人工岛余震再液化数值模拟研究①

胡记磊， 唐小微， 张西文

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学土木工程学院岩土工程研究所，辽宁 大连 116024)

人工岛余震再液化数值模拟研究①

胡记磊1，2， 唐小微1，2， 张西文1，2

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学土木工程学院岩土工程研究所，辽宁 大连 116024)

主震结束后，余震引起的再液化会对土工结构物带来进一步的严重灾害。以人工岛为研究对象，基于FE-FD耦合有限元方法，考虑有无余震、不同余震大小和主余震不同时间间隔因素，探讨对人工岛再液化灾害的影响规律。研究结果表明：主震结束后，随着超孔隙水压力的消散，人工岛砂土层液化区域逐渐减小，余震发生时液化区域又开始扩展，甚至可能大于主震结束时的液化区域面积，且其灾害程度比无余震发生时的要大得多；随着主、余震的时间间隔增加，间隔期的土层固结排水很大程度地提高人工岛的抗再液化能力，当超孔隙水压力消散完后，在相同余震等级情况下很难再次达到完全液化；随着余震峰值加速度的增加，人工岛的沉降量和水平侧移量都随之增加，再次液化时间点会向前提前数秒，主震结束后，随着土层的固结排水，人工岛的沉降会继续增加，甚至超过主震引起的沉降量，而水平侧移的产生主要发生在地震液化过程中，在后续的固结排水中几乎不变；余震发生前，如果人工岛的砂土土层仍处于液化状态，则液化层可能会起到隔震作用，减轻余震对岛体造成的灾害。

人工岛； 再液化； 余震； 水平位移； 沉降； 灾害

0 引言

图1 主震、余震液化范围对比[3]Fig.1 Comparison of liquefaction ranges in main shock and aftershock[3]

人工岛是在近海岸填筑起来的陆地，在地震或波浪荷载下容易引起岛体的回填砂或海床下部砂土层超孔隙水压力迅速聚集产生液化，进而对岛体上部结构产生影响。1995年日本阪神发生了MS7.2地震，Port和Rokko人工岛填土大面积液化，导致大量港口设施与建筑物严重破坏[4]，海岸线向海移动2～3 m、地表下沉约1 m。人工岛的抗液化设防非常重要，但现有抗震设计只考虑单次抗震设防情况，对余震设防考虑不足。由于地震发生后的相当长时间内仍有可能发生较大的余震，强余震所带来的累计震害效应会进一步造成人员伤亡和财产损失。因此，本文采用循环弹塑性本构模型，以有限元-有限差分(FD-FE)耦合方法考虑有无余震、余震强度和不同主余震间隔时间对近海人工岛的震害进行模拟分析。

1 数值方法

Akai和Tamura[14]于1978年提出了一种FD-FE 耦合方法，并将其应用于饱和土体的分析中。随后Oka等[15]采用无限小应变假定将该方法扩展至饱和砂土动力液化分析中，并考虑了非线性移动硬化准则及塑性剪切模型的应力-剪胀特性关系和应变依赖特性，提出了一种有效循环弹塑性本构模型来模拟土体的液化过程。该本构模型的基本假设和其他弹塑性本构模型基本相同，不同之处在于它采用的是黏塑性非关联流动法则，其屈服函数与势函数不一致。Osamu Matsuo等[16]基于一系列含有可液化砂土层的土坝动力离心机试验试验结果及1993年Hokkaido Nansei-oki地震中土坝地震破坏实例验证了该本构模型的正确性和有效性。

2 人工岛模型及地震波

某人工岛断面简化模型如图2所示，为了消除边界效应，在该模型两侧再分别增加长为100 m的超长单元。模型网格全划分为四边形单元，单元总数为8 273，节点总数为8 519。主要计算参数见表1。模型底部采用完全固定的不排水边界，两侧采用水平固定、竖向自由的不排水边界条件，海床面为自由排水边界。本算例主震峰值加速度为0.3 g，持续时间为21 s，余震峰值加速度分别为0.1 g、0.05和0.01 g，持续时间都为21 s。主震和余震间隔时间分别为60 s、3 600 s、86 400 s和259 200 s。计算工况见表2所示。工况1～工况4保持主、余震的峰值和持续时间不变，改变其主、余震的间隔时间；工况5～工况8只有主震发生，采用不同液化后的固结持续时间与相应有余震的工况进行对比；工况9和工况10的主震波相同，改变其余震峰值加速度大小，对比不同余震对人工岛再液化的影响程度。其中工况2的地震加速度时程曲线如图3所示。在有限元计算过程中采用多步长分段计算，主震和余震计算增分采用0.001 s，中间间隔时间内的超孔隙水压力消散计算增分采用1 s。

