（岩土工程专业论文）液化场地地下rc结构物抗震性能数值仿真研究.pdf

液化场地地下r c 结构物抗震性能数值仿真研究 摘要 地下结构物正被广泛地应用于水利水电、公路、铁路交通运输以及城市等 重大工程中，而历史震害现场调查地震液化可导致地下结构物遭受破坏，造成 巨大经济损失和人员伤亡，故液化场地中地下结构物的抗震稳定性和地震安全 性研究对保障人民生命财产及城市生活的安全运行有着极为重要的意义。 论文基于有效应力分析方法，对液化场地中不同埋深、不同边界条件的地 下r c 结构物的抗震性能进行数值仿真试验，以揭示不同地震荷载作用下液化 土一地下结构物的相互作用机制，土体的变形、动土压力分布规律和r c 结构 物的破坏机理，为探讨适合液化场地地下结构物抗震设计理论和措施提供科学 依据和参考。 数值仿真试验结果表明，浅层土体易发生砂土液化，r c 结构侧壁承受动土 压力的最终值比初始值小，r c 结构侧壁上下两端塑性屈服区域较大，结构物的 变形、上浮值随其埋深加大，而受地震的影响减弱，但侧壁承受的动土压力增 大，且侧壁下部增大的幅度相对比上部大；土体水平位移及水平加速度则随着 深度的加大逐渐变小；当r c 结构物底部为基岩时，侧壁屈曲变形比底部为土 层时大，侧壁的上下两端均先发生屈服变形，且侧壁上下端屈服变形和侧壁承 受的动土压力均随地震强度的增大而增大，以上结论基本与动态士工离心试验 结果吻合，获得结果可为今后液化场地地下r c 结构物的抗震设计与抗震分析 提供重要参考价值。 关键词；液化地下结构动力特性有限元有效应力分析 n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so f s e i s m i cp e r f o r m a n c e so f u n d e r g r o u n dr c s t r u c t u r e si nl i q u e f i a b l es o i l s a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h eu n d e r g r o u n dr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e sa r ew i d e l yu s e di n h y d r a u l i c e n g i n e e r i n g a n dw a t e r e l e c t r i c i t y e n g i n e e r i n g ，c o m m u n i c a t i o n t r a n s p o r t a t i o ns u c ha sr o a da n dr a i l w a y , a n di m p o r t a n tp r o j e c t si nm e t r o p o l i sc i t i e s t h er e s u l t sf r o mt h ei n v e s t i g a t i o n si nt h eh i s t o r i c a le a r t h q u a k ec a s e ss h o wt h a t e a r t h q u a k e - i n d u c e dl i q u e f a c t i o n w i l lc a u s ed e s t r u c t i o n so ft h e u n d e r g r o u n d r e i n f o r c e dc o a c r e t e ( r c ) s t r u c t u r e s ，a n dl e a dt ot h eh u g el o s so fe c o n o m ya n dt h e p e r s o n n e lc a s u a l t y s ot h es t u d yo ns e i s m i cs t a b i l i t ya n ds e i s m i cs a f e t yo ft h e u n d e r g r o u n d r cs t r u c t u r e si n l i q u e f i a b l e s o i l si se x t r e m e i m p o r t a n c e f o r s a f e g u a r d i n gt h ep e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t i e s b a s e do nt h ee f f e c t i v es t r e s sa n a l y s i sm e t h o d ，t h i sp a p e rc a r r i e do nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，w