABAQUS CAE建立数值分析模型，边界采用的是应力型局部人工边界，即将输入地震转化为作用于黏弹性人工边界结点上的等效荷载的方法来实现地震动输入。

图3 输入地震加速度时程

2 单相土体场地与饱和土体场地中地下结构地震反应对比

地震反应最后时刻单相土体与饱和土体中地下结构的应力云图如图4所示，单元A在单相土体、饱和土体的应力时程曲线如图5所示，单元B在单相土体、饱和土体的应力时程曲线如图6所示。

图4 地震反应最后时刻结构应力云图

由图4可知，地震输入最后时刻，单相土体中结构与饱和土体中结构的应力云图呈对称分布，且均在结构底角区域、混凝土柱顶部两侧区域、顶板中部外侧区域出现了应力集中；与单相土体中的结构相比，饱和土体中结构的Mises应力值较大，应力集中区域较多，区域面积较大，并且在混凝土柱区域也出现了较大的应力集中。

饱和土体中结构的Mises应力幅值整体大于单相土体中结构的应力幅值。由图5可知，单相土体中结构单元A的应力最大值为4.0MPa，饱和土体中结构单元A的应力最大值为4.3MPa；由图6可知，单相土体中结构单元A的应力最大值为6.5MPa，饱和土体中结构单元B的应力最大值为6.7MPa。

图5 单元A的应力时程曲线

图6 单元B的应力时程曲线

3 结束语

本文在ABAQUS有限元计算软件平台上，开展了单相土体地下结构、饱和土体地下结构地震反应的对比研究，饱和土体基于二维流固耦合两相介质动力模型孔压单元进行模拟，地震波输入通过设置黏弹性人工边界，等效结点荷载来实现。在研究中发现：

（1）在地震反应最后时刻，单相土体中结构与饱和土体中结构的应力云图呈对称分布，且均在结构底角区域、混凝土柱顶部两侧区域、顶板中部外侧区域出现了应力集中；

（2）与单相土体中的结构相比，饱和土体中结构的Mises应力值较大，应力集中区域较多，区域面积较大。