（岩土工程专业论文）沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 作为一种严重的自然灾害，地震灾害往往造成重大的经济损失和人员伤亡。我国是 地震多发国家，因此，加强抗震分析与设计对保护国家基本设施和人民生命财产安全具 有十分重要的意义。近年来随着改革开放和国民经济的飞速发展，沿海地区的码头及港 口建设数量日益增多，地基以及回填土的动力稳定性是近海和海岸工程建筑物过程中必 须考虑的重要问题之一。地震作用下，引起土体的孔隙水压力和有效应力的变化，使近 海和海岸工程的地基产生液化，导致码头港口的破坏。因此对于港口码头液化地基的处 理，将地震对于港口码头等生命线的破坏损失尽可能的降低，是岩土工程近些年来研究 的热点。 本文基于b i o t 两相饱和多孔介质动力耦合理论，采用f e f d 耦合的数值分析方法计 算模拟地震荷载作用下大型沉箱码头岸壁的动力反应分析。在数值分析过程中，采用u - p 形式的动力固结方程和循环弹塑性本构关系，采用n e w m a r k - 卢逐步积分法求解时域内动力 方程。揭示液化以及沉箱破坏的机理。 首先模拟研究采用无厚度接触单元对沉箱沉降的影响，在建立的模型中，沉箱与土 的接触面设置接触单元，进行非线性数值分析。并讨论沉箱参数、地基土参数以及接触 单元的参数变化对于沉箱沉降的影响，得到采用无厚度接触单元一些参数的变化对于沉 箱码头沉降的影响。 随后，沉箱与土的接触面采用无厚度接触单元，对沉箱码头在地震作用下的进行动力 响应分析，模拟地震作用下地基置换砂以及回填土液化导致沉箱码头岸壁失稳的过程，探 讨沉箱码头岸壁失稳的破坏机理。针对液化破坏，采用碎石桩进行置换砂的地基加固处理， 进行非线性数值模拟，并将计算分析结果与未处理时的破坏情况进行对比，得到一些对大 型沉箱码头岸壁抗震有用的规律和结论。 关键词：地震液化；f e - f d 耦合方法；循环弹塑性模型；无厚度接触单元；沉箱码 头岸壁；碎石桩 沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析 n o n l i n e a ra n a l y s i so fc a i s s o nq u a yw a l lu n d e r e a r t h q u a k ea n d r e i n f o r c e m e n to f r e p l a c e ds a n d a b s t r a c t a sas o r to fs e r i o u sd i s a s t e r s ，e a r t h q u a k eo f t e nc a u s e sm a i o re c o n o m i cl o s s e sa n dh e a v y c a s u a l t i e s c h i n ai sae a r t h q u a k e - p r o n ec o u n t r y ，t h e r e f o r e ，i t ss i g n i f i c a n c et os t r e n g t h e nt h e s e i s m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ni no r d e rt op r o t e c tn a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e sa n dp e o p l e sl i v e s i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o u n t r y ，m o l ea n dm o r ep o r t sa n dh a r b o r sa r e c o n s t r u c t e di nc o a s t a la r e a s 1 1 1 ed y n a m i cs t a b i l i t yo ff o u n d a t i o ns o i la n db a c k f i l ls o i lm u s t b ec o n s i d e r e di no f f s h o r ea n dc o a s t a le n g i n e e r i n g u n d e re a r t h q u a k e ，t h ef o u n d a t i o no f o f f s h o r ea n dc o a s t a le n g i n e e r i n gm a yb el i q u e f i e db e c a u s eo fs o i lp o r ew a t e rp r e s s u r ea n d e f f e c t i v es t r e s sc h a n g i n g f o rt h ep u r p o s eo fr e d u c i n gl o s s e so fo f f s h o r ea n dc o a s t a l e n g i n e e r i n g ，t h es t u d i e s a n dt