饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究_高广运.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1874-08高广运，洪洋，耿建龙，等 2022 饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究J 工程地质学报，30(6):18741881 doi:1013544/jcnkijeg20210347Gao Guangyun，Hong Yang，Geng Jianlong，et al 2022 Numerical simulation of saturated sand liquefaction discrimination and amplification effectJJournal of Engineering Geology，30(6):18741881 doi:1013544/jcnkijeg20210347饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究*高广运洪洋耿建龙李永佳(同济大学地下建筑与工程系，上海 200092，中国)(同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092，中国)摘要为研究地震作用下饱和砂土液化判别及地震放大效应的影响因素，采用边界面塑性模型框架内开发的砂土本构模型，基于开源有限元平台 OpenSees 建立了一维剪切梁土柱模型。以循环应力比 CS 和循环抗力比 C 为控制指标，对比了不同液化判别方法的差异，分析了地震荷载类型和砂土相对密度对液化判别和放大效应的影响。研究表明:与数值模拟结果相比，Seed 简化法计算的 CS 更大，判断饱和砂土场地发生液化的可能性更高;冲击型地震波较振动型地震波更容易使饱和砂土场地发生液化，砂土相对密度越小场地越容易发生液化;放大系数随埋深的减小而增大，振动型地震波引起的放大效应整体大于冲击型，埋深较大时放大系数随砂土相对密度的增大而减小。关键词OpenSees;地震荷载;饱和砂土;液化判别;放大效应中图分类号:TU435文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20210347*收稿日期:20210618;修回日期:20210728基金项目:国家自然科学基金(资助号:42277130，51978510)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos 42277130，51978510)第一(通讯)作者简介:高广运(1961)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事土动力学和桩基的研究 E-mail:gaoguangyun263netNUMEICAL SIMULATION OF SATUATED SAND LIQUEFACTION DIS-CIMINATION AND AMPLIFICATION EFFECTGAO GuangyunHONG YangGENG JianlongLI Yongjia(Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)(Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China)AbstractThis paper aims to study the influencing factors of sand liquefaction identification and amplificationeffect under earthquake action It established a one-dimensional shear beam soil column model based on the opensource finite element platform OpenSees The model used the sand constitutive developed in the boundary surfaceplastic model Taking the cyclic stress ratio(CS)and the cyclic resistance ratio(C)as the control indicators，the differences between two liquefaction identification methods were compared We analyzed the influence of theseismic load type and the relative density of sand on the liquefaction identification and amplification effect The re-search shows that compared with the numerical simulation results，the CS calculated by the Seed simplified meth-od is larger，and the possibility of judging the liquefaction of saturated sandy soil is higher The shock-type seismicwaves are more likely to cause liquefaction of saturated sandy soils than vibration-type seismic waves The smallerthe relative density of sand，the