數值模擬高烈度區地震作用下次級破碎帶對結構位移的影響

張興仙

[摘要]本文研究的工程旁距離大約250m處有一斷層經過。經歷八級地震后，斷層垂直抬升約3.5m，水平錯動2～3m，在工程中出現了次級破碎帶，為模擬該斷層錯動及次級破碎帶的存在對工程產生的影響，采用有限元軟件MIDAS/GTS對該工程及工程所在山體整體進行數值模擬。將F1斷層的水平和豎直錯動以施加水平和豎向位移場的方式進行模擬，以軟弱層的方式模擬次級破碎帶。研究次級破碎帶對工程的影響。

[關鍵詞]數值模擬 斷層 破碎帶 位移場

0概述

地下結構周圍受巖土體介質的約束，地震發生時隨著巖土體一起運動而具有良好的抗震性能，受地震的破壞與地面結構相比較輕。但是二十世紀以來，破壞性大地震頻繁發生，均對地下結構造成了不同程度的破壞，使得大量專家、學者開始廣泛、深入、系統的開展對地下工程抗震的研究。由于受周圍介質的約束，地下結構的地震動反應特點與地面結構明顯不同，所以兩者的抗震分析方法也不相同。隨著地下結構抗震理論和計算機技術的飛速發展，有限元動力反應分析的應用逐漸變得普遍，相比靜力法而言它可以更全面更真實的再現地下結構在地震荷載下的動態特性。該方法在計算模型及參數的確定、地震波及其輸入方式的確定等方面還存在一些問題，有待于進一步完善。本文主要是對實際工程進行三維模擬，模型采用實體工程的尺寸進行建模，結構形式較復雜，單元網格數量龐大，計算機計算條件還不能滿足有限元動力分析，所以采用擬靜力法進行分析研究。

1工程概況

工程場地位于青藏高原東緣的龍門山構造帶內，具體處于龍門山構造帶中的主干斷裂北川映秀斷裂附近。2008年5月21號汶川8.0級地震就發生在龍門山構造帶上，主干發震斷裂為北川-映秀斷裂，并同時牽動彭縣灌縣斷裂發生了同震地表斷裂，給龍門山及其附近的四川盆地西緣地區帶來了毀滅性的破壞，也本工程造成了嚴重的破壞。在場地附近產生了北東向的地表破裂，主地表破裂在場地附近寬約30m，總體呈N50-60°E方向延伸，表現為逆沖性質，最大垂直位錯約3.5m，主地表破裂帶未通過工程場地，它距離工程的最近距離約250m，但工程場地處于發震斷層的上盤，在地震時主破裂帶強烈變形過程中，位于斷層上盤的工程場地內部可能產生了次級破裂，致使工程內部遭受了嚴重破壞，如圖1所示。

2有限元模型的建立

2.1基本假定

工程場地處于發震斷層的上盤，在地震時主破裂帶強烈變形過程中，位于斷層上盤的工程場地內部可能產生了次級破裂，致使工程內部遭受了嚴重破壞，本文假設次級破碎帶寬度0.5m。

本文還對模型做了部分假定，以便于將復雜抽象的實際問題轉化為具體簡單的數值分析模型，只研究幾個特定的因素對坑道的影響。本文所做的基本假定如下：

（1）假定沿著坑道的軸線方向，周圍巖體的特性與坑道的特性并不發生改變，地質與地形條件相同，建立簡化的三維模型。

（2）假定巖層各向同性，沿水平方向均勻分布，不考慮地下水滲流的影響。

（3）因為考慮的是位移場對使用的坑道的響應，所以不考慮施工階段的影響。

（4）假設整個模型的各部分都是在線彈性范圍內工作，所以采用靜力分析中的線彈性分析。

2.2幾何模型的建立

本文采用有限元軟件MIDSA/GTS和制圖軟件AutoCAD進行模型的建立。坑道襯砌模型的建立基于實際工程的設計圖紙，依據圖紙上的尺寸大小建模。工程的軸線圖如圖2所示，隧道截面形狀如圖3所示。在建立幾何模型的時候，把把工程所在的山體采用圓錐體的形狀來模擬。幾何模型的建立大體分為三步，第一步分別拉伸導入的隧道截面形狀內外輪廓線組為實體；第二步建立能包圍住隧道實體的“圓餅”，“圓餅”的建立如圖4所示。工程坑道埋深225m，山體坡度為35°，山體模型的建立如圖5所示，地下隧道的模型建立如圖6所示。