h i c ha r ei nd i f f e r e n td e p t ha n db o u n d a r y c o n d i t i o n s ，o ft h eu n d e r g r o u n dr cs t r u c t u r ei nl i q u e f i a b l es o i l s ，i no r d e rt o i n v e s t i g a t ei n t o t h em e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h el i q u e f i a b l es o i la n dt h e r cs t r u c t u r e a n dt h ep r i n c i p l e so fd e s t r u c t i o no fr cs t r u c t u r eu n d e rd i f i e r e n t e a r t h q u a k em o t i o n s t h ep r i n c i p l e so fd i s t r i b u t i o no fa c c e l e r a t i o n ，d i s p l a c e m e n t ， e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ea r ed i s c u s s e d t h er e s u l t sc a np r o v i d es c i e n t i f i cb a s i s a n dt h er e f e r e n c e sf o rt h es e i s m i cd e s i g na n dt r e a t m e n t so fr cs t r u c t u r e si nt h e l i q u e f i a b l es o i l su n d e rs t r o n gm o t i o n s t h er e s u l t sf r o mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h es o i l l a y e ri ns h a l l o wd e p t hi se a s yt ol i q u e f yu n d e re a r t h q u a k em o t i o n ，t h ev a l u e so f e f f e c t i v es t r e s s a c t i n g0 nt h es i d e w a l l so fr cs t r u c t u r ea t t h eb e g i n n i n go f e a r t h q u a k es h a k i n ga r es m a l l e rt h a nt h o s ea f t e rt h es h a k i n g t h ep l a s t i ca r e ao fr c s t r u c t u r eo c c u r r e df i r s t l yo nt h ec o i n e r s t h ev a l u e so ft h el a t e r a ld i s p l a c e m e n ta n d t h eh o r i z o n t a la c c e l e r a t i o ni n c r e a s e da l o n gw i t ht h ed e p t h t h es i d e w a l ld i s t o r t i o n a n dt h ef l o a t i n gd i s p l a c e m e n td e c r e a s e da l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eb u r i e dd e p t h o fr cs t r u c t u r e o nt h ec o n t r a r y , t h ee a r t hp r e s s u r ei n c r e a s e d ，a n dt h ev a l u e so f l o w e rs i d ea r eb i g g e rt h a nt h o s eo f u p p e rr cs i d e w a l l i nt h em o d e lo fb e d r o c kb a s e ， t h es i d e w a l l so fu p p e ra n dl o w e rb o t hy i e l d e d ，a n dt h es i d e w a l lf l e x u