数值模拟高烈度区地震作用下次级破碎带对结构位移的影响

张兴仙

[摘要]本文研究的工程旁距离大约250m处有一断层经过。经历八级地震后，断层垂直抬升约3.5m，水平错动2～3m，在工程中出现了次级破碎带，为模拟该断层错动及次级破碎带的存在对工程产生的影响，采用有限元软件MIDAS/GTS对该工程及工程所在山体整体进行数值模拟。将F1断层的水平和竖直错动以施加水平和竖向位移场的方式进行模拟，以软弱层的方式模拟次级破碎带。研究次级破碎带对工程的影响。

[關键词]数值模拟 断层 破碎带 位移场

0概述

地下结构周围受岩土体介质的约束，地震发生时随着岩土体一起运动而具有良好的抗震性能，受地震的破坏与地面结构相比较轻。但是二十世纪以来，破坏性大地震频繁发生，均对地下结构造成了不同程度的破坏，使得大量专家、学者开始广泛、深入、系统的开展对地下工程抗震的研究。由于受周围介质的约束，地下结构的地震动反应特点与地面结构明显不同，所以两者的抗震分析方法也不相同。随着地下结构抗震理论和计算机技术的飞速发展，有限元动力反应分析的应用逐渐变得普遍，相比静力法而言它可以更全面更真实的再现地下结构在地震荷载下的动态特性。该方法在计算模型及参数的确定、地震波及其输入方式的确定等方面还存在一些问题，有待于进一步完善。本文主要是对实际工程进行三维模拟，模型采用实体工程的尺寸进行建模，结构形式较复杂，单元网格数量庞大，计算机计算条件还不能满足有限元动力分析，所以采用拟静力法进行分析研究。

1工程概况

工程场地位于青藏高原东缘的龙门山构造带内，具体处于龙门山构造带中的主干断裂北川映秀断裂附近。2008年5月21号汶川8.0级地震就发生在龙门山构造带上，主干发震断裂为北川-映秀断裂，并同时牵动彭县灌县断裂发生了同震地表断裂，给龙门山及其附近的四川盆地西缘地区带来了毁灭性的破坏，也本工程造成了严重的破坏。在场地附近产生了北东向的地表破裂，主地表破裂在场地附近宽约30m，总体呈N50-60°E方向延伸，表现为逆冲性质，最大垂直位错约3.5m，主地表破裂带未通过工程场地，它距离工程的最近距离约250m，但工程场地处于发震断层的上盘，在地震时主破裂带强烈变形过程中，位于断层上盘的工程场地内部可能产生了次级破裂，致使工程内部遭受了严重破坏，如图1所示。

2有限元模型的建立

2.1基本假定

工程场地处于发震断层的上盘，在地震时主破裂带强烈变形过程中，位于断层上盘的工程场地内部可能产生了次级破裂，致使工程内部遭受了严重破坏，本文假设次级破碎带宽度0.5m。

本文还对模型做了部分假定，以便于将复杂抽象的实际问题转化为具体简单的数值分析模型，只研究几个特定的因素对坑道的影响。本文所做的基本假定如下：

（1）假定沿着坑道的轴线方向，周围岩体的特性与坑道的特性并不发生改变，地质与地形条件相同，建立简化的三维模型。

（2）假定岩层各向同性，沿水平方向均匀分布，不考虑地下水渗流的影响。

（3）因为考虑的是位移场对使用的坑道的响应，所以不考虑施工阶段的影响。

（4）假设整个模型的各部分都是在线弹性范围内工作，所以采用静力分析中的线弹性分析。

2.2几何模型的建立

本文采用有限元软件MIDSA/GTS和制图软件AutoCAD进行模型的建立。坑道衬砌模型的建立基于实际工程的设计图纸，依据图纸上的尺寸大小建模。工程的轴线图如图2所示，隧道截面形状如图3所示。在建立几何模型的时候，把把工程所在的山体采用圆锥体的形状来模拟。几何模型的建立大体分为三步，第一步分别拉伸导入的隧道截面形状内外轮廓线组为实体；第二步建立能包围住隧道实体的“圆饼”，“圆饼”的建立如图4所示。工程坑道埋深225m，山体坡度为35°，山体模型的建立如图5所示，地下隧道的模型建立如图6所示。