2.3材料參數及網格劃分

工程模型中的材料特性如表1所示。網格劃分作為有限元模型建立的關鍵環節，其網格形式及單元尺寸對計算精度和計算規模將產生直接的影響。本文中網格劃分也分為三個層面應。第一層面是對坑道襯砌的網格劃分。根據精度要求，在橫截面方向劃一層網格，尺寸為200-300mm，而在縱向上采用的是漸變式的方法，即端頭較密，中間較疏。這樣做既能夠保證所要分析結果的精確性，又能夠減少網格的數量，提高計算的效率。見圖7為襯砌單元。第二個層面是對“圓餅”山體的網格劃分。主要是把與坑道接近的這一層巖石劃得較細一些，外側采用漸進的方式，為內側尺寸的兩到三倍。其余部分就可劃到內側尺寸的四到六倍，見圖8所示。最后一個層面是對“圓餅”以外山體（包括斷層破碎帶及隔震層）的網格化分。因為這部分不是分析研究的主要對象，為了節約計算時間，網格就會劃得比較稀疏，見圖9所示。本文中整個模型劃分的單元控制在了50萬內，其中巖體單元40多萬個、襯砌單元7萬多個。

2.4外荷載情況及邊界條件

在距1#口所在平面250m的地方模擬F1斷裂帶，在其上施加沿截面的水平位移場和豎向位移場來模擬地震作用過程中斷層的運動并使之作為外荷載條件。所施加的位移場的位置和方向見圖10。邊界條件主要有三組，邊界條件一為距離施加強制位移（外荷載）處的F1斷層580m的上盤底面固定X，Y，Z向位移，此邊界下破碎帶部分也在固定范圍內，即破碎帶不完全，詳見圖11；邊界條件二為邊界條件一遠離位移場方向平移120m，與邊界條件一相比破碎帶剛好完全釋放，詳見圖12；邊界條件三平行次級破碎帶并相距200m以外的底部固定X，Y，Z向位移，詳見圖13。

3計算結果

模型位移分析時選取監控截面見圖14。各截面距離1#口所在截面的距離詳見表2。其中，圖14截面3、4相距5m，截面6、7相距5m，截面4、6相距10.5m。把次級破碎帶看做是一個規模較小的斷層，那么次級破碎帶左側的部分稱為上盤，右側的部分稱為下盤。

邊界條件二的各點的位移反應均比邊界條件一、三的情況大，這與邊界條件固定范圍有關，邊界條件二較邊界條件一和三固定范圍較小，所以位移反應較大。且邊界條件二為破碎帶完全釋放（破碎帶完全不在固定的邊范圍內），是三種邊界中最合理的邊界。

結構的整體變形與施加位移場的方向一致，距離F1斷層帶越遠，結構的位移反應越小，這表現出遠離斷層錯動帶震害逐漸減小，結構的變形方向與斷層的錯動方向密切相關。在實際工程中，應該加強近斷層處一定范圍的地下結構的抗震措施，減輕地震中斷層的活動對結構的破壞性損壞。

與無破碎帶結構相比，破碎帶的存在導致結構的變形不再均勻變化，在破碎帶處的1#隧道的襯砌變形較大造成剪斷破壞，此處的位移明顯突變。

次級破碎帶的存在對結構的位移影響較大，對于下盤結構的位移明顯增大，而對于上盤結構的位移與無破碎帶相比卻減小。破碎帶的出現對于遠端來說吸收了大部分能量，減輕了遠端的破壞。

4結論

從計算結果分析來看，首先影響地下結構位移的主要原因是地震時斷層的活動，然而次級破碎帶的存在改變了原來結構的位移大小及分布，使斷層近端增大了結構的位移反應，而在斷層與破碎帶之外（遠端）則起到耗能減震的效果，反而有減小結構的位移反應的趨勢。充分說明破碎帶在地震作用中，由于其剛度較小，變形較大，吸收了大部分能量，導致破碎帶與斷層之間的山體及結構變形增大，而在破碎帶與斷層之外的部分結構及山體則由于破碎帶的耗能阻斷作用而得到保護，變形反而成減小趨勢。