r ed i s t o r t si s b i g t h ed i s p l a c e m e n ta n dt h ed i s t o r t i o no fr cs t r u c t u r es i d e w a l l ，t h ee a r t h p r e s s u r e si n c r e a s e da l o n gw i t h t h ee a r t h q u a k e i n t e n s i t y t h e s e r e s u l t sa r e 插图清单 图1 1 研究路线示意图”5 图2 1 有限元法计算过程和组织模块示意图一7 图2 - 2 固体和流体接触面”8 图2 3 多重剪切机构塑性模型示意图l l 图2 - 4 液化面概念描述1 2 图3 1 土体粒度分析1 3 图3 2 土体变形参数1 4 图3 3r c 结构物模型1 4 图3 4 输入地震波1 5 图3 5 数值仿真模型a 示意图1 5 图3 - 6r c 侧壁输出节点、输出单元位置示意图1 6 图3 7 数值仿真模型b 1 ，模型b - 2 示意图 1 6 图3 8 数值仿真模型c 示意图1 7 图3 - 9 数值仿真模型d 示意图1 7 图4 1 超孔隙水压力图1 8 图4 2 土体节点位移时程图( 节点l 4 ) 1 9 图4 3 土体节点位移时程图( 节点5 8 ) 2 0 图4 4 土体节点位移时程图( 节点9 l o ) 2 1 图4 5 土体节点加速度时程图( 节点l 2 ) 2 1 图4 6 土体节点加速度时程图( 节点3 7 ) * 6 o wo o wo * q 2 2 图4 7 土体节点加速度时程图( 节点8 1 0 ) ”2 3 图4 8r c 结构物顶板底板中点位移加速度时程图2 4 图4 9 有效水平正应力时程图2 5 图4 1 0 模型ar c 结构物左侧壁弯矩一曲率图( 单元l 4 ) “2 6 图4 - 1 1 模型a r c 结构物左侧壁弯矩一曲率图( 单元5 8 ) ”2 7 图4 - 1 2 模型br c 结构物左侧壁弯矩一曲率图2 8 图4 - 1 3 超孔隙水压力图2 8 图4 - 1 4 模型dr c 结构物左侧壁弯矩一曲率图( 单元l 4 ) 2 9 图4 - 1 5 模型dr c 结构物左侧壁弯矩一曲率图( 单元5 8 ) 3 0 图4 1 6r c 结构物左侧壁位移最大值对比3 l 图4 1 7 模型c 。d 的r c 结构侧壁水平位移最大值对比3 2 图4 1 8 模型b 1 ，b 一2r c 结构侧壁水平位移最大值对比( 一) 3 2 图4 1 9 模型b 1 ，b 2r c 结构侧壁水平位移最大值对比( 二) 3 3 图4 - 2 0r c 结构物左侧壁曲率最大值对比( 一) 3 3 图4 - 2 1r c 结构物左侧壁曲率最大值对比( 二) 3 4 图4 - 2 2r c 结构侧壁动土压力最大值对比3 5 图4 1 2 3r c 结构顶板与土体相对位移图3 6 图4 - 2 4r c 结构侧壁加速度放大系数图3 6 图4 - 2 5r e 结构顶板加速度放大系数与埋深关系图“3 7 图4 - 2 6 模型a 残余变形图3 7 图4 - 2 7 模型b 1 残余变形图3 8 图4 - 2 8 模型1 3 - 2 残余变形图。3 8 图4 - 2 9 模型c 残余变形图3 8 图4 - 3 0 模型d 残余变形图3 9 图4 - 3 lr c 结构上浮值与埋深关系图3 9 图4 - 3 2 超孔隙水压力图4 0 图4 - 3 3 土体加速度放大系数与埋深关系图4 1 表格清单 表3 1 数值仿真试验模型1 3 表3 2 土体物理参数1 4 表3 3 土体数值模拟参数1 4 表3 4r c 结构侧壁力学参数1 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒a b 工些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 靴做作稚名：兹矸 签字日期口四年厶多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金自i 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒a 垦王些盔堂可 以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：辔 签字日期辨 b ； 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 日 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师汪明武教授的悉心指导下完成的。两年多来，导师无论是在 学习上还是生活上都给予我极大的关心、帮助与支持。在本文的选题、写作、 以及最后的修改与定稿过程中，导师倾注了大量的精力和心血。