r e a t m e n t so fl i q u e f i e df o u n d a t i o nb e c o m eah o t s p o ti n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g b a s e do nb i o t sd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nt h e o r yf o rt w o - p h a s em i x t u r e ，u s ef e - f d c o u p l e dn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o dt os i m u l a t es e i s m i cr e s p o n s eo fl a r g e s i z ec a i s s o nq u a y w a l lu n d e re a r t h q u a k e i nt h ep r o c e s so fn u m e r i c a la n a l y s i s ，u - pf o r m u l a t i o no fd y n a m i c c o n s o l i d a t i o ne q u a t i o na n dc y c l i ce l a s t o p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e la l eu s e d 1 1 l ed y n a m i c e q u a t i o n sa r es o l v e db yn e w m a r k - f lt i m ei n t e g r a t i o ns c h e m e o b t a i nh o wt h el i q u e f a c t i o na n d t h ef a i l u r eo fc a i s s o nq u a yw a l lo c c u r f i r s t l y ，s t u d yt h es e r l e m e n to fc a i s s o nq u a yw a l lu s ec o n t a c te l e m e n to fz e r ot h i c k n e s s i nt h es i m u l a t i o nm o d e l ，u s ei n t e f f a c ee l e m e n tb e t w e e nt h ec a i s s o na n ds o i l i nt h es i m u l a t i o n , d i s c u s st h es e t t l e m e n t sw i t ht h ev a r i a t i o no fc a i s s o np a r a m e t e r s ，f o u n d a t i o ns o i lp a r a m e t e r s a n di n t e r f a c ee l e m e n tp a r a m e t e r s g e ts o m el a w so fc a i s s o n ss e t t l e m e n tu s i n gi n t e r f a c e e l e m e n t s u b s e q u e n t l y ，s i m u l a t es e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fc a i s s o nq u a yw a l lu s i n gi n t e r f a c e e l e m e n tb e t w e e nt h ec a i s s o na n ds o i l s i m u l a t et h ef a i l u r eo fc a i s s o nq u a yw a l ld u et ot h e l i q u e f a c t i o no ff o u n d a t i o na n db a c k f i l ls o i l i no r d e rt os t r e n g t h e nt h ef o u n d a t i o n , h e r el l s e g r a v e lp i l et oi m p r o v e m e n t a d o p tn o n l i n e a rn u m e r i c a la n a l y s i so ft h em o d e la f t e rt h e t r e a t m e n t c o m p a r i n gt h er e s u l t so fd i f f e r e n ts i t u a t i o n s a t t a i nu s e f u ll a w sa n de o n c h s i o nf o r e a r t h q u a k er e s i s t a n c eo fl a r g c s i z ec a i s s o nq u a yw a l l k e yw o r d s ：s e i s m i cu q u e f a c t i o n ；f e f dc o u p l e dm e t h o d ；c y c l i ce l a s t o p l a s t i cm o d e l ； i n t e r f a c ee l e m e n t ；c a i s s o nq u a yw a l l ；g r a v e lp i l e i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：三垒垒兰皇墨! 