地震荷载作用下筒型基础土体液化分析

丁红岩，王海旭，张浦阳

（1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津大学 滨海土木工程与安全教育部重点实验室，天津 300072；3.天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

地震荷载作用下筒型基础土体液化分析

丁红岩1,2,3，王海旭3，张浦阳1,2,3

（1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津大学 滨海土木工程与安全教育部重点实验室，天津 300072；3.天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

为给近海筒型基础的抗震设计提供参考，借助有限元软件ADINA，分析了地震荷载作用下筒型基础的土体液化分布．重点研究了基础内部及周围土体的有效应力、孔隙水压力和超孔隙水压力等的变化规律，分析中考虑了地震烈度对基础土体液化特性及筒内外土体沉降的影响．研究表明：基础上部荷载的压力及筒壁的环箍效应对保持土体的有效应力有一定的帮助，土体零竖向位移点的分布随地震烈度变化较小，但土体最大竖向位移点的分布随地震烈度不同存在较大差异．

筒型基础；地震液化；ADINA；有限元分析

0 引言

筒型基础广泛应用于海上风力发电结构基础，其所处环境极其恶劣，尤其当遭遇大强度地震荷载时，很可能导致饱和态砂土产生液化现象，进而导致筒型基础承载能力下降，甚至风电结构整体倾覆的现象．

土体液化本质是饱和土体由于外力荷载，使土体颗粒的惯性力之间存在差值，当该差值大于原有接触效应时，土体颗粒间便会发生滑移．由于饱和土体向外排水能力有限，孔隙水压力会不断增大，这直接导致部分土体颗粒悬浮于水中，土体颗粒间在失去有效接触的情况下，接触应力将至零，整体失去对基础的承载力[1-2]．这种状态的土体将具有流动特性，所以称该现象为土体液化．

目前对于土体液化定量研究，普遍采用以美国H.B赛德和I.M.伊德里斯[3-4]等人为代表的赛德-伊德里斯“简化方法”．该方法以有效应力原理为依据，若土体法向有效应力减为零时，即可认为土体失去抗剪切能力，发生初始液化．进而，动力荷载使土体液化的范围继续扩张，残余变形逐渐增大，直至土体发生整体破坏，或变形超过容许范围．确定土体发生初始液化的可能性及液化分布范围是本方法的研究重点，在此基础上，将发生液化的土体按照强度或刚度为零处理，进而分析土体总体的强度、刚度和稳定性．

本文以上述方法为理论依据，以海上风力发电筒型基础为研究对象，利用有限元软件 ADINA，比较分析地震荷载作用下的土体液化机理，选择合理的液化判别标准得出土体液化的范围，分析不同地震烈度下土体有效应力、土体竖向沉降及超孔隙水压力等参数的变化规律，结合理论对变化规律做出合理的解释．

1 模型本构关系

本研究对混凝土材料选取了GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[5]提供的本构关系，按下列公式确定应力-应变关系：

土质属于颗粒状材料，颗粒间的摩擦力构成其承载力的基础，土体应力和变形会受到颗粒间摩擦力的影响，故本文中用摩尔库伦模型[6]模拟土质的应力应变关系，其屈服准则关系式：

2 有限元模型信息

2.1 筒-土模型信息

本研究采用有限元软件ADINA对筒型基础进行二维建模研究．在研究土体液化过程中，土体是研究的重点，所以简化筒型基础上部结构为竖向荷载，施加于筒基顶面．本文假定饱和土体中，孔隙水不可压缩，土体仅微小形变[7-8]．通过观察有效应力分布实现判别，若土体有效最小主应力为0，则可认为土体已液化．

液化发生与土体性质密切相关，其中松散的砂土和容易发生液化．因此，本文选取砂土进行研究，筒-土接触处选取库仑摩擦接触，摩擦系数取0.4．筒体采用线弹性模型，土体尺寸足以消除用有限边界引起的边界效应．模型中限制土体两侧水平位移，固定底边，土体表面为排水．

模型基本信息如表1、表2，模型有限元网格模型如图1．

表1 混凝土参数Tab.1 Concrete parameters

表2 土质参数Tab.2 Soilparameters

图1 筒基与土体网格模型（非等比例尺）Fig.1 Meshmodelof bucket foundation and soil(unequalscale)

2.2 计算工况

本文在选用实际地震波记录，并根据规范选取相应地震设防烈度下的地震加速度，对实际数据进行折算，再施加到结构上．在简化后的模型中，筒顶荷载加载在筒顶面积上折算的均布压力为34.504 79 kPa，在一定程度上竖向荷载可减轻土体液化程度，所以，在动力分析前，筒顶施加均布荷载100 kPa．一次性施加全部均布压力，待静力分析结束，动力分析开始．在ADINA中以地震加速度的形式施加地震荷载，选取天津波分析，地震加速度时程曲线如图2．

