復(fù)雜地基條件下核電廠取水構(gòu)筑物-樁-土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析

邱義波 尹訓(xùn)強(qiáng) 王桂萱

（大連大學(xué)土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心，大連116622）

0 引 言

核電作為一種安全、經(jīng)濟(jì)高效的新型能源，對(duì)國家優(yōu)化電力布局、發(fā)展可持續(xù)經(jīng)濟(jì)具有重大意義［1］。隨著我國大力發(fā)展核電事業(yè)，軟土地基的問題很難規(guī)避。目前，軟土復(fù)雜地基上建設(shè)核電站已成為核電發(fā)展的必然趨勢(shì)［2-3］。然而，軟土在強(qiáng)震作用下易破壞，非線性效應(yīng)明顯，因此，復(fù)雜地基條件下的取水構(gòu)筑物-樁-土動(dòng)力相互分析就成為當(dāng)前核電廠房抗震安全性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。

國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力的相互作用進(jìn)行了大量研究工作。劉立平［4］等采用動(dòng)力有限元時(shí)程分析方法，上部結(jié)構(gòu)為高層框架，兩側(cè)邊界為自由邊界，底部采用固定邊界，以此來研究樁-土-結(jié)構(gòu)在水平地震作用下上部結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力特性，但在描述無限地基時(shí)輻射阻尼效應(yīng)存在限制；王滿生等［5］在Goodman 接觸單元加入阻尼效應(yīng)，并采用黏彈性人工邊界模擬土體邊界，以此來解決樁-土動(dòng)力相互作用中的部分能量耗散問題，但卻忽略土體的非線性影響；范立礎(chǔ)［6］采用m 法計(jì)算等代土彈簧對(duì)樁周土約束作用的模擬，將樁土相互作用與其底端固結(jié)作比較，但忽略樁、土以及上部結(jié)構(gòu)的一體性，并且忽略了樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的影響。Shahrour和Juran 等［7］多次進(jìn)行了多種樁組合的離心模型試驗(yàn)，樁的輕微斜度增強(qiáng)了群樁的整體剛度，卻降低了地表交界處樁身的彎矩，同樣也增加了承臺(tái)交界處樁的彎矩。

本文以600 MW 示范快堆工程項(xiàng)目為背景，基于ANSYS 軟件建立了軟土地基條件下的樁-土-取水結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用模型。利用ANSYS 二次開發(fā)的特點(diǎn)嵌入了黏彈性人工邊界，并結(jié)合Newmark［8］隱式數(shù)值積分法探究結(jié)構(gòu)在地震效應(yīng)激勵(lì)下的安全性。經(jīng)計(jì)算該結(jié)構(gòu)在靜動(dòng)力聯(lián)合情況下的地震響應(yīng)，分析樁基礎(chǔ)的內(nèi)力、構(gòu)筑物的主應(yīng)力和構(gòu)件內(nèi)力分布規(guī)律，對(duì)比分析了不同樁基條件在相同地質(zhì)條件的變形、應(yīng)力及部分構(gòu)件內(nèi)力，并基于軟件GeoStudio 綜合評(píng)價(jià)了地基的安全穩(wěn)定。

1 工程概況

本文以600MW 示范快堆工程為背景依托，取水構(gòu)筑物包括上部取水結(jié)構(gòu)、樁筏基礎(chǔ)與取水涵道，其兩側(cè)為開山石，其中的閘門井結(jié)構(gòu)尺寸為18.8 m×52.8 m×29.3 m（長×寬×高），所采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，取水管道上部為回填塊石，與之比鄰的八字口胸墻分布在取水頭部進(jìn)水口的兩側(cè)，其平面布置如圖1虛線區(qū)域所示。

圖1 取水頭部結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.1 Water intake structure plan

取水頭部的安全穩(wěn)定是核電廠正常運(yùn)行的重要保證。混凝土的參數(shù)值參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范選取，核電廠址地質(zhì)條件復(fù)雜，非均勻性較為突出，廠址上部為第四系，主要為人工填土層及全新統(tǒng)沖海積層，包括回填塊石、粉質(zhì)黏土、碎石，存在明顯軟土，其覆蓋范圍較大；覆蓋層下部為燕山晚期第五次侵入體，主要為長石斑巖。風(fēng)化巖層整體呈傾斜狀明顯，地質(zhì)情況特殊，表1 為取水結(jié)構(gòu)及土體的材料參數(shù)。地基軟土覆蓋區(qū)域明顯，其工程性質(zhì)差，承載力低，受力后發(fā)生沉降與側(cè)滑，且工程難度大，沉降與變形難以控制，依據(jù)工程要求，結(jié)構(gòu)采用樁筏基礎(chǔ)處理，其地質(zhì)斷面如圖2所示。