墨兰兰兰兰二! 垄! 里兰塑芏堕! ! 婴：坠 储槲：斗l 嘲：旦年月笪日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：姿盘查垒鲨盘堡兰坚竺兰窒查兰塑圣垫迈鱼塑蝥：强 作者签名：量：f 丝 日期：兰竺2 年生月二生日 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 作为一种严重的自然灾害，地震灾害往往造成重大的经济损失和人员伤亡。我国是 地震多发国家，因此，加强抗震分析与设计对保护国家基本设施和人民生命财产安全具 有十分重要的意义。近年来随着改革开放和国民经济的飞速发展，沿海地区的码头及港 口建设数量日益增多。沉箱结构作为一种主要的重力式水工结构，在港口工程与海岸防 护工程中得到了广泛应用。对于沉箱码头的设计与施工，尽管国内外目前均已制定了比 较成熟的规范，但是对沉箱码头结构的抗震性能评价与动力分析方法仍无法满足现代工 程建设的需要。 关于沉箱码头的地震破坏，2 0 世纪后半叶以来世界范围发生的强震调查中已有多次 报道。在1 9 6 4 年日本新泻大地震中，新泻港码头遭到大量破坏，高出海平面2 4 m 的混 凝土护墙沉入海面以下，同时造成护墙背面陆地的大范围永久变形，进而造成了码头辅 助设施的严重破坏。在1 9 9 0 年菲律宾地震中，由于沉箱码头的破坏同时引发了背后填 土的大范围流动，造成码头生命线设施的灾害。1 9 9 5 年日本阪神大地震致使承担日本国 3 0 海上运输吞吐量的神户港造到严重破坏【1 1 。神户港码头水工结构中的9 0 0 , 4 采用了沉 箱结构形式，震后，除了三段经过超强抗震设计以备灾害发生时运送药品、食物和紧急 救援物资的码头外，其余均遭到不同程度的破坏 2 1 。破坏最严重的区域发生在港岛( p o r t i s l a n d ) ，有的地方沉箱码头最大水平位移与沉降分别达到5 m 与3 m ，面向海域一侧倾斜 5 0 。由于沉箱陆地侧的填土变形巨大，给港口的辅助设施也造成了惨重的破坏。 由此可见，目前所建造的港口沉箱码头在抵抗强震作用方面仍然存在一定的薄弱环 节。而码头和港口辅助设施一旦遭到地震破坏，修补是十分昂贵和耗时的，对于社会生 活和经济发展的影响也是巨大的。因此深入地探讨沉箱码头结构的抗震性能、加强这种 结构的抗震设计是港口工程建设与设计中的关键技术问题之一，其必要性和紧迫性是不 言而喻的。为此，对沉箱码头的地震灾害和抗震设计进行深入探索，不仅能够推动港口 及海岸工程的抗震理论的发展和创新，而且能够为我国港口工程建设的决策、科研、设 计和施工提供可靠的技术支持，具有十分重要的科学意义和工程应用价值。 1 2 国内外研究概况 沉箱码头的破坏直接原因取得了一致性的看法，认为沉箱码头碎石垫层下的置换砂 土地基和背部回填砂土由强震所引起液化而最终导致沉箱基础发生了大位移破坏。强烈 地震动使砂土颗粒重新排列，颗粒间孔隙减缩，导致孔隙水压力不断上升，当孔隙水压 沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析 力足以达到土颗粒间的有效应力时，土体丧失了抗剪强度而发生液化破坏。所以，对于 置换砂土地基和背后回填砂土的液化分析以及防止液化的地基处理方法便显得尤为重 耳e j co 1 2 1 码头抗震分析研究概况 国际上关于码头和防护墙的地震反应分析及其抗震设计方面的研究起步较早。世界 上许多大地震的震害调查报告均对码头的震害与破坏进行了调查分析。早期的研究工作 主要集中在下列3 个方面：( 1 ) 作用于防护墙上的动土压力；( 2 ) 用在防护墙两侧的动 水压力；( 3 ) 地震引起的可恢复和不可恢复的墙体位移。在抗震设计方面，确立了建于 地震区码头防护墙的3 个设计要点：( 1 ) 稳定控n - 防止水平滑移和倾斜位移较大而造 成的整体破坏；( 2 ) 基础与地基的极限承载力；( 3 ) 基础的稳定性。其中，如何计算作 用在码头护墙上的地震力和确定地震力的作用位置，成为问题的关键。主要的研究手段 包括解析法和实验方法。 1 9 9 5 年日本阪神大地震后，鉴于神户港码头地震灾害的严重性，对码头地震灾害的 研究再度引起研究者们的广泛关注。砂土液化所导致地面大变形及其危害问题在日本神 户地震中港岛地区的震害中得到了充分认识，因此近年来，日本对此问题进行了高度重 视和全面研究。 