單相土體與飽和土體地下結構地震反應對比研究

王相寶 趙 凡

（中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著經濟的發展和城市化進程的加快，交通堵塞是困擾城市發展的主要問題之一。因此加快對城市地下空間的開發與利用，修建地下交通工程，對于城市的發展具有十分重大的經濟和社會意義。城市內的地鐵工程，沿海和沿江城市的跨海、越江水底隧道工程，大大提高了通行效率，縮短了通勤時間。上述結構分別屬于單相土體場地、飽和土體場地的地下結構。

我國位于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震之間，地震活動頻度高、分布廣，而且全國半數以上的城市位于7度（0.1g）或以上的地震區，因此，對地下結構的抗震問題研究則具有非常重要的意義。本文將基于ABAQUS有限元軟件分析平臺，開展飽和土體場地與單相土體場地中地下結構地震反應的對比研究。

1 計算模型

基于ABAQUS有限元軟件平臺，對單相土體-地下結構、飽和土體-地下結構體系的地震反應進行模擬計算。算例為：水平向100m，高30m，結構水平向16m，高6m，結構內有一根截面寬0.4m的柱子，截面如圖2所示，結構埋深6m，左右土體寬度均為42m，結構頂板厚0.8m，底板厚0.85m，左右墻厚0.7m。土體及結構的材料參數如表1所示。

表1 場地土體及結構參數

飽和土體網格尺寸大部分為21m，結構周圍區域的土體進行了網格加密，如圖1所示；結構的網格尺寸大部分為0.3×0.2m，局部區域進行了網格加密，如圖2所示。并選取結構中的單元A、B為研究對象。

圖1 場地土體有限元計算模型

圖2 地下結構有限元計算模型

本算例選用天津波作為入射地震波進行地震反應的數值模擬,該地震波為天津寧河地震南北方向分量的地震記錄，其震級M=6.9，持時為19.2s，采樣點的時間間隔為0.01s，其加速度時程如圖3所示。本算例通過ABAQUS CAE建立數值分析模型，邊界采用的是應力型局部人工邊界，即將輸入地震轉化為作用于黏彈性人工邊界結點上的等效荷載的方法來實現地震動輸入。

圖3 輸入地震加速度時程

2 單相土體場地與飽和土體場地中地下結構地震反應對比

地震反應最后時刻單相土體與飽和土體中地下結構的應力云圖如圖4所示，單元A在單相土體、飽和土體的應力時程曲線如圖5所示，單元B在單相土體、飽和土體的應力時程曲線如圖6所示。

圖4 地震反應最后時刻結構應力云圖

由圖4可知，地震輸入最后時刻，單相土體中結構與飽和土體中結構的應力云圖呈對稱分布，且均在結構底角區域、混凝土柱頂部兩側區域、頂板中部外側區域出現了應力集中；與單相土體中的結構相比，飽和土體中結構的Mises應力值較大，應力集中區域較多，區域面積較大，并且在混凝土柱區域也出現了較大的應力集中。

飽和土體中結構的Mises應力幅值整體大于單相土體中結構的應力幅值。由圖5可知，單相土體中結構單元A的應力最大值為4.0MPa，飽和土體中結構單元A的應力最大值為4.3MPa；由圖6可知，單相土體中結構單元A的應力最大值為6.5MPa，飽和土體中結構單元B的應力最大值為6.7MPa。

圖5 單元A的應力時程曲線

圖6 單元B的應力時程曲線

3 結束語

本文在ABAQUS有限元計算軟件平臺上，開展了單相土體地下結構、飽和土體地下結構地震反應的對比研究，飽和土體基于二維流固耦合兩相介質動力模型孔壓單元進行模擬，地震波輸入通過設置黏彈性人工邊界，等效結點荷載來實現。在研究中發現：

（1）在地震反應最后時刻，單相土體中結構與飽和土體中結構的應力云圖呈對稱分布，且均在結構底角區域、混凝土柱頂部兩側區域、頂板中部外側區域出現了應力集中；

（2）與單相土體中的結構相比，飽和土體中結構的Mises應力值較大，應力集中區域較多，區域面積較大。