表1 取水頭部結(jié)構(gòu)和土體的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of soil and structure

圖2 工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological section

2 取水構(gòu)筑物-樁-土相互作用計(jì)算模型

2.1 三維有限元模型

圖3 為ANSYS 軟件所建立的取水構(gòu)筑物-樁-土動(dòng)力相互作用系統(tǒng)分析模型，其中，引入黏彈性邊界處理模型邊界，取水結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元、質(zhì)量單元、梁單元相結(jié)合的模式，實(shí)體單元模擬結(jié)構(gòu)主體與地基，梁單元來模擬樁，質(zhì)量單元模擬動(dòng)水效應(yīng)。樁-土之間的接觸效應(yīng)采用CONTA 接觸單元模擬，對(duì)結(jié)構(gòu)采用靜動(dòng)力聯(lián)合的方法分析結(jié)構(gòu)在作用效應(yīng)下的結(jié)果。地基模擬范圍為從結(jié)構(gòu)兩側(cè)向兩側(cè)各延伸50 m，從底板向下延伸50 m，沿取水頭部軸向方向各延伸60 m。

圖3 整體抗震分析模型Fig.3 Integrated seismic analysis model

圖4為取水頭部與樁基結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，圖5 為地質(zhì)剖面有限元模型，其細(xì)化剖分取水結(jié)構(gòu)整體與非均質(zhì)部分可顯示取水結(jié)構(gòu)的空間分布形態(tài)，地基部分分布較為復(fù)雜，地基中部存在明顯軟弱層，粉色實(shí)體單元為回填塊石，深藍(lán)色實(shí)體單元為碎石，淺藍(lán)色及其下部粉色實(shí)體單元分別為粉砂和粉質(zhì)黏土，最下層藍(lán)色實(shí)體單元為長石斑巖。風(fēng)化巖層整體呈傾斜狀明顯，地質(zhì)情況特殊。

圖4 取水頭部結(jié)構(gòu)抗震分析模型Fig.4 Seismic analysis model of water intake structure

圖5 地基典型地質(zhì)剖面的有限元模型Fig.5 Model of typical geological section of foundation

2.2 黏彈性人工邊界場地模型

地震作用下，黏彈性邊界可反映無限地基的輻射阻尼效應(yīng)。黏彈性邊界是Deeks 在黏性邊界Lysmer 和Seed［9］的基礎(chǔ)上提出并發(fā)展起來的，它可同時(shí)模擬半無限地基的散射波輻射和彈性恢復(fù)能力，且計(jì)算精度高，克服黏性邊界的低頻漂移問題，穩(wěn)定性好。該邊界單元條件采用彈簧-阻尼單元來表示，如圖6所示。

圖6 黏彈性人工邊界數(shù)值模型示意圖Fig.6 Diagram of viscoelastic artificial boundary model

對(duì)于三維黏彈性人工邊界模型，作用在邊界節(jié)點(diǎn)上的法向和切向阻尼器系數(shù)和彈簧剛度系數(shù)則按式（1）和式（2）［10］計(jì)算。

式中：ΔAi為地基區(qū)域外邊界節(jié)點(diǎn)i 的控制面積；ri為地基區(qū)域外邊界節(jié)點(diǎn)i 到次生散射場振源的距離；ρ、G 皆為節(jié)點(diǎn)i 處地基材料的密度；Vs為i 處地基材料的剪切波速；Vp為i處地基材料縱波波速。

2.3 動(dòng)水壓力模型

地震作用下動(dòng)水壓力是取水建筑物抗震設(shè)計(jì)的重要?jiǎng)恿奢d，其對(duì)取水頭部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)影響較大。本文采用等效線性法［12］模擬土體特性，用Housner［13］模型模擬動(dòng)水壓力。

對(duì)于作用在取水建筑物內(nèi)外的地震動(dòng)水壓力，通過節(jié)點(diǎn)附加動(dòng)水質(zhì)量與相應(yīng)的加速度來考慮。對(duì)于取水建筑物外迎水面，墻體的墻前水域可視為無限遠(yuǎn)時(shí)，按Westergaard 公式［12］計(jì)算順流向地震動(dòng)水壓力，計(jì)算公式如式（3）所示。