图2 天津波地震加速度时程曲线Fig.2 Time-history curveof Tianjin earthquakeacceleration

3 液化判别

根据图3中云图可知，地震加载前7.73 s内，地震加速度对土体作用的影响较小，土体有效应力与位移改变较小，对称均匀，然而竖向荷载却对土体影响较为明显，土体震动中逐渐向下沉降．表面附近土体有效应力最小，仅223 N，暂未达液化状态．从7.73 s开始，地震加速度急剧增大，使应力和沉降不再具对称性．筒盖正下方土体受到筒壁环箍效应，振动幅度较小，使其最终竖向沉降值最大，约39.68 cm．土体有效应力因地震作用整体减小，筒内侧土体有效应力降低幅度巨大，临近筒壁部分土体发生液化现象．部分表面土体有效应力减为零，整体大量出现液化．

图3 不同加载阶段土体竖向位移、有效应力和超孔隙水压力Fig.3 Soilsettlement,effective stressand excessporewater pressure in different loading stages

由图3中曲线图可知：随土体深度增大，筒壁内外侧土体有效应力总体不断减小，孔隙水压力增大．在深度0～7m范围内，内侧与外侧土体的有效应力存在一定不同．原因分析：内侧土体受到筒壁的环箍作用，土体相互挤压使得筒内下部土体相对于相同高度的外部土体具有更大的有效应力，而这一挤压作用同时使得部分水被挤到内侧土体上部，在一定程度增大了筒内上部土体超空隙水压力，使筒内侧土体有效应力幅值出现在筒壁的一定高度处．

4 地震烈度对土体液化的影响

选取地震烈度为7度（0.15g）、8度（0.30g），相应的地震影响系数最大值分别取0.34m/s2、0.68m/s2．以下分析不同地震烈度下的土体动力性能，同时对重力造成的结构的动力性能变化忽略不计．

4.1 地震烈度对竖向沉降的影响

从图4中云图可知：地震烈度为8度时土体竖向沉降更大，但二者竖向沉降分布相似．烈度为7度、8度时的位移最大值分别位于筒体正下方和自由表面处．原因分析：随着地震烈度增加，地震荷载效应与均布荷载效应之比增大，地震烈度为7度时，均布荷载效应起主要作用；地震烈度为8度时，地震荷载效应起主要作用．

由图4中曲线图可知：在土体整体范围内所有深度处，地震烈度8度时竖向位移均比7度时大．位于交点深度以上的土体随深度增加，7度与8度间的竖向位移差逐渐减小；位于交点深度以下的土体随深度增加，7度与8度相比的竖向位移差逐渐增大．对同一处土体在不同地震烈度下的位移曲线均在一定深度处相交，且交点处竖向位移都接近于零．尽管零竖向位移的土体深度随距筒基的距离不同存在较大不同，但是这一深度数值随地震烈度的变化不大．

图4 不同地震烈度条件下的土体竖向沉降Fig.4 Soilsettlementunder differentseism ic intensities

4.2 地震烈度对有效应力及超孔隙水压力的影响

由图5中云图可知：不同地震烈度时，超孔隙水压力的改变趋势一致，最小值均出现在土体右上角，最大值位于土体左上角．原因分析：施加的地震加速度为水平方向，使最大值与最小值位于同一水平高度．

由图5c）、d）、e）可知：3组曲线在深度15～25 m范围内，均存在一个曲线交点．处于筒基内侧与外侧较近的土体，交点深度以上，地震烈度8度时有效应力较大；而交点深度以下，地震烈度7度时有效应力较大．距离筒基较远的土体，两种地震烈度下的有效应力关系与上述现象相反．原因分析：筒基附近土体，均布荷载作用效应较大，使得临近土体在较高地震烈度下反而保持了较大的有效应力，但却更大程度降低了深层土体的有效应力，而且使不同深度处土体存在更大的有效应力差．这增加了土体整体的不稳定性和筒基倾覆的可能性，使筒基抗土体液化能力降低．

由图5f）、g）、h）可知：不同土体深度处，地震烈度8度时孔隙水压力均比7度时大．水平向比较来看：筒体外侧较近土体，由于筒基下沉使筒端及斜下方土体往筒内挤压，使筒外侧附近土体受到近似浮力的作用，导致浅层超孔隙水压力较深层土更大．而距离筒体较远土体，表面土体中的孔隙水能及时排除，深层土中孔隙水不能及时排除，于是超孔隙水压力随深度增大．

图5 不同地震烈度下的土体有效应力及超孔隙水压力Fig.5 Soileffective stressand excessporewater pressureunder differentseism ic intensities

4.3 地震烈度对超孔隙水压力与土体竖向沉降时程曲线的影响

为保证曲线顺利出现平滑段，本文将地震荷载时长延长5 s，加速度时程曲线如图6．

图6 延长后的地震加速度时程曲线Fig.6 Extended time-history curveof earthquakeacceleration

取深度16m处不同位置土体作出竖向沉降与超孔隙水压力时程曲线如图7，可推断：筒基正下方16 m处土体在不同地震烈度下，竖向位移和超孔隙水压力[9]变化趋势相似：振动初期二者在微小范围内震荡，在上升一段时间后，出现平滑段．这一结论与文献 [10]中结论相吻合．另外，8度下两项数值均较大，且上升更快．