石原研而、冈二三生、井合进等【3 刁】针对可液化土发展了弹塑性本构模型，同时 z i 即l 【i 喇c z 【8 1 和b e l y t s c h k o 9 ，1 0 】等人在以多孔介质的耦合动力固结理论为基础，对于饱和 砂土地震动力响应发展了非线性有效应力数值分析方法，为沉箱码头一可液化土相互作 用地震反应的有效应力分析奠定了基础。此外，振动台常规模型试验和离心机模拟实验 也成为探索沉箱码头破坏机理、验证数值分析方法合理性的有力工具。 近几年，自日本神户地震以后，对于考虑地基液化及其地面大变形效应的滨海沉箱 结构抗震问题引起了广泛的关注，并开展了大量的现场调查、理论分析、数值计算和试 验模拟等方面的研究。 井合进1 3 , 4 1 采用有效应力有限元分析方法和振动台模型实验相结合，对于不同工况 条件进行了对比分析，指出碎石层下砂土液化所导致的沉箱位移将是背后填土液化所导 致的沉箱位移的2 倍。滨田政则【l l 】采用振动台和离心机等实验方法，探讨了背后液化土 的流动量和流动范围，以期指导码头生命线的工程设计；t o w h a t a 1 2 j 通过振动台实验论 证了挤密桩加固处理方法对减少沉箱码头地震位移的有效性：d a k o u l a s 1 3 l 采用有效应力 有限元分析方法，对1 9 9 5 年日本神户大地震中港岛沉箱基础的破坏过程进行了数值模 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 拟，所得到的最大水平及垂直位移分别达到3 6 5 m 和1 3 m ，与真实震害较为接近。z e n g 1 4 ， 1 5 j 通过离心机实验和非线性有限元分析两种方法对沉箱码头的地震反应进行了分析，论 证了地基土液化是导致沉箱码头发生较大位移的主要原因。两种结果十分吻合，也论证 了所采用研究方法的可靠性，所获得的最大水平位移为1 3 m 。 总体上看，目前的研究趋向于既注重对震害进行试验模拟和数值模拟，又再寻找提 高填土抗震能力、减少液化变形的有效过程措施。研究方法以实验模拟和数值分析并重。 1 2 2 碎石桩加固处理液化地基研究概况 碎石桩是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石挤压入已成 的孔中，形成大直径的碎石所构成的密实桩体。早在1 8 3 5 年，法国陆军工程师在b a y o n n e 建筑兵工厂时就使用了碎石桩。这个兵工厂坐落在海滨沉积土上，采用碎石桩加固后， 建筑物的实际沉降只有未加固时的四分之一。这是应用碎石桩加固地基的最早实例。 1 9 3 6 年，德国s s t e u e r m a n 提出了用振冲法挤密砂土的概念。1 9 3 7 年德国人研制成 功第一台振冲器，并用来处理柏林一幢建筑物下厚7 5 m 的松砂地基。随后，振冲法作 为加固松砂地基的首选方法而被广泛推广，取得了良好的工程效果。自1 9 3 7 年德国人 发明振动水冲法( 振冲法) 以后，碎石桩处理液化地基在工程中逐渐得到应用，1 9 6 4 年日 本新泻地震，1 9 7 1 年美国圣费尔多地震和1 9 7 6 年我国唐山地震等吸引了许多学者对液 化土的研究，同时也促进了对碎石桩处理液化土抗液化方面的研究，2 0 世纪8 0 年代以 后，由于我国基础建设的加快，碎石桩处理液化地基在各行业得到普遍推广，我国学者 又陆续对其进行了研究，并取得了丰硕的成果。碎石桩加固地基的静力方面理论和在成 桩过程中的挤土效应研究较多，而对地震荷载下的碎石桩加固砂土地基抗液化理论研究 较少。近来，由于我国基础建设的加快，碎石桩加固液化地基的推广使得我国对其动力 理论方面的研究得到长足的进展。 2 0 世纪9 0 年代之前，主要是针对碎石桩处理液化地基的效果进行初步探讨，大多 数是把已有的液化砂土研究成果进行修正和改进，然后应用到复合地基液化分析之中。 其中主要有： 任书考提出用“动剪应变法”确定饱和砂土的地震液化势；顾卫华、王余庆用等价 非线性有效应力分析的二维有限元方法分析水平饱和砂层液化特性，并考虑了碎石桩排 水效应和地面压重的透水性与不透水性的单根碎石桩的抗液化效果【1 6 】；王余庆又利用现 场激振加速度和室内动三轴试验联合提出了复合地基抗液化效果简化法【l 7 1 。 9 0 年代以后，在碎石桩排水效应和桩体效应方面研究得到了长足发展。徐志英【1 8 】 利用1 9 7 7 年s e e d 1 9 l 等提出的复合地基桩间土动力控制方程，简化了其中的一些性质， 一3 一 沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析 求得了适用于地震期间和地震结束后桩间土孔压的一般解析公式。这一结论在碎石桩复 合地基抗液化方面具有重要的意义，到目前为止，大多数排水减压理论研究都是在这一 基础上进行修正和改进。徐志英将b i o t 固结方程引入到地震孔隙水压力消散和扩散过程 中，提出了一种二维伪相互震动固结方程【删，周健、徐志英进而推广到三维空间，并在 计算过程中分段考虑了孔压的增长、消耗和扩散过程，一些研究把此理论应用到碎石桩 抗液化分析当中，得到很好的效果1 2 u ； 1 9 9 8 2 0 0 0 年期间，东南大学刘松玉等也研究了干振挤密碎石桩处理高速公路液化 地基效果，并给出了桩体应力集中、排水减压和挤密效果的有关结论阎；刘金韬从排水 井的角度提出了一种确定桩间距的方法团】；林本海、谢定义摒弃了b i o t 固结方程，利 用动力渗流与动力固结相耦合，推导出振动固结控制方程，并用数值模拟碎石桩复合地 基抗液化效果，得到良好的效果，这一结论推进了碎石桩复合地基抗液化理论分析的发 展【矧。 