式中：pw（h）為在地震作用下直立迎水墻面水深h處的動(dòng)水壓力值；ρw為水體密度；H0為水的深度；ah水平方向設(shè)計(jì)地震加速度值。

2.4 地震波時(shí)程曲線

根據(jù)委托單位提供的600 MW 示范快堆工程場地地震安評(píng)資料，地震效應(yīng)采用RG1.60對(duì)取水構(gòu)筑物進(jìn)行校核，廠址基巖在地震效應(yīng)作用下，水平峰值加速度設(shè)計(jì)值取0.075 g，豎向峰值加速度取0.075 g。地震持續(xù)30 s，時(shí)間步長0.01 s，X、Y及Z方向加速度時(shí)程如圖7所示。

圖7 地震波時(shí)程曲線Fig.7 Seismic time history curve

3 地震響應(yīng)分析

本文主要的模擬構(gòu)筑物在動(dòng)水壓力和與地震效應(yīng)共同作用下，以項(xiàng)目原本模型（工況一）為基礎(chǔ)，在相同的荷載作用條件下，探究無樁（工況二）與加長樁（工況三）條件下，加長樁即在原本樁長全部加長3 m，以動(dòng)靜力結(jié)合的方法計(jì)算上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移，樁的剪力及結(jié)構(gòu)的抗傾抗滑穩(wěn)定性，以此作為結(jié)構(gòu)的安全性及適用性的條件。

3.1 樁內(nèi)力計(jì)算

為方便分析，定義樁編號(hào)如圖2所示，給出取水頭部下的10排樁內(nèi)力圖，其內(nèi)力分布如圖8所示。

圖8 取水頭部樁內(nèi)力圖Fig.8 Internal force diagram of a pile withl water intake head

表2 則給出了10 排樁內(nèi)最大的軸力Fy、剪力Fx、彎矩Mx。

由《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）［14］給出單樁極限承載力約為59.39 MN，由圖8 可以看出，軸力最大發(fā)生處在①排樁最頂端，數(shù)值為47.57 MN，這主要是取水構(gòu)筑物在頭部位置的自重較大，導(dǎo)致前排樁的軸力較大；剪力最大發(fā)生處在⑨排樁樁頂，數(shù)值為4.35 MN，從各排樁的剪力分布來看，較大值在剛度變化較大處，變化較為明顯，比如第1、7、9排樁，而在第9排樁處，從土層分布來看，在長石斑巖與混凝土之間僅有很少部分的軟弱夾層，導(dǎo)致在較小的范圍內(nèi)，樁周圍的剛度變化較顯著，從而在第9/10 排樁的建立顯著增大；彎矩最大發(fā)生處在⑦排樁最上端，其值為10.21 MN·m，此處也是不同土層剛度突變之處。綜上可知，夾雜土層及結(jié)構(gòu)的剛度變化，對(duì)樁的內(nèi)力影響較大，在薄弱位置應(yīng)配筋加固，防止發(fā)生破壞。

表2 取水頭部下樁內(nèi)力值Table 2 Internal force of pile under water intake head

3.2 取水結(jié)構(gòu)極限應(yīng)力分析及不同樁基條件下取水結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

如圖9 所示為取水結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力與主壓應(yīng)力分布。從結(jié)構(gòu)的應(yīng)力來看，最大處集中在樁與筏板的接觸面上，主拉應(yīng)力最大為4.77 N/mm2，數(shù)值大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［15］給出的混凝土抗拉設(shè)計(jì)值1.71 N/mm2，取水暗涵與取水頭部接觸處應(yīng)力最大，邊角應(yīng)力集中，這些部位為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行配筋加強(qiáng)，而結(jié)構(gòu)的其他部位的主拉應(yīng)力分布范圍，主要分布在1.5 MPa左右，未超過抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；第三主應(yīng)力為19.0 N/mm2，主要集中在樁與筏板的接觸上，其小于混凝土極限抗壓設(shè)計(jì)值。考慮到結(jié)構(gòu)今后會(huì)配筋加強(qiáng)，在其應(yīng)力集中薄弱處應(yīng)著重注意，使其拉應(yīng)力、壓應(yīng)力滿足極限要求。

圖9 取水頭部結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖Fig.9 Main stress diagram of water intake structure

針對(duì)此結(jié)構(gòu)合理性與安全性，本文校核了正常樁（工況一）、無樁（工況二）與長樁（工況三）條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移。表3 給出取水頭部在不同工況下的計(jì)算結(jié)果。圖10 為取水頭部在各個(gè)方向的變位圖，其在X、Y、Z 方向的最大變位分別為11.5 mm、17.5 mm、16.6 mm，三個(gè)方向均未超過20 mm，結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

