一种考虑河谷场地地形效应的地震液化判别方法

技术领域

本发明属于地震液化判别技术领域，具体涉及了一种考虑河谷场地地形效应的地震液化判别方法。

背景技术

土体液化是建筑物震害的主要来源之一，因此，世界各国的抗震设计规范中都涉及到地基土液化判别方法。国内外进行土体液化判别的方法主要分为两类。一是通过地震现场调查总结的经验分析法，即通过对液化或非液化场地震害进行调查并总结经验判别公式。我国规范采用的方法属于这一类，规范给出饱和砂土、粉土的标准贯入锤击数临界值。当现场的饱和砂土、粉土实测标贯锤击数小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时，判为液化土。二是通过现场或室内土体试验，确定土体液化量化参数来判定其是否液化。以Seed简化判别法为例，是以地震动剪应力比为液化判别参量，即地震产生的动剪应力与对应深度处的土体上覆有效应力的比，如果地震剪应力比大于土体的抗液化强度，则该处将发生液化。

目前，在我国西部地区的高山峡谷之中已建、在建以及拟建许多大型水坝等重要基础设施工程。这些重点工程多处于印度板块和欧亚板块交接带，周围分布系列小密集断裂带，板块运动活跃，地震潜在威胁严重，属于高地震烈度区。河谷场地土体液化是最主要的震害之一，合理地防范解决河谷场地重点工程地震灾害是国家的重大需求。地震是三维运动，包括两个水平运动和一个竖向运动。从理论上说来，抗震设计应考虑三向地震作用效应的组合。河谷场地地形通常会导致复杂的地震波反射、折射和散射，这可能导致地震波的集中和放大，从而加剧地震作用。规范规定，对于强震区(抗震设防烈度8度及其以上区域)竖向地震作用不可忽视。对三向地震作用，现行规范没有明确要求，但建议对强震区、地形特殊区域还应考虑三向地震作用效应的组合。

我国规范法和Seed简化法进行地基土液化判别时，对地震作用仅考虑与设计地震烈度的相关性，均未也无法考虑地震多向性及场地的地形效应对地震荷载的影响，仅适用于可以将场地视为水平成层场地的情况。现有技术中缺少一种将河谷场地地形效应与场地液化进行耦合的地震液化判别方法。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种考虑河谷场地地形效应的地震液化判别方法。

本发明所采用的技术方案如下，包括以下步骤：

步骤S1、首先对目标河谷场地进行现场勘察，得到河谷场地的地质勘探数据，再根据地质勘探数据提取出河谷场地中基岩和覆盖层的坐标数据；

步骤S2、利用河谷场地的坐标数据，建立二维的河谷场地模型，并对河谷场地模型进行有限元分析，得到河谷场地的地震响应分析结果；

步骤S3、根据地震响应分析结果对河谷场地进行地震液化分析，获取目标河谷场地的液化判别结果。

所述的步骤S2具体为：

步骤S2.1、基于现场原位试验，获取河谷场地中基岩和覆盖层的材料本构模型；

步骤S2.2、根据河谷场地的坐标数据和材料本构模型，利用有限元软件建立二维的河谷场地模型；所述河谷场地模型包括横河向河谷场地模型和顺河向河谷场地模型，横河向河谷场地模型的平面与河流流向垂直，顺河向河谷场地模型的平面与河流流向平行；

步骤S2.3、根据河谷场地模型的边界条件，对河谷场地模型进行地应力平衡，以获取河谷场地模型的地应力；

步骤S2.4、根据现场河谷场地的地震动时程，得到河谷场地模型中无限元人工边界上各个节点的地震动等效节点力，并将地震动等效节点力施加到无限元人工边界的各个对应节点上；

步骤S2.5、对施加节点力的河谷场地模型进行有限元分析，得到河谷场地模型的地震响应分析结果，所述地震响应分析结果包括地震加速度时程和竖向有效应力。

所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S3.1、在横河向/顺河向河谷场地模型中取一单元体，根据步骤S2中得到的地震响应分析结果提取出单元体上各个节点的地震加速度时程；

步骤S3.2、沿着河谷场地的深度方向，分别对横河向、顺河向的地震加速度时程进行积分，以得到单元体在任一深度处横河向、顺河向的动剪应力时程；接着将同一位置处单元体在横河向、顺河向的动剪应力时程进行矢量叠加，得到该位置处的最终动剪应力时程；将最终的动剪应力时程与竖向有效应力的比值作为该位置处的动剪应力比时程，在各个位置处的动剪应力比时程曲线中提取最大动剪应力比作为该位置处的目标地震动剪应力比；