1 2 3 液化动力分析方法研究分析方法 碎石桩处理的液化复合地基在动力分析方面是随着液化土的动力分析方面的发展 而发展的，土体发生液化是土性条件、初始应力条件、动荷条件和排水条件等一系列因 素共同作用的结果。目前分析和判断砂土液化的理论方法可以分为总应力法、有效应力 法和弹塑性动力分析方法。 ( 1 ) 总应力分析方法 总应力法直接根据室内试验所取得的割线剪切模量与等效阻尼随应变幅值非线形 变化曲线，通过多次迭代而求得的近似解。以s e e d 、i d i s s 为代表的部分学者对总应力 法作出了重大的贡献。具体有以下几种方法：( 1 ) 动剪应力对比法；( 2 ) s e e d i d i s s ( 一维总 应力法) f 矧；( 3 ) - - 维、三维总应力法【冽。日本学者岩崎敏男在s e e d 简化法的基础上，提 出了液化安全系数的概念【2 7 1 ，张克绪提出用八面体动剪切强度验算液化范围，克服了 s e e d 法中两者应力条件不一致的缺点【2 剐；总应力法的缺点是无法确定孔压的发展，不 能揭示砂土液化的本质，目前已经较少应用。 ( 2 ) 有效应力分析方法 有效应力法是同时考虑土体的软化和孔压变化相互作用的分析方法，它克服了总应 力法的缺点，揭示砂土液化的本质，因此其应用的关键问题是如何正确测算不同条件下 土中孔隙水压力的产生、增长、扩散和消散规律。不过，在饱和砂土的振动过程中，孔 压的发展不仅具有平均量的增长性，而且具有瞬态波动性，目前大多数计算方法只考虑 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 单调部分，因此探讨波动部分更具有广泛意义。地震作用下土中孔隙水压力的产生、发 展及消散过程直接影响到土体液化过程。因而，自黄文熙和汪闻韶之后，许多学者致力 于振动荷载作用下土中孔隙水压力增长和扩散变化规律的研究，根据循环三轴或剪切试 验确定孔压的增长公式，再应用到有效应力分析中去。在此方面，已有很多公式，如 s e e d 公式、s h e r i f 公式、石桥公式、f i n n 与b h a t i a 公式等等【2 9 】。公式中把孔压表示为剪 应力、正应力及应力循环次数或与之相关联的物理量的函数。在液化评价的标准选择上 也因孔压模式的选择不同而有所不同，常用的判别标准有应力标准、应变标准和有效路 径等。 ( 3 ) 弹塑性动力分析方法 随着土的动力本构关系的深人研究，弹塑性动力分析理论己成为地震液化研究的一 个重要发展方向。例如，p r e v o s t 的屈服面模型，m r o z 、n o r r i s 与z i e n k i e w i c z 的双曲面 模型等属于各向异性塑性理论模型，能较好地解释土壤在循环荷载下的一些现象，还有 d a f a l i a s 等的限界面塑性模型、c a r t e r 等的临界状态模型等，但还不是很成熟。直接应 用土的塑性理论本构关系于液化分析中迄今尚较少，s a t o 、s h i b a t a 与k o s a k a 曾做过一 些很好的工作，但是忽略了惯性力，并假定垂直总应力不变，有待进一步深人研究。 1 2 4 砂土液化判别方法 s e e d 简化分析法是最早( 1 9 7 1 年) 提出来的自由场地的液化判别法，也是目前普遍接 受的方法之一。将之转化为等价的规则循环剪应力，然后进行比较。s e e d 分析法简单明 了，使用广泛，但确定等效循环应力比比较粗略且不考虑孔隙水压力的发展水平，另一 方面判别结果的正确与否依赖于试验结果的准确性。后来s e g d l 3 0 】在1 9 9 6 提出以孔压值 作为判断砂土是否发生液化的依据，并提出后来被广泛引用的“初始液化 的概念。从 目前的研究结果来看，关于初始液化的判断准则大致分为以下三种：一是基于有效应力 的概念，o k u s a t 3 1 l 提出，当某一深度上的垂向有效应力大于上层土体的重量时土体液化； 二是基于超孔隙水压力的概念，z e n 和y a m a 2 a k i 3 2 j 认为，在土层中某一点，当上层土骨 架的重量小于该点向上的渗透力时，土层液化；三是基于l i i l 等口3 】定义的液化参数l f ( 深 度为零时孔隙水压力梯度与土的浮容重的比值) ，假定忽略水平剪应力和竖向提升力， 当l f 大于等于1 时，土壤液化。 总结震害经验是研究砂土液化最直接的途径。在分析、统计世界各地广泛的地震液 化震害调查的基础之上，可以建立一些经验准则和公式，如以标贯锤击数，静力触探的 贯人阻力，剪切波速，等为参量的经验公式。对于相似的场地、土壤和环境条件，可以 参考过去地震灾害的震害调查资料进行对比分析，再进行判别。刘汉龙等 3 4 , 3 5 】人引人概 沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析 率法，运用累积疲劳规律表示剪应力循环的累积效应对自由平坦场地的液化势进行判 别，避免了在确定性分析时选择不同的地震波时得出不同的地震反应结果的缺陷，还可 以进一步进行动力反应分析。