可以说是他用 广博的学识、严谨的治学态度、丰富的人生阅历和宽厚待人的品德为我开启了 未来之门。在论文即将付梓之际，特向他致以衷心的感谢与最崇高的敬意! 在论文写作期间，感谢师兄弟朱英明、张洪飞、郭文爱、陆胜、熊刚、潘 成刚、江伟民、吴大国、韩金平等给予我的帮助和鼓励。 感谢女友张妤，以及老友张全、崔长哲、刘海平等多年来在生活上和学习 上给予我的关照。 多年的求学，家是我最温暖的依靠，是我孜孜求学的力量源泉。感谢父母 的理解、鼓励及倾力支持，他们善良的品德、朴实的为人，永远是我学习的榜 样。 最后，诚挚感谢各位专家、教授在百忙之中对本论文的审阅和赐教。 1 1 研究意义 第一章绪论 1 1 1 地下工程发展概述 随着城市化的发展，目前全球1 0 0 0 万以上人口的城市已达到2 5 个，土地 资源越来越宝贵，而地下工程具有节约土地资源和节约能源的特点，具有高稳 定性，故地下工程在世界各国得到高速和大规模发展，在能源、交通、采矿、 城市建设和国防工程等方面得到了广泛应用。 自英国伦敦1 8 6 3 年建成世界第一条地铁以来，地下工程现已从自然延伸 的大型建筑物发展到复杂的地下街，以及与地下快速轨道交通系统相结合的地 下城。市政地下设施从地下供、排水管网发展到地下大型供水、能源供应系统、 排水及污水处理系统、地下生活垃圾的清除、处理和回收系统，以及地下综合 管线廊道。在北美，西欧及日本还出现了相当数量的大型地下公共建筑，如公 共图书馆、会议中心、展览中心以及体育馆、音乐厅、大型实验室等设施。 我国在开发利用地下空闻方面有着悠久的历史。在隋唐时代，人们就在河 南洛阳建造地下仓库用于储藏粮食。在北宋期间就开始修建地下人防工程，为 了抵抗辽国的侵略，在河北省永清县境内修建了三百平方公里的地下古战道。 另外还有古代帝王修建了大量的地下王陵，如北京的十三陵地宫等。当今随着 我国基础建设速度的加快，地下结构建设得到迅速发展，地铁在北京、天津、 上海、南京相继修建成功。全国近2 0 0 座城市中，还修建了一千多万平方米的 人防和其它地下工程，为人们提供了在地面上难以容纳的各种服务，如停车场， 过街人行地道，各种地下贮库，地下商场等。此外，为了解决我国华北、西北 地区严重缺水及黄河流域水源不足等问题，我国进行了南水北调工程，工程中 须修建超长的隧洞以连通整个引水线路，最大长度可达上百公里。可以预见， 地下工程在未来我国工程建设中必将占有重要的一席和发挥重要的作用。因此， 地下结构物的抗震设计安全性问题直接关系到人民的生命财产安全和国民经济 发展，也一直受到工程界人员的重视，它对提高城市综合防灾能力，缓解城市 诸多矛盾方面将起到积极作用。 1 1 2 液化场地地下结构物震害特点 人们普遍认为地下结构物数量少，抗震性能优予地面建筑，地震对地下结 构所造成的危害较小。然而，历史地震现场调查结果表明强震作用下液化场地 地下r c 结构物会遭受严重破坏，如1 9 9 5 年日本阪神大地震中，各种地下结构 和地下设施均遭受严重破坏，明开挖施工的神户市地铁系统结构造成严重的破 坏，大开站新开地站之间的隧道中，南侧、北侧及侧壁中央附近有多条沿纵 向延伸的裂缝，裂缝宽度在大开站附近最大达1 2 1 7 毫米【1 1 ，这促使人们认识 到强震作用下地下结构物的抗震理论还很不完善，有待进一步深入研究。 历史震害现场调查证实地震对于地下结构物造成的破坏原因，基本上可 以分为两类：一类是由地震引起的振动，在地层中产生的位移和地震力作用到 结构上，使结构产生过大应力和变形而破坏；另一类是由地震引起砂土液化、 软化震陷等不稳定因素造成大面积土层的滑移，致使地下结构物严重破坏。其 中土体液化导致地下结构破坏的现象相对普遍，如在阪神地震中，无论是地下 铁道、地下管道还是其他地下结构，都由于土层液化造成了不同程度的破坏。 饱和砂土在地震作用下会丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态而产生液化。 液化场地地下结构物在覆土较浅区破坏会更加严重。如1 9 6 4 年日本大地震引起 大面积砂土液化，原在土中的污水池，地震后浮出地面l o 英尺1 2 1 。1 9 9 5 年阪 神地震中，地下隧道覆土较浅( 2 3 米) 区段约9 2 0 根中柱上下端部的混凝土 保护层脱落l l j ，在线路内随处可见脱落的混凝土土堆。 地震砂土液化还可导致地下结构严重的不均匀沉降。阪神地震现场调查表 明隧道区间段接缝部位因场地土液化造成在纵向上有不均匀沉降：且地下管道 破坏因地基液化、沉陷产生的占大多数，其中，口径小于2 0 0 毫米的地下管道 占8 0 以上i 。 随着我国工业化的快速发展，人口高度城市集中化。修建各种浅埋式的城 市隧道和地下构筑物在未来必将呈现急剧增长的趋势。据光明日报报道【3 】：在 第十个五年计划中，政府将投资至少2 0 0 0 亿元用于地铁项目。而且，沿海发达 城市都在积极兴建地下商城，地下停车场等地下工程。