某核电站导流堤地基液化及地震永久变形分析

2011-01-27王桂萱周金领

地震工程学报 2011年1期

赵杰，郑洋，王桂萱，周金领

（大连大学土木工程技术研究与开发中心，辽宁大连 116622)

0 引言

液化是一种主要的地基基础震害。地震时场地液化现象属于广义的土-结构物的动力相互作用问题，是一个涉及土动力学、结构动力学、非线性振动理论、地震工程学、岩土及结构抗震工程学、计算力学及计算机技术等众多学科的交叉性研究课题，也是一个涉及非线性、大变形、接触面、局部不连续等当代力学领域众多理论与技术热点的前沿性研究课题[1]。

在地震反应分析中，大多采用总应力分析法，但总应力法没有考虑平均法向有效应力的减少对剪切模量的影响，而且不能求出地震过程中孔隙水压力的增长规律和液化随着时间的发展过程[2]。有效应力与总应力法不同的地方就是考虑振动孔隙水压力的增长和变化过程。Finn等人首先提出在粘弹性模型基础上进行有效应力动力分析，但只限于一维的地基水平振动；沈珠江院士把它推广用于二维问题的分析[3]；汪闻韶[4]、谢定义等人[5]将孔压与某种应变（如体应变、剪应变）结合起来，建立了孔压的发展模式；Ishihara等[6]提出了孔隙水压力发展的有效应力路径模式，能清晰地反应出砂土从振动到液化的所经历的应力路径。有效应力动力分析方法是在有限单元法的基础上，分时段将以Boit理论为基础的静力计算和以等效线性理论为基础的理论计算结合起来进行分析，其中考虑到了振动引起的孔隙应力的增长、扩散和消散作用[7]。这种方法在计算结果更合理，也能真实的反应出土的特性。

本文基于沈珠江院士提出的二维有效应力动力分析方法，结合Biot动力固结理论，采用自行开发的有效应力动力分析程序分析某核电站导流堤地基砂土液化问题，计算其永久变形，并给出相应的加固措施。

1 动力计算理论

1.1 基本理论

有效应力方法的基本思想是把整个动力作用过程分成若干时段(例如对于地震过程分10～20时段，每时段1 s左右)，每个时段的动力分析仍按Wilsonθ法进行，但算完后尚须按某一经验公式计算该时段内各单元的残余变形或孔隙压力的增加，并把它们转化成初应变或初应力后按Biot固结理论进行静力计算，得出结点位移、单元应变和有效应力的变化。如此一个时段一个时段地进行计算，得出整个过程中动应力应变及有效应力(孔隙压力)和残余变形的发展过程。

1.2 计算模式

本次动力计算采用沈珠江院士推广的一般情况下的等价粘弹性模型。某一荷载循环下的动剪切模量 G、阻尼系数λ、残余体应变增量Δε及残余剪应变增量Δγ按以下公式计算：

式中参数k1、k2和λmax通过共振柱或动三轴的模量试验测定；参数 c1、c2、c3、c4、 c5则通过常规的动三轴液化试验测定。

2 工程概况与抗震设计

2.1 工程概况

导流堤长2 063.1 m，堤顶高程为4.40 m，堤顶宽度为5.5 m。堤心采用1～500 kg开山石，堤身采用爆破排淤填石法成堤，外坡、内坡坡度1：1.5。为防止堤前波浪底流速的冲刷作用，堤内、外侧抛填100～150 kg块石护底。北导流堤根部约400 m范围兼作取水头部干施工围堰，打设0.8 m厚柔性地连墙做防渗结构。取水明渠导流堤地基土上存在较厚的粉砂层。图1为导流堤剖面图。

图1 取水明渠导流堤剖面图Fig.1 Cross section of the diversion dike.

2.2 抗震标准

厂址的抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为 0.10 g。根据《核电厂抗震设计规范》(GB50267-97)[8]，取水明渠导流堤确定为非核安全级、抗震Ⅲ类物项，抗震设计按港工构筑物抗震标准设计。考虑到导流堤的重要性，采用极限安全地震动SL-2进行抗震检验。抗震设计遵照《水运工程抗震设计规范》(JTJ225-98)[9]有关规定。本次计算在SL-2级地震动作用下，计算导流堤地基液化及永久变形。