2.3材料参数及网格划分

工程模型中的材料特性如表1所示。网格划分作为有限元模型建立的关键环节，其网格形式及单元尺寸对计算精度和计算规模将产生直接的影响。本文中网格划分也分为三个层面应。第一层面是对坑道衬砌的网格划分。根据精度要求，在横截面方向划一层网格，尺寸为200-300mm，而在纵向上采用的是渐变式的方法，即端头较密，中间较疏。这样做既能够保证所要分析结果的精确性，又能够减少网格的数量，提高计算的效率。见图7为衬砌单元。第二个层面是对“圆饼”山体的网格划分。主要是把与坑道接近的这一层岩石划得较细一些，外侧采用渐进的方式，为内侧尺寸的两到三倍。其余部分就可划到内侧尺寸的四到六倍，见图8所示。最后一个层面是对“圆饼”以外山体（包括断层破碎带及隔震层）的网格化分。因为这部分不是分析研究的主要对象，为了节约计算时间，网格就会划得比较稀疏，见图9所示。本文中整个模型划分的单元控制在了50万内，其中岩体单元40多万个、衬砌单元7万多个。

2.4外荷载情况及边界条件

在距1#口所在平面250m的地方模拟F1断裂带，在其上施加沿截面的水平位移场和竖向位移场来模拟地震作用过程中断层的运动并使之作为外荷载条件。所施加的位移场的位置和方向见图10。边界条件主要有三组，边界条件一为距离施加强制位移（外荷载）处的F1断层580m的上盘底面固定X，Y，Z向位移，此边界下破碎带部分也在固定范围内，即破碎带不完全，详见图11；边界条件二为边界条件一远离位移场方向平移120m，与边界条件一相比破碎带刚好完全释放，详见图12；边界条件三平行次级破碎带并相距200m以外的底部固定X，Y，Z向位移，详见图13。

3计算结果

模型位移分析时选取监控截面见图14。各截面距离1#口所在截面的距离详见表2。其中，图14截面3、4相距5m，截面6、7相距5m，截面4、6相距10.5m。把次级破碎带看做是一个规模较小的断层，那么次级破碎带左侧的部分称为上盘，右侧的部分称为下盘。

边界条件二的各点的位移反应均比边界条件一、三的情况大，这与边界条件固定范围有关，边界条件二较边界条件一和三固定范围较小，所以位移反应较大。且边界条件二为破碎带完全释放（破碎带完全不在固定的边范围内），是三种边界中最合理的边界。

结构的整体变形与施加位移场的方向一致，距离F1断层带越远，结构的位移反应越小，这表现出远离断层错动带震害逐渐减小，结构的变形方向与断层的错动方向密切相关。在实际工程中，应该加强近断层处一定范围的地下结构的抗震措施，减轻地震中断层的活动对结构的破坏性损坏。

与无破碎带结构相比，破碎带的存在导致结构的变形不再均匀变化，在破碎带处的1#隧道的衬砌变形较大造成剪断破坏，此处的位移明显突变。

次级破碎带的存在对结构的位移影响较大，对于下盘结构的位移明显增大，而对于上盘结构的位移与无破碎带相比却减小。破碎带的出现对于远端来说吸收了大部分能量，减轻了远端的破坏。

4结论

从计算结果分析来看，首先影响地下结构位移的主要原因是地震时断层的活动，然而次级破碎带的存在改变了原来结构的位移大小及分布，使断层近端增大了结构的位移反应，而在断层与破碎带之外（远端）则起到耗能减震的效果，反而有减小结构的位移反应的趋势。充分说明破碎带在地震作用中，由于其刚度较小，变形较大，吸收了大部分能量，导致破碎带与断层之间的山体及结构变形增大，而在破碎带与断层之外的部分结构及山体则由于破碎带的耗能阻断作用而得到保护，变形反而成减小趋势。