地下结构对于缓解人口 增长、城市环境的压力和威胁起到了重要的作用。而地下工程多分布在饱和土 体地区，若遭受强震，极易诱发地震液化灾害，可造成巨大经济损失和人员伤 亡。故液化场地地下结构物的抗震研究对于保护人民的生命财产安全，确保重 要生命线工程和地下工程的安全运行具有很重要的社会和经济意义，是一个重 要的且亟待解决的问题。 1 2 国内外液化场地地下结构物抗震性能数值仿真研究现状 1 2 1 地下结构抗震性能数值仿真研究现状 自6 0 年代计算机及有限元等数值方法问世以来，土一地下结构相互作用问 题迅速得到广泛和深入的研究，现已发展到各类复杂形状的结构与地基、各类 地基介质特性、各类波场作用下的地下结构动力相互作用问题，研究成果也为 各种工程，包括核电站、海洋平台、高层建筑、地下工程等的抗震设计提供了 科学依据。 地下结构物数值研究方法主要有有限元法、有限差分法、离散元法、边界 2 元法和杂交法等。 有限元法对体系只作较少简化，将整个土一地下结构体系进行有限元离散 化，计算动力反应，能够较大程度地反映系统的真实情况。既可用于研究地下 结构的地震响应，也可用于考察相互作用对土层地震响应的影响。使用时域有 限元法，能得到整个过程中计算对象的运动随时间的变化情况，还可以考虑土、 结构的非线性特性，是目前研究土一地下结构相互作用问题最有效的手段之一。 d h a w a n k 等 4 1 对地下结构的开挖进行了有限元分析。k r a u t h a m m e r 等【5 】采用有 限元方法研究了土一结构接触面对地下混凝土结构的动力响应的影响。车爱兰 等嘲以1 9 9 5 年日本阪神大地震中遭受严重破坏的神户大开地铁车站为对象，进 行一系列的模型振动试验和动力有限元分析。林利民等【7 】通过有限元分析，比 较了土一地下结构相互作用分析中埋深、土层分布和结构类型等因素对地下结 构抗震性能的影响。刘如山【s 】应用有限元动力分析法分析了地下结构与土体滑 移的问题。李栳等p j 采用有限元动力时程分析法对一双层地铁车站进行了地震 反应分析，得出地震引起的地基变形是影响地下结构动力反应的决定性因素。 常虹【l0 】采用有限元方法对地下结构在地震波单向激励和双向激励下的动力响 应进行了反应分析，并讨论了惯性力及结构刚度的改变对地下结构动力响应的 影响。陶明星t ”j 采用有限元方法分别对自由场、土一地下结构动力相互作用体 系、不考虑覆盖土层约束作用的土一结构体系在不同地震波输入下的地震响应 进行了分析比较。 有限差分法为反映有限计算域对计算区域的作用，需要引入人工边界。国 胜兵等l i2 j 用有限差分法对地下结构在竖向和水平地震荷载作用下的动力响应 进行分析，得出了竖向地震荷载对地下结构的破坏有重要影响的结论。陶连金 等u 3 采用有限差分法对地铁车站的开挖过程设计方案进行模拟，分析了开挖后土体和 支护的受力情况。 离散元方法是c u n d a l l 在2 0 世纪7 0 年代初提出的。张丽华等川采用动力 离散元法分析了大型地下洞室群在地震作用下的动力响应，认为地下结构并不 能完全免于震害，高烈度地震对于节理岩体中的地下结构有明显影响。陶连金 u 4 j 等采用动力离散元法对一个大断面地下洞室在地震荷载作用下的动力影响 及围岩稳定性进行了分析。 边界元法自动满足远场的辐射条件，无需引入人工边界，同时能把一个二 维或三维积分问题变成一个一维或二维积分问题。m a n o l i s 等【l 】采用时域边界元 方法对地下结构与围岩相互作用进行了研究。张楚汉等i ”】等采用时域边界元方 法对某电站地下厂房在地震波作用下的动力响应。 有限元法、有限差分法和离散元法在解决几何形状复杂和非均质、非线性 问题方面比较优越，而边界元法在解决均质、线性无限和半无限介质问题方面 比较优越，所以研究人员开始采用耦合法或杂交法。金峰等1 1 6 】利用离散元一边 界元耦合模型对溪洛渡工程地下厂洞室群静、动力响应进行了分析，对离散元 模拟地下结构的些闯题进行了探讨。曾三平等i 】采用时域边界元一菲线性动 力有限元耦合方法对地下结构与周围介质动力相互作用进行了研究。 另外，还出现一些在地下结构领域有很好前景的新的数值方法【1 3 】，如流形 元法。数值流形法以拓扑流形学为基础，应用有限复盖技术，包融和吸收了f e m 和d d a 两法的优点，在分析域内各物理复盖上建立通用的复盖函数，并以加 权求和形成总体位移函数，从而可把连续与非连续变形耦合、静态与动力交叉 问题等统一起来分析研究。 1 2 2 强震条件下液化土一地下r c 结构物相互作用国内外研究现状 建于可液化土层中的地下结构，在强震作用下土层的液化将可能对地下结 构造成极大的破坏作用。t e t s u y a 1 9 】等基于震动台试验和离心试验对液化引起地 下结构的上浮进行了分析研究。t a m a r i 和t o w h a t a 2 0 】研究了考虑回填土液化时地下 结构的土一结构相互作用问题。余才高【2 1 1 采用铁路工程抗震设计规范、动三轴试 验及有效应力的理论分析相结合的方法，对南京地铁地基土7 度地震情况下的 土层液化情况进行分析。