图2 某人工岛断面图(单位：m)Fig.2 Cross-section diagram of an artificial island (unit: m)

3 计算结果分析

3.1 超孔隙水压力比

工况2中人工岛在主震结束时、余震开始时和余震结束时的超孔隙水压力比对比云图如图4所示。主震结束时砂土层完全液化，随着超孔隙水压力的消散，液化区域逐渐减小，当余震发生时液化区域又开始扩展，甚至大于主震结束时的液化区域面积。

人工岛在不同时间间隔情况下单元B的超孔隙水压比(EPWP)对比如图5所示。图5(a)中间隔时间较短，为60 s，由于超孔隙水压力来不及消散，余震发生时土层将持续保持完全液化。但随着间隔时间的增长，超孔隙水压力开始逐渐消散，在图5(b)中，虽然人工岛仍然处于液化状态，但其砂土层的超孔隙水压力比在1小时内降低了0.1，随后在余震的作用下又再次达到完全液化。当超孔隙水压力小于0.7时砂土层开始不液化[17]，图5(c)中的人工岛砂土层已经不处于液化状态。当时间间隔达到3天时(图5(d))，人工岛砂土层的超孔隙水压力已基本消散，当在相同的余震大小作用下砂土层未达到完全液化状态，这说明当液化后的人工岛在长时间的固结沉降后，其抗液化能力得到了一定提高，在小余震作用下很难再次达到完全液化。当余震大小不同，其他条件相同时，单元B的超孔隙水压力比会随着余震大小的增加而增加，再次液化时间将有所提前，如图6所示，余震峰值加速度为0.1 g时砂土层液化时间比余震峰值加速度为0.01 g时的液化时间要早约5 s。

表1 模型材料参数

表2 模型工况表

注：表中“-”表示无余震

图3 地震波加速度时程曲线Fig.3 Ground surface acceleration time-history curve of seismic wave

图4 工况2的不同时刻液化云图(局部放大)Fig.4 Cloud diagram of soil liquefaction at different time in case 2 (partially enlarged)

图5 不同间隔时间的超孔隙水压力对比图Fig.5 Comparison of EPWPR at different interval time

图6 不同余震大小的超孔隙水压力对比Fig.6 Comparison of EPWPR at different scales of aftershock

3.2 人工岛沉降及水平侧移

人工岛在有无余震和不同间隔时间情况下节点A的沉降量对比如图7所示。从图中可以明显看出有余震发生时，人工岛沉降量要比无余震时大得多，余震引起的沉降量随主、余震时间间隔长短而不同，有可能比主震引起的沉降要大，如图7(d)，排水固结引起的沉降量大约达0.7 m，此值略大于主震液化引起的沉降量，因此液化后土体的流动和固结造成的破坏不容忽视。图7(a)、(b)中人工岛砂土层的超孔隙水压力比大于0.7，所以土层仍处于液化状态，图7(a)中余震引起的沉降明显小于图7(b)，这可能是因为当余震发生时，处于液化中的砂土层起到了隔震作用，吸收了部分余震能量，减轻了上部结构的破坏，液化引起的地基失效和隔震作用是同时起作用的[18]。图7(c)、(d)对应的工况中砂土层随着超空隙水压力的消散已经不处于液化状态，随着土层排水固结，余震引起再次液化相对困难，而且引起的沉降量也会有减小。

人工岛在有无余震及不同间隔时间情况下节点A的水平侧移对比如图8所示。从图中可以明显看出有余震发生时，人工岛的水平侧移量要比无余震时的大得多。岛体的水平侧移量在主震结束后的短时间内会略有增加，但不会随着后续的土层固结排水而继续变化。在余震过程中不同间隔时间对人工岛水平侧移的影响规律和图7中沉降规律一致，在此不赘述。