筒外侧12m、深度16m处土体在不同地震烈度下，竖向位移和超孔隙水压力变化趋势同样很相似：相对平滑段后，出现震荡．但这一趋势与筒正下方土体，存在较大区别：筒外侧土体数值震荡幅度巨大，甚至最低幅值低于初始平滑段均值．当然也能看出，不同位置土体在振动初期，均显现平滑段，而这是因为地震加速度初期较小，对土体各参数影响也较小．

5 结论

本文基于有限元方法，分析了筒型基础在地震作用下土体液化情况，得到了如下结论：

1）筒壁环箍作用对土体的有效应力和孔隙水压力影响较大，土体相互挤压使筒内侧土体有效应力幅值出现在筒壁的一定高度处，总体对土体抗液化性能较为有利，这在筒型基础抗震设计中应予以关注；

2）土体零竖向位移点的分布随地震烈度变化不大，但土体最大竖向位移点的分布却因地震烈度不同存在较大差异，这对于土质勘探、工程场址选择和筒型基础抗震设计都具有一定参考价值；

3）均布荷载效应对土体液化影响较为重要，筒基附近土体由于均布荷载影响，能够在较高地震烈度下，反而保持附近土体更大的有效应力，但是深层土体却在较高地震烈度下的发生更大的有效应力降低，同时较高的地震烈度会引起整体有效应力的分布不均，增加了土体整体的不稳定性；

4）不同地震烈度下，土体竖向位移和孔隙水压力的时程曲线呈现相似的趋势，但筒体内侧与外侧的土体时程曲线却呈现不尽相同的特征，内侧土体最终竖向位移较大但波动幅值较小，外侧土体最终超孔隙水压力与内侧持平但幅值较大，与前人研究成果相吻合．

图7 不同地震烈度下超孔隙水压力与土体竖向沉降时程曲线Fig.7 Time-history curveof excessporewater pressureand soilsettlement under differentseism ic intensities

[1]曹振中，袁晓铭．砂砾土液化的剪切波速判别方法 [J]．岩石力学与工程学报，2010，29（5）：943-951．

[2]ZHOU Y G，CHEN YM，SHAMOTO Y．Verification of the soil-type specific correlation between liquefaction resistanceand shear-wave velocity of sand by dynamic centrifuge test[J]．Journalof Geotechnicaland Geo-environmental Engineering，ASCE，2010，136（1）：165-177．

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[5]GB50010-2010，混凝土结构设计规范 [S]，北京：中国建筑工业出版社，2010．

[6]费康，张建伟．ABAQUS在岩土工程中的应用 [M]．北京：中国水利水电出版社，2010：67-69．

[7]张浦阳，丁红岩，李芳．海上筒型风机基础地震荷载下的抗液化性能研究 [J]．太阳能学报，2013，34（9）：1587-1593．

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[9]HadiShahir，AliPak．Estimating liquefaction-induced settlementof shallow foundationsby numericalapproach[J]．Computersand Geotechnics，2010，37：267-279．

[10]周健，徐志英．土（尾矿）坝的三维有效应力动力反应分析 [J]．地震工程与工程振动，1984，4（3）：60-70．

[责任编辑 杨 屹]

Researchonsoil liquefactionofbucketfoundationunderseism ic loads

DINGHongyan1,2,3，WANG Haixu3，ZHANG Puyang1,2,3

(1.StateKey Laboratory ofHydraulic Engineering Simulationand Safety,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety(Tianjin University),Ministry of Education,Tianjin 300072,China;3.School of Civil Engineering, Tianjin University,Tianjin 300072,China)

To provide reference foraseism icdesignofoffshorebucket foundation,using the finiteelementsoftwareADINA, the liquefaction areaofbucket foundation soilunderseism ic loadswasanalyzed.Taking the influenceofseism ic intensity on soil liquefaction and soil settlement inside and outside the bucket foundation into account,the variation of effective stress,porewater pressure and excess porewater pressurewasmainly studied.The results are as follows：the impactof the ferrule effectand uniform load effectishelpful for retaining soileffective stress to a certain extent;the distribution of zero verticaldisplacementpoints changed littlewith differentseism ic intensity,but the distribution ofmaximum vertical displacementpointsvaried greatly with differentseism ic intensity.

bucket foundation;earthquake-induced liquefaction;ADINA;finite elementanalysis

TU476

A

1007-2373(2016)01-0090-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.017

2015-04-30

国家自然科学基金（51379142）；天津市应用基础与前沿技术研究计划（13JCQNJC06900）

丁红岩（1963-），男（汉族），教授，博士生导师．

张浦阳（1978-），男（汉族），副教授，博士，zpy_td@163.com．