何相禮 李健全 朱方敏

（浙江大合建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，浙江杭州 310023）

基于FLAC3D 的地基土地震作用下孔壓的變化分析

何相禮 李健全 朱方敏

（浙江大合建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，浙江杭州 310023）

利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)地基土在地震作用下孔隙水壓力的變化進(jìn)行了流固耦合分析，探討了地基土在地震作用下孔壓的變化規(guī)律，結(jié)果表明地基孔隙水壓力的分布與地震激勵(lì)、場(chǎng)地土的土質(zhì)、組成和埋藏條件等因素都有密切關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步加深液化地基震害的理解具有重要的意義。

地震，地基土，液化，孔隙水壓力，F(xiàn)LAC3D

地震作用下，孔隙水壓力的發(fā)展變化是影響地基變形及強(qiáng)度變化的重要因素。我們?cè)谠u(píng)價(jià)地基的抗震性能時(shí)，首先要研究地基中孔隙水壓力的分布及其發(fā)展變化規(guī)律。

1 孔隙水壓力的類型和產(chǎn)生機(jī)理

飽和土體在外荷載作用下，任一平面上的總應(yīng)力是由土骨架所發(fā)揮的有效應(yīng)力和作用于孔隙中流體上的孔隙水壓力共同承擔(dān)的?？紫端畨毫Ω飨蛳嗟龋粫?huì)造成土體壓縮。而有效應(yīng)力屬于土顆粒間的直接作用力，是控制土體變形和強(qiáng)度變化的應(yīng)力。由于有效應(yīng)力是不可直接測(cè)得的，目前都通過(guò)測(cè)量孔隙水壓力，反算土的有效應(yīng)力，達(dá)到研究土體的強(qiáng)度和變形特性的目的。因此，孔隙水壓力發(fā)生、發(fā)展及消散的研究一直是人們十分關(guān)注的課題。根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理的不同，孔隙水壓力可分為靜水壓力和超靜水壓力。靜水壓力是由土孔隙水自重及水對(duì)土顆粒浮力的反力引起的;超靜水壓力是由附加荷載或水位的變化引起的。超靜水壓力隨著時(shí)間的推移逐漸消散，轉(zhuǎn)化為土的有效應(yīng)力，完成土的固結(jié)。

2 FLAC3D模擬計(jì)算理論

FLAC3D自美國(guó)Itasca Consulting Group推出后，已成為目前巖土工程中最重要的數(shù)值計(jì)算方法之一。該程序以三維快速拉格朗日法為原理，是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，能較好地分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形和進(jìn)行流固耦合。

2.1 FLAC3D流固耦合模擬原理

FLAC3D軟件模擬土體的流固耦合時(shí)，流體在土體孔隙介質(zhì)中的滲流服從Darcy定律，同時(shí)滿足Biot方程［1］。

其中，qi為滲流速度;qv為流體強(qiáng)度;ζ為單位體積空隙介質(zhì)的流體體積變化量;M為比奧模量;p為孔隙水壓力;α為比奧系數(shù);T為溫度;t為時(shí)間;β為考慮流體和固體顆粒的熱膨脹系數(shù);k為介質(zhì)的滲透系數(shù);ρf為流體密度;gj為重力加速度分量;σij為應(yīng)力;Δσij為應(yīng)力增量;Hij為給定函數(shù);δij為Kronecker因子;Δξij為總應(yīng)變?cè)隽?v為介質(zhì)中某點(diǎn)的速度。

通過(guò)已知邊界條件，求解以上方程組，可求出土顆粒的位移和土中的孔隙水壓力。

2.2 孔壓模型

FLAC3D采用Finn模型［2］模擬砂土在動(dòng)力作用下孔壓積累孔的效應(yīng)。其實(shí)質(zhì)是以Mohr-Coulomb模型為基礎(chǔ)，假定動(dòng)孔壓的上升與塑性體積應(yīng)變?cè)隽肯嚓P(guān)，增加了動(dòng)孔壓的上升模式。

設(shè)在有效應(yīng)力為σ0'時(shí)砂土的一維回彈模量為ˉEr，則對(duì)于不排水條件下孔隙水壓力的增量Δu與塑性體積應(yīng)變?cè)隽喀う舦d的關(guān)系為:

3 算例分析

算例［3，4］模型地基土自上而下分別為粉質(zhì)粘土200 mm、砂質(zhì)粉土1 050 mm和砂土350 mm，共三層。模型地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。計(jì)算模型如圖1，圖2所示。

