地震頻率對砂土液化影響的數值模擬研究

曾事超

[摘要]在影響砂土液化的諸多因素中，振動頻率一直以來都是人們研究的重點之一。傳統的研究振動頻率對砂土液化的影響大多采用動三軸儀來實現并得出了一些結論，但這些結論之間存在差異；由于試驗設備尺寸的限制、試驗方法的差異等因素必定會影響試驗結果的準確性。數值模擬方法因其自身的優點常常被用來解決很多工程中的問題，而且利用數值模擬方法研究振動頻率對砂土液化的影響也較少。

[關鍵詞]砂土液化；地震頻率；數值模擬；孔壓比

[中圖分類號]TU441.8 [文獻標識碼]A

引言

飽和砂土液化問題一直是巖土工程界廣泛關注、研究的重要課題之一，大量研究總結發現飽和砂土液化的本質是液化過程中孔隙水壓力上升而有效應力降低。近些年來，國內外的研究者們從不同角度研究了動孔隙水壓力增長的機理、影響因素等。關于頻率對砂土液化的影響，國內外學者也都做過相應的研究，但均未得出同一結論。因此，本文利用數值模擬方法進一步研究了振動頻率對砂土液化的影響。

1 計算模型簡介

根據相似比關系，將試驗室尺寸還原為真實場地后尺寸為11m×11m×6m（長x寬x高）。砂土密度，體積模量，剪切模量，滲透系數，孔隙率。建立模型時考慮到精確描述模型中波的傳播，網格尺寸必須要小于輸入的波形最高頻率對應的波長的1/8～1/10。本文采用自由場地建立的計算模型如圖1所示。

2 監測點布置和加載方案確定

為了在模擬過程中監測孔隙水壓力、有效應力、超靜孔壓比等指標，需要在模型中設置合適位置的監測點。其坐標分別為（5.5，5.5，0）、（5.5，5.5，1.5）、（5.5，5.5，3）、（5.5，5.5，4.5）、（5.5，5.5，6），如圖2所示。本次模擬根據建筑抗震設計規范要求8級抗震設防烈度和基本加速度為0.2g，輸入地震波的頻率與幅值需滿足以下關系式，加載方案表如表1所示。

2.1 模擬結果

首先靜力平衡階段由彈性模型計算得到的豎向自重應力為，而理論計算得到的豎向應力，誤差為4%，初始應力平衡正確，可以進行動力計算分析。

2.2 超靜孔隙水壓力及孔壓比分析

孔壓比定義為超靜孔隙水壓力與初始有效應力的比值?？讐罕鹊拇笮∫部梢杂脕砼袛嗌巴烈夯潭?，試驗中監測的孔壓比如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

不同深度處的孔壓比可以很好的反映整個砂土的液化情況，由模擬得到的孔壓比可以發現，當頻率在2～5Hz范圍內時，整個模型土的孔壓比在很高的水平；當頻率為6Hz時最上層的孔壓比的峰值達到了1.0左右但隨后突然降低，中間層和最底層土的孔壓比峰值均低于表層；且從整體上看，孔壓比保持峰值的持續時間明顯是下層時間小于中間層時間小于表層時間，這是因為在液化過程中，底部為不透水邊界，當產生超靜孔隙水壓力時水會向上擴散，導致底部的超靜孔隙水開始降低而表層超靜孔隙水會持續保持一段時間然后開始降低，即上層的液化會有延時現象。當頻率大于6Hz時，孔壓比最大只達到0.45左右，并且隨著頻率的逐漸增加，砂土模型的孔壓比越來越?。划旑l率達到20Hz時，砂土模型基本不受動荷載的影響而表現出很穩定的狀態。

3 結論

本文通過試驗和數值模擬研究，對比不同振動頻率下的液化孔壓比可以得出以下結論：在同一地震強度下，液化強度并非隨著頻率的增大而增強或者說液化強度并非與頻率的大小無關；頻率在2～5Hz范圍內對液化過程中的超靜孔隙水壓力、有效應力、孔壓比等影響不大，均達到了液化的水平；但是當頻率大于6Hz后，頻率越大，超靜孔隙水壓力、有效應力以及孔壓比的值越?。?Hz后砂土地基的孔壓比均在很小的值，可以判斷地基處于穩定狀態，不會發生液化。因此振動頻率對液化強度存在很明顯的差異。

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