朱永生f 2 2 1 分析了地下水对隧道地震响应的影响，讨论 了隧道施工后地下水位的上升对地基和隧道动力响应的影响。以上对地下r c 结构物的研究采用的均是总应力分析法，计算中没有考虑孔隙水压变化和砂土 地震液化的影响。汪明武等【2 习基于动态土工离心试验和有效应力分析法探讨了 强震作用下核电站地下结构物的破坏机制和液化土一结构物相互作用机制，并 对比分析了非液化场地和液化场地中的底部固定的地下结构物的抗震性能特 征。目前，国内外考虑地震液化地下结构的抗震研究并不是很多。 1 3 主要研究内容及研究方法 1 3 1 研究内容 论文采用有效应力动力分析法以探讨考虑液化上浮特征的地下r c 结构的 地震响应特征和液化土一结构物动力相互作用机制问题。即基于多重剪切机构 塑性模型，探讨液化土一地下r c 结构物动力相互作用体系的数值分析模型， 进而进行数值仿真和综合分析，以揭示强震荷载作用下考虑液化上浮的r c 结 构物的破坏机制。以及液化土一结构物的动力相互作用机制。本论文主要研究 内容有： ( 1 ) 研究地震作用下，液化土体和地下r c 结构物的响应特性，分析土体 与r c 结构物的位移、加速度、孔隙水压力等分布规律； ( 2 ) 研究不同埋深和底部边界条件下地下r c 结构侧壁位移、曲率、弯矩 分布规律，侧壁的动力压力规律，分析地震强度不同对侧壁破坏的影响规律。 l ( 3 ) 探讨r c 结构顶板与其上部土体的相对位移分布规律，土体残余变形 规律，土体液化对于不同埋深的r c 结构的上浮作用，以揭示液化土一r c 结构 物相互作用机制。 ( 4 ) 研究不同埋深条件下，r c 结构顶板土体中超孔隙水压力分布规律，土 体加速度放大系数规律和地下r c 结构加速度放大系数，总结规律，以便为抗 震设计提供参考和建议 建数值仿真试验模型 l ijll i 模型a 膜型b 1 ，b 一2 娅 l 模型d i 畔埋深3 4 3 5l r c 埋深6 8 7l ( r c 埋深1 3 7 4 瞄c 底部土层) 陋底部土层)p 底部基岩) i 牛 i 数据轱理与后处理 i i 生成表格图形处理 i 1 l 分别总结规律 士一地下结构相互作用分析 商内向蓟南 lj rlll1ll 1 l r c 结构r c 结构r c 结构侧 液化土 r c 结构土体残r c 结构 超孔隙 土体放 侧壁水侧壁曲壁动土压一结构加速度余变形物上浮水压力 大系数 平位移率比较力比较 物相互 放大系 比较分位移比比较 的比较 及变形作用比数比较析较 分析 比较 较 图l 一1 研究路线示意图 1 3 2 研究方法 本文应用动力有效应力分析方法，建立四个有限元数值仿真试验模型，以 探讨液化土一地下r c 结构体系在地震荷载作用下的响应特征，分析不同模型 中土与地下r c 结构物之间的相互作用规律，并总结和对比分析各模型的数值 仿真结果，揭示液化场地地下r c 结构的地震响应规律和破坏机制。具体研究 路线如图1 1 所示。 6 第二章动力有效应力分析程序f l i p 简介 2 1 动力有限元方法概述 有限单元法由美国的克拉夫( c l o u g h r w ) 在1 9 6 0 年首先提出，基本思路 是将求解域划分为一系列单元，单元阅仅靠节点连接，根据平衡关系或能量关 系建立节点量之间的方程式，将各个单元方程“组集”在一起形成总体代数方程 组，计入边界条件后对方程组求解。当今，有限单元法在各个领域得到广泛应 用，面向工程的通用有限元程序也有几百种，如a n s y s ，p s t r a n 、a d i n a 等， 但它们为通用程序，很难满足实际专业和工程问题的要求。有限元法计算过程 通常包含的模块如图2 一l 所示。 图2 - i 有限元法计算过程和组织模块示意图1 近二十年来，随着土动力学理论和计算机技术的迅速发展，动力有限元分 析方法发展很快，已从最早的线性总应力法，逐步发展到非线性有效应力分析 方法，以及可考虑水土耦合作用的复杂弹塑性模型动力分析方法，从只能分析 一维问题发展到能够分析二维、三维问题。动力有限元分析法的总体思路和静 7 力情况基本一样，不过由于动荷载与时间有关，相应的位移、应变和应力都是 时间的函数，故在建立单元体的力学特性时，还需要考虑动荷载以及惯性力和 阻尼力的作用。目前对计算区域的离散，通常在空间上将土体离散成等参单元， 而在时间域离散上采用差分格式。在引入这些量的影响之后，就可以建立单元 体和连续体的动力方程，然后采用适当的动力计算方法进行求解【2 4 1 。 2 2 动力有效应力分析程序f l i p 简介 f l i p 程序是i a i 等基于多重剪切机构塑性模型和液化前缘面概念开发的有 效应力分析程序，它是针对地震液化对机构物影响的非线性动力分析程序，程 序可以逐步分析地震前后结构物破坏整个过程，从而能正确评价结构物抗震稳 定性，能呈现地震液化发展趋势可能程度的应力路径，以及地震作用下土体的 变形和孔隙水压力的发展过程，该程序在诸多大地震的水工结构物、岸堤、桩 基础、地下结构物等震害的解析应用中取得了很好的效果【2 5 ，3 0 ，3 2 3 3 1 。 