当主余震间隔时间为86 400 s，仅余震大小不同时，余震大小对人工岛再液化的沉降量和水平侧移量对比如图9所示。从图中可以看出随着余震峰值加速度的增加，人工岛的沉降量随之增加。而人工岛水平侧移在余震为0.01 g时，由于余震震级较小，此时液化区域非常小，在地震的作用下砂土层以上土体整体向右侧移动，随着余震震级的增加，砂土层液化区域逐渐扩展至完全再次液化，此时会在砂土层形成一个滑移面，其上土层在后续余震的负加速度(方向向左)的运动趋势下，向左侧发生“有限”流滑，造成地基土层大面积错移，进而对人工岛造成整体液化破坏。

4 结论

本文通过FE-FD耦合有限元方法，探讨了有无余震和不同余震大小因素对人工岛液化灾害的影响。初步结论与建议如下：

图7 有无余震及不同间隔时间沉降对比Fig.7 Comparison of settlements at different interval time with aftershock and without aftershock

图8 有无余震及不同间隔时间水平侧移对比Fig.8 Comparison of horizontal displacements at different interval time with aftershock and without aftershock

图9 不同余震大小沉降与水平侧移云图Fig.9 Cloud diagrams of settlement and horizontal displacements at different scales of aftershock

(1) 有余震发生的人工岛要比无余震的震害大得多，所以人工岛的抗震设防不应该只考虑单震设防。

(2)主震结束后，由土层排水固结引起的沉降量也相当大，对于松散的土体而言，其固结沉降量甚至可以超过主震引起的沉降量，而水平侧移的产生主要发生在地震液化过程中，在后续的固结排水中几乎不变。因此，在地震发生后，土层排水固结的过程中应尽早进行液化处理，以减小后续灾害。

(3) 随着余震峰值加速度的增加，人工岛的沉降量和水平侧移量都随之增加。在余震发生时，若土层仍处于液化状态，则液化土层可能会对上部结构产生隔震作用，减小余震对岛体造成的灾害。对于这种隔震现象具体在什么情况下发生，还有待进一步研究。

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Numerical Simulation Study of Re-liquefaction of Artificial Island Induced by Aftershocks

HU Ji-lei1，2， TANG Xiao-wei1，2， ZAHNG Xi-wen1，2

(1.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116024，China；2.InstituteofGeotechnicalEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116024，China)

Re-liquefaction induced by aftershocks causes serious hazards on soil structures after the end of the main shock.In this study，the influences of aftershocks on an artificial island are discussed based on the FE-FD coupling finite element analysis method at different scales of aftershocks and interval time between the main shock and aftershock.The results indicate that with dissipation of excess pore-water pressure after the main shock，liquefied areas in the sand layer of the artificial island gradually decrease；however，the liquefied areas expand rapidly when an aftershock occurs，and can possibly be larger than the liquefied areas induced by the main shock；the extent of damage to the artificial island is much worse when an aftershock occurs than when it does not.The increasing of the interval time between the main shock and aftershock results in the drainage consolidation during this time significantly improving the ability of the artificial island to re-liquefy；thus，full-scale re-liquefaction in the artificial island is difficult when the excess pore-water pressure entirely dissipates.Settlement and horizontal displacement of the artificial island increases with increase of the peak acceleration of the aftershock and the liquefaction point-in-time of the sand layer occurs a few seconds early.After the main shock，with drainage by consolidation in the soil，settlement of the artificial island continues to increase，and is even larger than the settlement induced by the main shock，but the horizontal displacement barely changes.Before the aftershock，if the sand layer of the artificial island is still liquefiable，the sand layer may play a role in seismic insulation and reduce the hazards caused by the aftershock to the artificial island.Therefore，it is necessary to consider multiple seismic fortifications during a period of time for offshore structures，especially for artificial islands.

artificial island； re-liquefaction； aftershock； horizontal displacement； settlement； disaster

2014-05-14

“九七三”国家重点基础研究发展计划项目(2011CB013605-2)；国家自然科学基金(51078062)

胡记磊(1986-)，男，博士生，主要从事土动力学和岩土地震工程研究.E-mail：ray_1986@163.com

TU43

A

1000-0844(2015)01-0403-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0403