easier it is for the site to liquefy The amplification factor increases with the de-crease of the buried depth The amplification effect caused by vibration-type seismic waves is generally greater thanthat of impact-type seismic waves When the buried depth is large，the magnification factor decreases with the in-crease of the relative densityKey wordsOpenSees;Earthquake load;Saturated sand;Liquefaction discrimination;Amplification effect0引言地震造成的直接与次生灾害中，土体液化是一种具有强破坏性的地震灾害(汪发武，2019;杜星等，2020)。对饱和砂土而言，液化常常导致地表大变形(段钊等，2020)。目前，国内外学者对饱和砂土液化研究较多，但针对地震作用下砂土液化机理及其判别方法尚未形成统一观点(冯忠居等，2019)。此外，饱和砂土场地基底产生的地震波传播至地表时，在场地放大效应的作用下，地表加速度会被放大，振动持时变长，震害进一步加强(李兆焱等，2016)。因此，开展地震作用下饱和砂土液化判别与放大效应的研究具有重要意义。在砂土液化判别研究中，曹振中等(2010)以2008 年汶川地震的砂砾土液化现象为背景，分析了现有典型砂土液化剪切波速判别方法对砂砾土的适用性。高清材等(2021)同时用规范法和 Seed 简化试验分析法对赤壁长江公路大桥场地进行了砂土液化判别。李大争等(2013)分别使用 FLAC3D数值模拟方法和标准贯入法对南水北调中线工程河南段引水干渠渠基进行砂土液化判别，分析了不同土层的液化情况。邹炎等(2015)基于 Yang et al(2003)提出的砂土液化本构模型，采用 OpenSees 分析了砂土密实度对液化区范围、隔震效应、地表加速度以及竖向沉降量等的影响。陈党民等(2013)基于西安地区大量钻孔资料，建立了不同覆盖层厚度和不同等效剪切波速的一维土层反应模型，分析了场地条件对地表峰值加速度的放大效应的影响。朱姣等(2015)以苏州城区的钻孔剖面为研究对象，分析了地震基岩面的选取对地震放大效应的影响。周燕国等(2017)基于一维弹性波动理论，分析了深厚覆盖层在不同条件下的地震放大效应。综上所述，当前研究中少有地震荷载类型与相对密度对砂土液化判别和放大效应影响的研究。本文使用在边界面塑性模型框架内开发的砂土本构模型，基于开源有限元平台 OpenSees 建立一维剪切梁土柱模型，以循环应力比 CS 和循环抗力比 C 为控制指标，对比了不同液化判别方法的差异，分析了地震荷载类型和砂土相对密度对液化判别和放大效应的影响。1有限元模型的建立与验证1.1砂土有限元模型建立在动单剪试验中，土样在边界上受到剪切力作用，应力主轴发生旋转，获得的应力应变状态更符合真实地震中土体的受力情况(邵生俊等，2017)。因此，本 文 基 于 OpenSees 建 立 了 Phillips et al(2012)建议的一维剪切梁土柱模型。在饱和砂土液化过程中，渗透系数并不是一个一成不变的定值，因此本文采用了 Wang et al(2014)在边界面塑性模型框架内开发的砂土本构模型。计算过程中，根据 Shahir et al(2012)建议的变渗透系数模型，每个分析步骤结束后都按照各个深处的超孔压更新单元的渗透系数。模型计算参数如表 1 所示。表 1砂土计算模型参数(Wang et al，2014)Table 1Sand model parameters(Wang et al，2014)模型参数数值模型参数数值Gk/kPa200400006d，r005h17nb11M13nd80dre，1045c0023dre，230e00837dir0607模型网格由20 个边长 1 m 的立方体单元组成，单元采用三维完全耦合单元 BrickUP。为更好地模拟地震荷载和自由场地条件，单元同层节点绑定 3个方向的自由度，最底面节点约束住各方向的自由度。模型底面和侧面设置为不排水，模型顶面排水且保持孔隙压力为 0。模型土采用福建砂计算参数，如表 2 所示。1.2模型验证为验证计算模型的合理性，在已建立的砂土有限元模型中输入汶川地震德阳地震波，得到模型不578130(6)高广运等:饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究表 2福建砂物理力学参数(梁甜，2013)Table 2Properties of Fujian sand(Liang，2013)参数数值参数数值Gs02622D10/mm010emax0943Cu17emin06Cc096D50/mm016/()39D30/mm014同时刻的竖向位移。绘制离心模型试验结果(梁甜，2013)和数值模拟结果如图 1 所示。由图可知，在竖向位移未稳定时，计算得到的位移值大于离心试验平均值。在竖向位移趋于稳定后，本文计算结果和离心试验的最终位移均值为27.6 cm。因此，该模型能够较好地模拟砂土在地震荷载下的液化情况。图 1不同时刻的竖向位移曲线对比Fig 1Vertical displacement curve at different moments2地震波的选取地震荷载特性是促使饱和砂土液化变形的外在因素，已有研究表明振动型和冲击型两种类型的地震波引起的竖向应变差异明显(张海丘等，2015)，因此本文分别选取了震级和持续时间相似的冲击型地震波 El-Centro(SN171、SN184)和振动型地震波 Northridge(SN988、SN1005)作为输入荷载，选取的 4 个地震波具有相近的持续时间(40 s