表1 模型地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 計(jì)算模型

圖2 動(dòng)力計(jì)算模型

圖3為模擬計(jì)算時(shí)采用的0.058g及0.532g EL-Centro波加速度時(shí)程曲線圖。

圖3 0.058g及0.532g EL-Centro波加速度時(shí)程曲線圖

利用FLAC3D程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行非線性動(dòng)力反應(yīng)分析，圖4為0.532g EL-Centro波輸入下地基中不同位置測(cè)點(diǎn)得到的超孔隙水壓力及有效應(yīng)力的時(shí)程曲線圖。從圖4中可以看出－0.4 m處的超孔壓比峰值基本達(dá)到1.0，且在振動(dòng)過(guò)程中維持在1.0左右，相應(yīng)時(shí)間的孔隙水壓力發(fā)展較快并維持在較高水平，有效應(yīng)力均接近零，此時(shí)土體基本處于液化狀態(tài)。而－0.6 m處土層的超孔壓比峰值僅達(dá)到0.8，有效應(yīng)力也維持在一個(gè)相當(dāng)?shù)乃剑⑽唇抵亮?，可?jiàn)此處土體未發(fā)生液化，埋深－0.4 m左右為液化分界線。

在0.058g EL-Centro波和0.532g EL-Centro波輸入下，地基土層中超孔隙水壓力變化時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 加速度峰值為0.058g和0.532g輸入下超孔隙水壓力時(shí)程曲線

從圖5中可以看出，無(wú)論是在0.058g EL-Centro波還是在0.532g EL-Centro波輸入下，土中孔隙水壓力隨著地震加速度的增長(zhǎng)迅速上升，并且埋深越深孔隙水壓力值越大，原因可能是較深土層的固結(jié)應(yīng)力和圍壓較大，微觀排水條件較差，孔隙水壓力消散速率也較低，積累的孔隙水壓力就大。

峰值孔隙水壓力指某一工況下孔隙水壓力時(shí)程中出現(xiàn)的最大孔隙水壓力值，雖然它可能只出現(xiàn)在某一瞬間并且持續(xù)時(shí)間很短，但它對(duì)地基的動(dòng)力變形、軟化、液化等物理形態(tài)的影響很大，是孔壓研究中一個(gè)重要的考察內(nèi)容。同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)在0.058g EL-Centro波和0.532g EL-Centro波輸入下，后者情況下產(chǎn)生的孔隙水壓力峰值較大。

另外，在孔隙水壓力即將迅速上升前的時(shí)刻，孔隙水壓力存在一個(gè)“驟降”的現(xiàn)象。并且輸入的加速度峰值越大，這種現(xiàn)象越明顯，如圖5所示。Kagawa等［5］（1994）在日本Tsukuba國(guó)家地質(zhì)學(xué)與防災(zāi)研究所（NIED）進(jìn)行液化場(chǎng)地土—樁動(dòng)力相互作用模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中也得到了類似的現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

地基孔隙水壓力的分布與地震激勵(lì)、場(chǎng)地土的土質(zhì)、組成和埋藏條件等因素都有密切關(guān)系。無(wú)論是較大震輸入還是小震輸入，不同埋深土層的液化發(fā)展規(guī)律基本一致，但相互之間存在一定的時(shí)差;埋深較淺的土層較容易液化，且隨著埋深的增加，土層液化程度有減小的趨勢(shì)。這些與實(shí)際震害調(diào)查和理論分析得到的結(jié)論是一致的。

［1］Itasca Consulting Group Inc.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions［M］.Minneapolis：Itasca Con sulting Group Inc，2002.

［2］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

［3］錢德玲，夏京，盧文勝.支盤樁——土—高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（10）：2024-2030.

［4］王東坡.支盤樁——地基—結(jié)構(gòu)相互作用體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

［5］Kagawa T.，Minowa C.，Mizuno H.，et al.Shaking-Table Tests on Piles in Liquefying Sand［J］.Proc.5th U.S.Natl.Conf.Earthquake Eng，Chicago，1994，4（10）：107-116.

Variation analysis of porewater pressure
under the earthquake based on FLAC3D foundation soil

HE Xiang-li LI Jian-quan ZHU Fang-m in

（Zhejiang Dahe Construction Engineering Detection Co.，Ltd，Hangzhou 310023，China）

This paper carries out fluid-solid interaction analysis on porewater pressure variation of foundation soil under the earthquake by using FLAC3D finite difference software，and explores the porewater pressure variation of foundation soil under the earthquake.Results show that the foundation porewater pressure distribution is closely related to seismic excitation，field soil quality，composition and embedding conditions and so on，which has significantmeaning for further understanding hydraulic foundation earthquake hazard.

earthquake，foundation soil，hydraulic，pore water pressure，F(xiàn)LAC3D

TU413.7

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.18.005

1009-6825（2012）18-0068-03

2012-03-1

何相禮（1963-），男，高級(jí)工程師