f l i p 程序地震数值仿真一般分两个步骤进行，即静力分析和动力分析。具 体步骤如下： ( 1 ) 建立有限元数值分析模型。主要包括网格划分，定义单元类型，单元特 性，材料特性，定义地下水位线，定义输出节点、输出单元。f l i p 程序可定义 多种单元类型，如桩、板，土等等。可设置地下水位线，以考虑地下水的作用。 f l i p 程序还可根据需要设置输出的节点和输出单元。 ( 2 ) f l i p 程序解析。生成f l i p 程序计算输入文件，进行静力分析，进行动 态分析。f l i p 程序解析内容还包括定义边界条件，输入地震波，确定动力方程 的计算方法。f l i p 程序设置边界条件很简单，可根据需要确定模型的边界条件， 边界条件可设定为自由边界，固定边界及粘性边界等。 ( 3 ) 计算结果整理与处理。指计算获得的数据，进行后处理和图形整理、动 画输出。 图2 - 2 固体和流体接触面汹1 2 。3f l i p 分析程序的运动方程 f l i p 动力有效应力分析方法是建立在z i n e n k i e w i c z 两相耦合理论基础上 的。由平衡方程、物理方程、本构关系和连续方程，以及边界条件和初始条件 构成动力固结方程【2 鼻33 1 。为了考虑地基、结构与流体的相互作用，将流体模拟 为不可压缩。根据固体与流体的接触面上的平衡和连续条件( 图2 - 1 所示) ，由 固体加速度产生流体的惯性力应与孔隙水压力的导数应保持一致，则 塑：一p 算( 1 ) 砌。甜 式中，以是位移的法向分量。z i n e n k i e w i c z 根据上水压力分布的控制微分方程 推导了流体的质量矩阵。 有限元离散后的控制方程组可表示如下， ( m + 刖1 4 ) o + c u + 肛7 0 d v = 朋形。+ 易 ( 2 ) 式中，u 为构造节点位移向量；膨为质量矩阵；c 为阻尼矩阵；赋为基岩地 震加速度向量；陋7 0 d v 为非线性材料单元的节点力向量；耳为表面力荷载向量： m 为流体附加质量矩阵，删= 一二，雕，；日为反映流体压力分布的函数 风 。 矩阵；为动水压力增量矩阵。 2 4f l i p 分析程序的士体本构模型 2 。4 1 饱和土体动力本构模型概述 土体的本构模型是土动力学研究的核心问题，它是表征土体的动力学特性 的基本关系【2 6 2 8 1 。饱和士体动力本构模型是准确反映土体在动荷载作用下的动 力特性的关键，它对计算结果的正确性具有重要的影响。目前饱和土体动力本 构模型大致可以分为粘弹性模型和弹塑性模型两大类。下面就对此两类模型作 一简介。 ( a ) 粘弹性模型 自s e e d 提出用等价线性方法近似考虑土体的非线性以来，粘弹性理论已有 了较大的发展。粘弹性动力本构模型由骨干曲线和滞回曲线构成。骨干曲线表 示最大剪应力与最大剪应变之间的关系，反映了动应变的非线性；滞回曲线则 表示某一个应力循环内各时刻剪应力与剪应变的关系，描述卸载与再加载时应 力一应变的规律，反映了应变对应力的滞后性，两者共同反映了土体应力一应 变关系的全过程。 在土体的动力反应分析中，常用的粘弹性模型有等效线性模型和曼辛 ( m a s i n g ) 型非线性模型两大类。等效线性模型把土体视为粘弹性材料，不寻求 滞回瞳线的具体数学表达式，不建立具体的应力一应变关系，而是给出等效弹 9 性模量和等效阻尼比随剪应变幅值和有效应力状态变化的表达式。 h a r d i n - - d r n e v i c h 双曲线模型、r a m b e r g o s g o o d 模型、双线性模型及一些 组合曲线模型均属于等效线性模型 2 6 1 、曼辛型非线性模型则根据不同的加载、 卸载和再加载条件直接给出动应力一应变的表达式。在给出初始加载条件下的 动应力一应变关系式( 骨干曲线方程) 后，再利用曼辛二倍法得出卸荷和再加荷 条件下的动应力一应变关系，以构成滞回曲线方程。 ( b ) 弹塑性模型 土的弹塑性模型建立在弹性理论和塑性增量理论基础之上，它将土的应变 分解为可恢复的弹性应变和不可恢复的塑性应变，并分别由弹性理论和塑性增 量理论计算。土的塑性增量理论通常由屈服面理论、流动法则和硬化规律组成。 它们分别规定了塑性应变增量的产生条件、方向和大小。弹塑性模型在理论上 更为严密，适用条件更为广泛，而且能够反映土体较为复杂的各向异性、剪胀 性等力学特性，对于描述复杂加载条件下的变形与破坏机理具有极大的潜力。 由于工程实践对饱和砂土动力特性研究的迫切需要，自上世纪7 0 年代以来， 对饱和砂土弹塑性模型展开了较为广泛的研究。研究途径主要有两类，第一类 为仍采用单调加载条件下所建立的模型，仅选用较为复杂的硬化规律。这类模 型与饱和砂土的实际性状之间有较大差距。