胡記磊， 唐小微， 張西文

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院巖土工程研究所，遼寧 大連 116024)

人工島余震再液化數(shù)值模擬研究①

胡記磊1，2， 唐小微1，2， 張西文1，2

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院巖土工程研究所，遼寧 大連 116024)

主震結(jié)束后，余震引起的再液化會(huì)對(duì)土工結(jié)構(gòu)物帶來(lái)進(jìn)一步的嚴(yán)重災(zāi)害。以人工島為研究對(duì)象，基于FE-FD耦合有限元方法，考慮有無(wú)余震、不同余震大小和主余震不同時(shí)間間隔因素，探討對(duì)人工島再液化災(zāi)害的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：主震結(jié)束后，隨著超孔隙水壓力的消散，人工島砂土層液化區(qū)域逐漸減小，余震發(fā)生時(shí)液化區(qū)域又開始擴(kuò)展，甚至可能大于主震結(jié)束時(shí)的液化區(qū)域面積，且其災(zāi)害程度比無(wú)余震發(fā)生時(shí)的要大得多；隨著主、余震的時(shí)間間隔增加，間隔期的土層固結(jié)排水很大程度地提高人工島的抗再液化能力，當(dāng)超孔隙水壓力消散完后，在相同余震等級(jí)情況下很難再次達(dá)到完全液化；隨著余震峰值加速度的增加，人工島的沉降量和水平側(cè)移量都隨之增加，再次液化時(shí)間點(diǎn)會(huì)向前提前數(shù)秒，主震結(jié)束后，隨著土層的固結(jié)排水，人工島的沉降會(huì)繼續(xù)增加，甚至超過(guò)主震引起的沉降量，而水平側(cè)移的產(chǎn)生主要發(fā)生在地震液化過(guò)程中，在后續(xù)的固結(jié)排水中幾乎不變；余震發(fā)生前，如果人工島的砂土土層仍處于液化狀態(tài)，則液化層可能會(huì)起到隔震作用，減輕余震對(duì)島體造成的災(zāi)害。

人工島； 再液化； 余震； 水平位移； 沉降； 災(zāi)害

0 引言

圖1 主震、余震液化范圍對(duì)比[3]Fig.1 Comparison of liquefaction ranges in main shock and aftershock[3]

人工島是在近海岸填筑起來(lái)的陸地，在地震或波浪荷載下容易引起島體的回填砂或海床下部砂土層超孔隙水壓力迅速聚集產(chǎn)生液化，進(jìn)而對(duì)島體上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。1995年日本阪神發(fā)生了MS7.2地震，Port和Rokko人工島填土大面積液化，導(dǎo)致大量港口設(shè)施與建筑物嚴(yán)重破壞[4]，海岸線向海移動(dòng)2～3 m、地表下沉約1 m。人工島的抗液化設(shè)防非常重要，但現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)只考慮單次抗震設(shè)防情況，對(duì)余震設(shè)防考慮不足。由于地震發(fā)生后的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍有可能發(fā)生較大的余震，強(qiáng)余震所帶來(lái)的累計(jì)震害效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，本文采用循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型，以有限元-有限差分(FD-FE)耦合方法考慮有無(wú)余震、余震強(qiáng)度和不同主余震間隔時(shí)間對(duì)近海人工島的震害進(jìn)行模擬分析。

1 數(shù)值方法

Akai和Tamura[14]于1978年提出了一種FD-FE 耦合方法，并將其應(yīng)用于飽和土體的分析中。隨后Oka等[15]采用無(wú)限小應(yīng)變假定將該方法擴(kuò)展至飽和砂土動(dòng)力液化分析中，并考慮了非線性移動(dòng)硬化準(zhǔn)則及塑性剪切模型的應(yīng)力-剪脹特性關(guān)系和應(yīng)變依賴特性，提出了一種有效循環(huán)彈塑性本構(gòu)模型來(lái)模擬土體的液化過(guò)程。該本構(gòu)模型的基本假設(shè)和其他彈塑性本構(gòu)模型基本相同，不同之處在于它采用的是黏塑性非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，其屈服函數(shù)與勢(shì)函數(shù)不一致。Osamu Matsuo等[16]基于一系列含有可液化砂土層的土壩動(dòng)力離心機(jī)試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果及1993年Hokkaido Nansei-oki地震中土壩地震破壞實(shí)例驗(yàn)證了該本構(gòu)模型的正確性和有效性。