室内试验分析法，它通过随机加载的三轴试验、振动台试 验、离心机试验等来模拟在地震时土的应力状态，但是取原状土是一难点，土体的抗液 化强度试验结果受到土样扰动。土层反应分析法，此法综合了数学、力学和计算机的知 识，尤其在数学和力学分析上较为严格，是砂土液化动力分析方法的液化判别上的应用。 不仅可以考虑地震动特性、地形地质条件、荷载作用及边界条件等多种因素的影响，还 可以研究地震过程中和地震发生后地基土液化区的发生和发展过程。土层反应法考虑的 因素可以很多，计算较严密，但关键是材料参数和荷载参数要选择适当、合理，这也有 一定的难度。 1 2 5 碎石桩抗液化加固机理 液化的产生是由于强烈地震使砂土颗粒重新排列，颗粒间孔隙减缩，砂土体积急剧 收缩超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升，导致有效应力降低，土体丧失了抗剪强度。 由于碎石桩的以下特点【3 6 】，所以采用碎石桩处理液化砂土是一种有效可行的方法。 ( 1 ) 排水减压 碎石桩加固液化砂土时，桩孔中充填的碎石、砾石以及粗砂等反滤性很好的粗颗粒 材料，在地基中形成渗透性良好的人工竖向排水减压通道，可以有效的消散和防止超静 孔隙水压力的增高和砂土的液化。在地基中形成的碎石桩，大大缩短了土中超静孔隙水 的排水路径，加快了地基土的排水固结。 ( 2 ) 挤密效应 对挤密碎石桩，在桩的形成过程中桩管对周围砂土产生很大的横向挤压力，使桩管 周围的砂土的孔隙比减小，密度增大。对振冲挤密法，在施工过程中由于水使松砂处于 饱和状态，砂土在强烈的高频振动下液化并重新排列致密，且在桩孔中填入大量的粗骨 料后，被强大的水平振动力挤入周围的土体中，这种强制挤密是砂土的相对密度增加， 孔隙比降低，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能得到改善，使地基的承载力大 幅度的提高，抗液化能力得到改善。 ( 3 ) 预震作用 s e e d 等a t 1 明( 1 9 7 5 ) 试验表明，砂土液化特性除了土的相对密度有关外，还与其振动 历史有关。砂土的预先振动不产生液化后，结构中的不稳定颗粒滑落成为较为稳定的结 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 构，抗液化能力得到提高。碎石桩在施工时振动作用在土层挤密的同时还获得了预振， 这对增强地基的抗液化能力极为有利。 ( 4 ) 加筋作用 在下覆层设置碎石桩，由于碎石桩的模量大于桩间土的模量，因此起到加筋作用。 在坡角外定范围内设置碎石桩，使得复合地基的内摩擦角增大，抗剪强度提高，有效 地抑制地基的侧向位移。在地震荷载作用下，坡角范围内的碎石桩在排水作用的同时， 加筋作用增强土体稳定性也明显的体现出来。 1 2 6 数值分析方法 ( 1 ) 有限单元法 有限元法通过将连续介质离散化，建立单元的力学特性，然后把单元体的力学特性 复合为土体的力学特性，建立土连续体各物理量的平衡关系，最后归结为求解线性代数 方程组，得到各节点的位移、速度、加速度。1 9 7 2 年l y s m e r 为考虑基岩或土层的形状 不规则，首先提出了用有限元法来计算二维甚至三维模型，并编制了相应的计算机程 f l u s h a t 3 7 ，3 8 】；廖振鹏等则对其动力有限元分析方法中的透射边界条件作了相应的改 进，还应用频域透射边界对f l u s h a 程序进行改造【3 9 , 4 0 a 1 】；此后，很多学者为考虑土 与结构共同作用，同时也应用了有限元法。 ( 2 ) 有限差分法 把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替，这些离散点称作网格的节 点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原 方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解 条件就近似地代之以代数方程组。有限差分法模拟无限地基的辐射阻尼时也需要在边界 上施加人工边界条件，或取一较大的地基的离散范围，使波在传递到边界时幅值很小。 有限差分法曾用于地震地面运动分析，但是在现在的地基动力分析中有被有限元和边界 元取代的趋势。 ( 3 ) 边界元法 边界元法是公在定义域的边界上划分单元，用满足控制议程的函数去逼近边界条 件，所以边界元法与有限元相比具有单元的未知数少，数据准备简单等优点。边界元法 通过通过基本解将支配物理现象的域内微分方程变换成边界上的积分方程，只需对边界 进行离散化，使数值计算的维数降低一维，从而减少了问题的自由度和原始信息量。由 于边界元法能自动满足远场辐射条件，无需引入人工边界，具有适用于无限域和半无限 域的特点，因而在岩土工程中受到了重视1 4 2 1 ，而且在结构地基相互作用体系中得到了广 一7 一 沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析 泛的应用。边界元法主要用于求解地基动力刚度和基础响应、地形对地震波的散射效应 以及地下结构的动力响应等方面。 ( 4 ) 无网格法 作为继有限元法之后的一种有效数值计算方法，无网格法得到了不断发展。