为克服帽子类模型具有两个不同的 屈服或破坏面从而使两个屈服面存在的奇异点给数值计算带来的不便，d e s a i 提出了单一屈服面的d e s a i 模型1 2 9 1 ，后来又发展成为可以考虑非等向硬化、非关 联流动甚至可以考虑损伤的系列模型。第二类为以其它形式的塑性理论为基础 所建立的模型，如采用塑性模量场理论、边界面理论、基于多机构概念的塑性 理论等。基于这几种理论的塑性模型代表了目前循环荷载作用下土的本构理论 研究的现状和水平【2 ”。 2 4 2 多重剪切机构塑性模型 f l i p 程序的土体本构模型为基于多机构概念的塑性模型。多机构概念是由 m a t s u o k a 和a u b r y 提出来的，后来的一些学者，如t o w h a t a 、i s h i h a r a 、k a b i l a m a n y 、 p r e v o s t 、p a s t o r 、z i n e n k i e w i c z 、c h a n 、i a i 、a k i y o s h i 等人采用多机构概念分别 建立了多种新颖的描述循环加载条件下砂土动本构特性的塑性模型【2 6 , 2 7 , 2 9 。i a i 等人将土体复杂的机理分解为体积机理和一系列简单的剪切机理，建立了一种 能够模拟土体初始各向异性作用，并能考虑周期加载过程中动主应力轴方向偏 转的影响以及液化时剪切大变形的多重剪切机构模型 2 5 , 3 4 】。从实例验证的结果 来看，该模型对饱和砂土循环加载动力特性的模拟效果非常满意f 3 们。 多重剪切机构塑性模型的有效应力和应变张量表示如下， 一 4 = ，盯；， ( 3 ) 斜。= 毛，o ，岛 ( 4 ) l o 本构关系的基本形式可表示为， d o = f d 】( 如 一 呜 ) 中多重剪切机理方向矢量可表示为： 力o ) 7 = c o s q t o s s , s i n 0 ， o = 1 2 ，- d 式中：只f f i ( i - 1 ) a eo = l ，2 ，) e = 霄l n 8 x 一8 y 曩圈j 压缩剪切：z ：l 简单剪切 图2 - 3 多重剪切机构塑性模型示意酣”1 ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) 图2 3 是多重剪切机构塑性模型示意图，实线表示的一对圆反映压缩剪切 机理，虚线表示的一对圆反映简单剪切机理。加载和卸载准则根据 ” 。 d c 的 符号分别由每个虚拟简单剪切机理确定。由于多重剪切机理特性，该模型能够 模拟考虑各向异性固结周期特性的主应力轴方向偏转的影响。模型中共有l o 个参数，其中反映土的弹性特性的有初始剪切模量和体积模量g 0 和配，反映土 的塑性剪切特性的有摩擦角矿，和相变位角及衰减因子巩。，反映土的剪胀 特性有5 个参数s ，p 1 ，n 和c l 。所有参数可根据现场波速试验和室内三 轴试验结果确定。 假设塑性体积应变f 为塑性剪切功的函数【2 7 1 ，在瞬时荷载和周期荷载作用 下，每一变形阶段的塑性剪切功增量为 a r e , = d 一c l d 阡2 ( 1 1 ) 式中，吸为总剪切功；既为弹性剪切功；岛为定义孔隙水压力产生门槛值的 参数，将形累积塑性剪切功归一化， w=形，(12) w ：= o o 2 ( 1 3 ) o = ( _ o ) s i n e ：0 4 ) o=靠ogo(15) 瓯。= 瓯。( 吒o ，“) ” ( 1 6 ) 式中，瓯为o ，= 时的初始剪切模量，液化面参数s 由归一化塑性剪切功 来计算， 岛= 1 - 0 6 ( ) n ( w w l ( 1 8 ) 式中，s ，w i ，p l ，p 2 表示无黏性土液化特性的材料参数。由液化面品和偏应 力比，r = ( 一一) ，( 一2 o f ) ，可以得到状态变量s ，s = 一o ，( 图2 - 4 ) 。 图2 4 液化面概念描述2 5 3 们 s = s o ( ， r 3 式中，吃= 岛；r 3 = m 3 s o ；岛- - - s o 一一弓) ，哟；强为破坏线斜率， 鸭为相变线斜率( - - s i n 衫) ；m 3 = o 6 7 。 最后，由状态变量s 计算塑性体积应变o ， = ( 月，巧) ( 1 一印吒o ，+ r o - o s + ( 1 9 ) ( 2 0 ) 码2 s m 口，5 式中，席为土的孔隙率；巧为水的体积模量；为初始弹性体积应变，且 岛。= 1 d - 卅0 ，( 一b ) 】0 5 ；丑= 【o 5 9 , ( 一a 0 ) 0 5 】2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第三章液化场地地下r c 结构物抗震性能的数值仿真模型 本章基于饱和土有效应力分析原理，建立了土一地下r c 结构动力相互作用 的有限元数值仿真模型，即应用非线性有效应力分析程序f l i p 对液化场地和地 下r c 结构物的地震响应特征进行数值仿真，以探索液化土一地下r e 结构物动 力相互作用机制。 依据简单到复杂的研究路线，数值仿真模型中