2 人工島模型及地震波

某人工島斷面簡(jiǎn)化模型如圖2所示，為了消除邊界效應(yīng)，在該模型兩側(cè)再分別增加長(zhǎng)為100 m的超長(zhǎng)單元。模型網(wǎng)格全劃分為四邊形單元，單元總數(shù)為8 273，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為8 519。主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。模型底部采用完全固定的不排水邊界，兩側(cè)采用水平固定、豎向自由的不排水邊界條件，海床面為自由排水邊界。本算例主震峰值加速度為0.3 g，持續(xù)時(shí)間為21 s，余震峰值加速度分別為0.1 g、0.05和0.01 g，持續(xù)時(shí)間都為21 s。主震和余震間隔時(shí)間分別為60 s、3 600 s、86 400 s和259 200 s。計(jì)算工況見(jiàn)表2所示。工況1～工況4保持主、余震的峰值和持續(xù)時(shí)間不變，改變其主、余震的間隔時(shí)間；工況5～工況8只有主震發(fā)生，采用不同液化后的固結(jié)持續(xù)時(shí)間與相應(yīng)有余震的工況進(jìn)行對(duì)比；工況9和工況10的主震波相同，改變其余震峰值加速度大小，對(duì)比不同余震對(duì)人工島再液化的影響程度。其中工況2的地震加速度時(shí)程曲線如圖3所示。在有限元計(jì)算過(guò)程中采用多步長(zhǎng)分段計(jì)算，主震和余震計(jì)算增分采用0.001 s，中間間隔時(shí)間內(nèi)的超孔隙水壓力消散計(jì)算增分采用1 s。

圖2 某人工島斷面圖(單位：m)Fig.2 Cross-section diagram of an artificial island (unit: m)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 超孔隙水壓力比

工況2中人工島在主震結(jié)束時(shí)、余震開始時(shí)和余震結(jié)束時(shí)的超孔隙水壓力比對(duì)比云圖如圖4所示。主震結(jié)束時(shí)砂土層完全液化，隨著超孔隙水壓力的消散，液化區(qū)域逐漸減小，當(dāng)余震發(fā)生時(shí)液化區(qū)域又開始擴(kuò)展，甚至大于主震結(jié)束時(shí)的液化區(qū)域面積。

人工島在不同時(shí)間間隔情況下單元B的超孔隙水壓比(EPWP)對(duì)比如圖5所示。圖5(a)中間隔時(shí)間較短，為60 s，由于超孔隙水壓力來(lái)不及消散，余震發(fā)生時(shí)土層將持續(xù)保持完全液化。但隨著間隔時(shí)間的增長(zhǎng)，超孔隙水壓力開始逐漸消散，在圖5(b)中，雖然人工島仍然處于液化狀態(tài)，但其砂土層的超孔隙水壓力比在1小時(shí)內(nèi)降低了0.1，隨后在余震的作用下又再次達(dá)到完全液化。當(dāng)超孔隙水壓力小于0.7時(shí)砂土層開始不液化[17]，圖5(c)中的人工島砂土層已經(jīng)不處于液化狀態(tài)。當(dāng)時(shí)間間隔達(dá)到3天時(shí)(圖5(d))，人工島砂土層的超孔隙水壓力已基本消散，當(dāng)在相同的余震大小作用下砂土層未達(dá)到完全液化狀態(tài)，這說(shuō)明當(dāng)液化后的人工島在長(zhǎng)時(shí)間的固結(jié)沉降后，其抗液化能力得到了一定提高，在小余震作用下很難再次達(dá)到完全液化。當(dāng)余震大小不同，其他條件相同時(shí)，單元B的超孔隙水壓力比會(huì)隨著余震大小的增加而增加，再次液化時(shí)間將有所提前，如圖6所示，余震峰值加速度為0.1 g時(shí)砂土層液化時(shí)間比余震峰值加速度為0.01 g時(shí)的液化時(shí)間要早約5 s。

表1 模型材料參數(shù)

表2 模型工況表

注：表中“-”表示無(wú)余震

圖3 地震波加速度時(shí)程曲線Fig.3 Ground surface acceleration time-history curve of seismic wave

圖4 工況2的不同時(shí)刻液化云圖(局部放大)Fig.4 Cloud diagram of soil liquefaction at different time in case 2 (partially enlarged)

圖5 不同間隔時(shí)間的超孔隙水壓力對(duì)比圖Fig.5 Comparison of EPWPR at different interval time

圖6 不同余震大小的超孔隙水壓力對(duì)比Fig.6 Comparison of EPWPR at different scales of aftershock