其中目 前b e l y t s c h k o 等所提出的g a l e r k i n 无网格法应用最为广泛。在这种方法中，计算域内任 意点的场变量由其影响区域内某些给定点的变量通过插值函数近似地表达。其中所采用 的插值函数类似于有限元法中的形函数，可由移动最小二乘法确定。这种方法无须将计 算域离散为单元和节点，只需利用计算区域内按照一定原则规则地或非均匀地布置的某 些空间点。然而积分计算需要在包含计算区域的一组背景单元内完成。不同于有限元法 中的单元，这些用于积分的单元并不随计算构形的变化而改变，从而避免了有限元法中 由于单元变形扭曲而引起的计算中断，特别适用于考虑大变形效应的液化数值分析与计 算。 1 3 本文的主要研究工作 大地震中，由于强震所引起的沉箱码头破坏，可以分为两类，一类是结构物本身的 破坏，另一类是沉箱地基土的液化导致沉箱码头的整体失稳。第二种的破坏方式在历次 的大地震中屡有发生，也是地震灾害中的一种重要形式。本文主要研究第二种，地基土 的液化对于沉箱码头的影响。 本文采用有限元和有限差分法耦合的数值分析方法，即f e f d 耦合方法，基于o k a 的修正流动法则和非线性运动硬化规律提出的循环弹塑性本够模型来地基土的应力应 变关系，模拟地震荷载作用下地基土液化导致的沉箱码头岸壁的整体失稳，并且考虑无 厚度接触单元对于沉箱码头岸壁沉降的影响；针对沉箱码头岸壁的整体失稳，本文采用 碎石桩这种针对砂土液化的有效地基处理方法，并进行地震作用下的非线性数值分析， 希望能得到一些有益的结论，对由于地基土液化引起的沉箱码头整体失稳提供一些可靠 的理论支持。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 非线性分析方法 2 1循环弹塑性本构模型 a k a i 和t a m u r a 于1 9 7 8 提出一种有限元和有限差分耦合的数值方法( f e f d 耦合法) ， o k a 等【4 3 】于1 9 9 4 采用无限小应变假定将这一方法扩展到饱和土体的分析中。这种方法 在空间上，用有限元方法离散平衡方程，用有限差分法离散连续方程中与超孔隙水压力 相关的项。这种f e f d 耦合法可以降低耦合方程的自由度，并且得到的控制方程最终的 矩阵形式是对称的。 在饱和土体的非线性数值分析中，饱和土的本构模型是一个关键问题。在过去的很 长一段时间内，依据塑性或是粘塑性理论发展了很多本构模型，而这些模型的重点是关 注能否很好的反应土的循环特征。0 d 删于1 9 9 2 年基于非线性运动硬化规律提出一种有 效循环弹塑性本构模型，用于模拟土体的液化过程。后来o k a 对这一本构模型进行改进 使其能够考虑塑性剪切模型的应力剪胀特性关系和应变依赖特性。饱和土体的这种本 构模型的改进之处如下： ( 1 ) 使用应力参数和相对应力比，考虑旋转主应力的应力状态； ( 2 ) 考虑硬化规律和非线性运动硬化规律，循环加载过程中主应力旋转时要将硬化 参数初始化； ( 3 ) 引入固结边界条件和超固结边界条件，描述超固结过程中剪胀性的降低； ( 4 ) 依据广义流动法则修正了应力应变关系； ( 5 ) 能够根据塑性应变通过剪切参数模拟砂土剪应变达到1 0 时的特性。 循环弹塑性本构模型，采用如下的基本假定： ( 1 ) 无限小应变理论； ( 2 ) 弹塑性理论； ( 3 ) 广义流动法则； ( 4 ) 超固结边界条件； ( 5 ) 非线性运动硬化规律。 该本构模型考虑了饱和砂土的一些非线性特征： ( 1 ) 应用广义流动法则，修正了应力变形特征曲线。引入变形系数d o 的非线性表达， 这样能更好地描述应力路径特性。该模型得到的液化强度曲线与试验结果拟合良好。 沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析 ( 2 ) 考虑了塑性剪切模量的累积塑性应变特性，表现出松砂在循环荷载过程中剪切 应变的连续增长。利用一个非线性函数来给出剪切模量的增长，在循环荷载作用后剪切 应变的发展和平均有效应力的减少与试验值一致。 ( 3 ) 在模型中引入了初始各向异性的损伤记忆特征量来描述各向异性的固结。将损 伤记忆特征量引入，这样就可以使用同样的材料参数来描述饱和砂各向异性和同性固 结情况下的固结。 该弹塑性模型应力应变关系的增量形式表示为： d 吒= e p d ( 2 1 ) 其中，p 蔷是模型的瞬时弹塑性刚度阵。 2 1 1屈服函数 土体的屈服包括固结屈服和剪切屈服。在液化问题的分析中，屈服是由饱和土体平 均有效应力下降引起的。所以本文考虑剪切屈服。不同应力比的屈服函数表示为： 厂2 ，7 ( 石) 一k = 【( 嘞一局) ( 一乃) 】i ，2 一k ( 2 2 ) 式中，k 是控制弹性区域大小的数值参数； ，7 ( x ) 是相对应力比； 筋是运动硬化系数； 1 7 ( 2 ) 驴是应力比张量，定义为嘞= 屯以； 是偏应力张量，定义为吩= 吒一吒嘞； 仃：i 是有效应力张量； 盯：是平均有效应力。 2 2 2 硬化定律 ( 1 ) 硬化参数的演化方程 根据非线性运动硬化准则定义硬化系数，其演化方程为： 谚托= 曰( 么d 够一知砂，) ( 2 3 ) 式中，彳、b 为材料硬化系数，它们都能够用破坏应力比脚和由平均有效应力归一化的 初始应力剪切模量g p 表示。 沈? 