表3 取水頭部分析結(jié)果Table 3 Analysis results of water intake structure

加長樁結(jié)構(gòu)的位移于正常樁結(jié)構(gòu)位移大小變化不大，且位移分布趨勢(shì)基本相同，第三主應(yīng)力相應(yīng)的略有減小，第一主應(yīng)力為4.69 N/mm2，第三主應(yīng)力為18.2 N/mm2，第一主應(yīng)力仍超過規(guī)范允許的設(shè)計(jì)值。對(duì)于無樁工況，第一主應(yīng)力為12.1 N/mm2，第三主應(yīng)力為15.7 N/mm2，應(yīng)力較前者明顯變大，且應(yīng)力分布趨勢(shì)過于集中，明顯集中于結(jié)構(gòu)與地基的接觸面上。變形數(shù)值略微改變，水平方向X的變形極值為11.5 mm，豎直方向Y的變形極值為17.5 mm，水平方向Z 的變形極值為16.6 mm。為節(jié)省篇幅，下文僅給出無樁工況的變形圖，如圖11所示。

結(jié)構(gòu)墻體里在外側(cè)、內(nèi)側(cè)、頂部、底部選取典型截面內(nèi)力，圖12 給出取水結(jié)構(gòu)各構(gòu)件編號(hào)分布，本文考慮重力荷載、凈水荷載及地震荷載的組合效應(yīng)。計(jì)算得出，各構(gòu)件軸力最大發(fā)生處為長樁條件下的wall-13 構(gòu)件，其值為12 740 kN；剪力最大發(fā)生處為無樁條件下的wall-4 構(gòu)件，其值為2 954 kN，圖13 給出取水頭部部分結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布大小與趨勢(shì)，從圖wall-13 可以看出上部剪力效應(yīng)，樁基可改善剪力效應(yīng)，嵌巖深度大而效果明顯，依據(jù)內(nèi)力的大小及分布情況，內(nèi)力大處配筋加強(qiáng)。

圖10 取水結(jié)構(gòu)主變形圖Fig.10 Displacement diagram of water intake structure

圖11 無樁取水結(jié)構(gòu)變形圖Fig.11 Displacement diagram of water intake structure without pile

圖12 構(gòu)件位置編號(hào)圖Fig.12 Notation of component location

3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

通過GeoStudio 軟件對(duì)地基整體穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)滑移面位置及安全系數(shù)。圖14給出取水結(jié)構(gòu)斷面有限元計(jì)算模型，圖15 給出了結(jié)構(gòu)在地震效應(yīng)下最危險(xiǎn)滑弧的位置，圖16 給出結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)。

取水結(jié)構(gòu)安全系數(shù)在SL1 作用最小為2.163，滿足規(guī)范給出的安全數(shù)值1.5，取水結(jié)構(gòu)的地基整體穩(wěn)定性滿足抗震規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

基于該工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及地基的特殊性，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)，開展了樁-土-取水頭部結(jié)構(gòu)的抗震安全分析，以動(dòng)靜力結(jié)合的方法計(jì)算，對(duì)比分析不同樁基條件的結(jié)構(gòu)安全性，可得到以下結(jié)論：

圖13 內(nèi)力對(duì)比結(jié)果Fig.13 Internal force comparison

圖14 取水結(jié)構(gòu)二維有限元計(jì)算模型Fig.14 Two dimensional finite element calculation model of water intake structure

圖15 取水結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)滑移面Fig.15 Most dangerous slip surface of water intake structure

（1）基于此結(jié)構(gòu)的安全性，其位移、安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，樁基的內(nèi)力也滿足規(guī)范要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大處，應(yīng)加筋加固，使其滿足要求。

（2）樁基作用可有效減弱上部結(jié)構(gòu)的剪力效應(yīng)，加長樁效果更明顯。嵌入巖的樁長度對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力影響甚微，基于工程經(jīng)濟(jì)性與施工困難程度考慮，正常樁基更適合工程。

圖16 取水結(jié)構(gòu)安全系數(shù)Fig.16 Safety factor of water intake structure

（3）斜坡基礎(chǔ)使土層分布不均勻性更加突出，樁基周圍土的剛度變化顯著，從而樁基剪力和彎矩在突變處會(huì)明顯增大，薄弱位置需進(jìn)行加固處理。

（4）所建立模型可開展復(fù)雜地基條件下的樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用分析，研究成果可為實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。