3.2 人工島沉降及水平側(cè)移

人工島在有無(wú)余震和不同間隔時(shí)間情況下節(jié)點(diǎn)A的沉降量對(duì)比如圖7所示。從圖中可以明顯看出有余震發(fā)生時(shí)，人工島沉降量要比無(wú)余震時(shí)大得多，余震引起的沉降量隨主、余震時(shí)間間隔長(zhǎng)短而不同，有可能比主震引起的沉降要大，如圖7(d)，排水固結(jié)引起的沉降量大約達(dá)0.7 m，此值略大于主震液化引起的沉降量，因此液化后土體的流動(dòng)和固結(jié)造成的破壞不容忽視。圖7(a)、(b)中人工島砂土層的超孔隙水壓力比大于0.7，所以土層仍處于液化狀態(tài)，圖7(a)中余震引起的沉降明顯小于圖7(b)，這可能是因?yàn)楫?dāng)余震發(fā)生時(shí)，處于液化中的砂土層起到了隔震作用，吸收了部分余震能量，減輕了上部結(jié)構(gòu)的破壞，液化引起的地基失效和隔震作用是同時(shí)起作用的[18]。圖7(c)、(d)對(duì)應(yīng)的工況中砂土層隨著超空隙水壓力的消散已經(jīng)不處于液化狀態(tài)，隨著土層排水固結(jié)，余震引起再次液化相對(duì)困難，而且引起的沉降量也會(huì)有減小。

人工島在有無(wú)余震及不同間隔時(shí)間情況下節(jié)點(diǎn)A的水平側(cè)移對(duì)比如圖8所示。從圖中可以明顯看出有余震發(fā)生時(shí)，人工島的水平側(cè)移量要比無(wú)余震時(shí)的大得多。島體的水平側(cè)移量在主震結(jié)束后的短時(shí)間內(nèi)會(huì)略有增加，但不會(huì)隨著后續(xù)的土層固結(jié)排水而繼續(xù)變化。在余震過(guò)程中不同間隔時(shí)間對(duì)人工島水平側(cè)移的影響規(guī)律和圖7中沉降規(guī)律一致，在此不贅述。

當(dāng)主余震間隔時(shí)間為86 400 s，僅余震大小不同時(shí)，余震大小對(duì)人工島再液化的沉降量和水平側(cè)移量對(duì)比如圖9所示。從圖中可以看出隨著余震峰值加速度的增加，人工島的沉降量隨之增加。而人工島水平側(cè)移在余震為0.01 g時(shí)，由于余震震級(jí)較小，此時(shí)液化區(qū)域非常小，在地震的作用下砂土層以上土體整體向右側(cè)移動(dòng)，隨著余震震級(jí)的增加，砂土層液化區(qū)域逐漸擴(kuò)展至完全再次液化，此時(shí)會(huì)在砂土層形成一個(gè)滑移面，其上土層在后續(xù)余震的負(fù)加速度(方向向左)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)下，向左側(cè)發(fā)生“有限”流滑，造成地基土層大面積錯(cuò)移，進(jìn)而對(duì)人工島造成整體液化破壞。

4 結(jié)論

本文通過(guò)FE-FD耦合有限元方法，探討了有無(wú)余震和不同余震大小因素對(duì)人工島液化災(zāi)害的影響。初步結(jié)論與建議如下：

圖7 有無(wú)余震及不同間隔時(shí)間沉降對(duì)比Fig.7 Comparison of settlements at different interval time with aftershock and without aftershock

圖8 有無(wú)余震及不同間隔時(shí)間水平側(cè)移對(duì)比Fig.8 Comparison of horizontal displacements at different interval time with aftershock and without aftershock

圖9 不同余震大小沉降與水平側(cè)移云圖Fig.9 Cloud diagrams of settlement and horizontal displacements at different scales of aftershock

(1) 有余震發(fā)生的人工島要比無(wú)余震的震害大得多，所以人工島的抗震設(shè)防不應(yīng)該只考慮單震設(shè)防。

(2)主震結(jié)束后，由土層排水固結(jié)引起的沉降量也相當(dāng)大，對(duì)于松散的土體而言，其固結(jié)沉降量甚至可以超過(guò)主震引起的沉降量，而水平側(cè)移的產(chǎn)生主要發(fā)生在地震液化過(guò)程中，在后續(xù)的固結(jié)排水中幾乎不變。因此，在地震發(fā)生后，土層排水固結(jié)的過(guò)程中應(yīng)盡早進(jìn)行液化處理，以減小后續(xù)災(zāi)害。

(3) 隨著余震峰值加速度的增加，人工島的沉降量和水平側(cè)移量都隨之增加。在余震發(fā)生時(shí)，若土層仍處于液化狀態(tài)，則液化土層可能會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隔震作用，減小余震對(duì)島體造成的災(zāi)害。對(duì)于這種隔震現(xiàn)象具體在什么情況下發(fā)生，還有待進(jìn)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”國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB013605-2)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51078062)

胡記磊(1986-)，男，博士生，主要從事土動(dòng)力學(xué)和巖土地震工程研究.E-mail：ray_1986@163.com

TU43

A

1000-0844(2015)01-0403-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0403