是当前塑性偏应变，定义为： 大连理工大学硕士学位论文 e ；= ；一鼍；6 口 q 舢 式中，s f 为塑性应变张量。 d r p 为塑性偏应变增量p 多的第二不变量，定义为： d 巧，弋“c p “。 p ) m ( 2 5 ) 方程( 2 3 ) 中，等号右端第二项为非线性项，依赖于塑性应变的增量幅值。如果忽略 该项，就可以从( 2 3 ) 中得到p r a g e r 线性运动硬化准则： = s a a e , ； ( 2 6 ) 在不排水简单剪切条件下( 蠢0 ，维0 ，其余的应力和应变均为零) ，对方程 ( 2 3 ) 式进行显式积分，推导出硬化定律的势函数形式为： z 。：= 百a 1 一e x p ( 一h e 是) ) ( 2 7 ) 如果取得最大值，可以得出 碥i 啦一= 号 ( 2 8 ) 如果取最小值，石：梯度算子可以重新写成如下形式： 到：么召 k ( 2 9 ) 另一方面，如果假设为何单的舅切条件卜，导出馒化足律的双曲幽毅彤瓦为： 仇：= 瓦m 丽f g r 两e 是 ( 2 1 0 ) 仇：2 瓦i 而酉 w 如果取得最大值，可以得出： 咄一= 西m f ( 2 1 1 ) 如果取得最小值，石：梯度算子可以重新写成如下形式： 纠 = g p ( 2 1 2 ) l 略- o 、 将方程( 2 8 ) 和( 2 11 ) ，( 2 9 ) 和( 2 1 2 ) 分别进行比较，可以得出硬化系数a 、b 与破坏 商力比m ，和初始甥十牛萌切樟量比g p 之间的关系。 沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析 为了模拟饱和砂土的液化现象，应将砂在循环荷载作用f 的平均有效应力设置为 零，这就意味着剪切参数的折减。引入一种剪切系数b 折减方法。 ( 2 ) 剪切参数b 折减方法 塑性剪切刚度依赖于应变值。此方法在应力路径达到变相边界后的塑性应变偏量。 肚专 3 ， 、+ y h ； 、。 式中，b o 为b 的初始值； 尥是达到变相边界线时的厂，值； y p 为塑性参考应变。 采用同样的方法，弹性 酱数( l a m e 常数z ，面) 可简化为： 拈焉扔 ( 2 1 4 )五= 罢- ( 2 1 4 ) 。 l + ，戈矿 、7 声2 者莸 ( 2 1 5 ) 该方法适用于地震作用下的复杂应力状态，且由其推导出的数值分析结果是稳定的。 2 2 3 超固结边界面 超固结边界面五= o 定义如下： 兀= 万( 。) + m ，b 忙二盯二) = o ( 2 1 6 ) 式中，m 。为剪切过程中体积压缩模量达到最大值时应力比；r ( 。) 为故节后相对应力比， 其定义为 一r ( 。) = ( 嘞- r 矿( o ) ) ( 嘞- r # ( 。) ) l ，2 ( 2 1 7 ) 其中，现( 。) 表示骨节结束后的嘞值 锄( o ) = ( 屯) ( o ) ( 2 1 8 ) 五 0 表示应力状态保持在超固结区域内，而五0 表示应力状态处于一种正常固 结区域，因此，式( 2 1 8 ) 中的厶定义为 口：= p 4 竺y p )( 2 1 9 ) b ( j r r o b i c x 口辨= p i 了= y ， “- 大连理工大学硕士学位论文 式中，如，是吒e 的初始值，其大小等于平均有效应力在固结结束时的值以( 。) ；p 是初 始孔隙比；彳和r 分别是压缩指数和膨胀指数；y p 是塑性体积应变。而且，定义超固结 边界面和盯：1 轴交点处的平均有效应力瓦。为 拈o m 。b i c x p l 7 瓮t t - - ) 、 ( 2 2 0 ) 2 2 4 流动法则 ( 1 ) 塑性势函数 根据应力比和塑性应变增量之间的关系，塑性势函数表示为： g 2 【( 一局) ( 一锄) 】啦+ 露1 1 1 ( - q r - ) = o 式中，吒为一常数；厨为一应力状态变量，它控制塑性应变增量的方向， j 纸兀0 廊= 一 翌一 【l n ( 以仃：。) 以 0 ( 2 2 1 ) 定义如下： ( 2 2 2 ) 式中，刁为应力比，7 ：( ，7 ) v 2 ：- - - - 2 - - 7 以 - - ，以为应力偏量的二阶变量。詹控制塑性应变。7 增量的方向，当应力状态处于超固结范围内，厨取小于坂的值。 ( 2 ) 流动法则 流动法则定义如下： 如；= h 脚鼍 式中，是一个四阶各向同性张量： h 啦= a 6 q 8 h + b 嫡彘6 l l + 6 u 6 j 0 式中，a 和b 是与应力和应变状态相关的参数。由式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) ， 量沈乡和塑性体积应变增量d y p 为 咖2 嘻 d p ，= 僦= ( 3 口+ 2 b ) 善 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 可以得到偏应变增 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 沉箱码头地震破坏及地基加固的非线性数值分析 考= 糍+ 卜掣，砉 亿2 7 ， a ，7 ( z ) 【巩z )j3 、 7 根据式( 2 5 ) 、( 2 2 5 ) 和( 2 2 7 ) ，我们可以得到塑性偏应变的二阶变量为： a r ，= 2 b