步骤S3.3、将目标地震动剪应力比与场地抗液化强度进行对比，获取目标河谷场地在各个位置处的液化判别结果。

所述步骤S2.1的具体步骤为：

步骤S2.1.1、分别对基岩和覆盖层进行现场原位试验，得到基岩岩体的剪切波速和覆盖层土体的力学参数，所述覆盖层土体的力学参数包括覆盖层土体的剪切波速V

步骤S2.1.2、将现场原位试验获取的基岩岩体的剪切波速导入至基岩的弹性本构模型中，得到基岩材料本构模型的模型参数；

步骤S2.1.3、采用Mises屈服准则和相关联流动法则，将覆盖层土体的力学参数导入至覆盖层的弹塑性本构模型中，得到覆盖层材料本构模型的模型参数；所述覆盖层的弹塑性本构模型参数包括初始运动硬化模量C、初始屈服应力σ

所述步骤S2.2中河谷场地模型的建立包括以下步骤：

步骤S2.2.1、首先根据基岩和覆盖层的坐标数据构建基岩-覆盖层二维模型，然后将基岩-覆盖层二维模型边缘向外延伸以形成人工边界，并将带有人工边界(3)的基岩-覆盖层二维模型作为河谷场地有限元模型；

步骤S2.2..2、根据步骤S2.1获取的基岩和覆盖层的材料本构模型分别设定河谷场地有限元模型中基岩和覆盖层的材料特性；

步骤S2.2.3、设置静动力分析步，包括静力学分析步和动力学分析步；

步骤S2.2.4、对二维的河谷场地有限元模型进行网格划分，得到若干个网格单位；

步骤S2.2.5、将人工边界的单元类型由初始的有限元修改为无限元，使得初始的人工边界转换为无限元人工边界，同时河谷场地有限元模型转换为河谷场地有限元-无限元耦合模型，并将无限元人工边界作为河谷场地模型的边界条件。

所述的步骤S2.3具体为：

步骤S2.3.1、首先将步骤S2.2中人工边界的单元类型由无限元修改成初始的有限元，接着基于弹性分析，采用河谷场地模型的边界条件，对河谷场地有限元模型施加重力以对有限元模型进行地应力平衡，并将地应力平衡后得到的模型地应力作为初始地应力；

步骤S2.3.2、基于塑性分析，采用地应力平衡odb导入法将步骤S2.3.1得到的初始地应力作为预应力输入至河谷场地有限元-无限元耦合模型中，再对有限元-无限元耦合模型中的有限元区域施加重力以对耦合模型进行地应力平衡，并将地应力平衡后得到的模型地应力作为最终地应力。

所述步骤S2.4中无限元人工边界上各个节点的地震动等效节点力的获取方式具体为：

无限元人工边界中底部节点的等效节点力按照以下公式处理得到：

其中，

无限元人工边界中侧边节点的等效节点力按照以下公式处理得到：

其中，

所述步骤S3.3中对比地震动剪应力与场地抗液化强度以进行地震液化判别，具体为：首先，将场地抗液化强度与地震动剪应力比的比值作为河谷场地的土体抗液化安全系数Fs，根据土体抗液化安全系数Fs对地震液化进行判别：

若土体抗液化安全系数Fs小于1，则表明该位置处会发生地震液化现象；

若土体抗液化安全系数Fs不小于1，则表明该位置处不会发生地震液化现象。

本发明方法基于ABAQUS有限元软件，采用无限元人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼，以等效节点力的形式实现了地震动非一致性输入(或一致性输入)，完成了二维河谷场地非线性地震响应分析，并提取能够反应河谷场地地形效应的顺河向和横河向模型的地震加速度，基于牛顿第二定律，沿深度方向对地震加速度进行积分，得到任意位置处动剪应力时程，对顺、横河向的动剪应力进行矢量叠加并与该位置处竖向有效应力做比，取各位置剪应力比最大值作为地震动剪应力比，与场地土体抗液化强度进行对比，实现河谷场地的地震液化判别，可为拟建工程的选址、场地抗液化的方案设计等提供参考。

分别在横河向和顺河向模型中模拟地震波垂直入射作用，再提取顺河向和横河向模型中的地震响应加速度，基于牛顿第二定律，沿深度方向对地震加速度进行积分，得到动剪应力时程，对顺、横河向的动剪应力时程进行矢量叠加，可以获得任意位置处水平两向地震作用组合下的地震剪应力；在横河向模型中输入斜入射地震波，能模拟竖向和水平向地震作用组合，再与顺河向模型中垂直入射地震波作用下的地震剪应力矢量叠加，可以获得三向地震作用组合下产生的地震剪应力时程。取各位置剪应力比最大值与该位置处土体竖向有效应力做比，作为地震动剪应力比，与对应土体的抗液化强度进行对比，可以实现河谷场地的地震液化判别，可为拟建工程的选址、场地抗液化方案的设计等提供参考。

本发明的有益效果：

1、本发明方法通过横河向、顺河向二维精细化模型非线性地震响应分析，能模拟地震波在河谷场地地形中的折射、反射和散射，在地震荷载计算中考虑河谷场地空间地形效应对地震荷载的放大或抑制作用，计算结果与三维数值模拟吻合，同时大大提高了计算效率。

2、本发明基于ABAQUS有限元软件，采用无限元人工边界模拟半无限地基的辐射阻尼，以等效节点力的形式实现了地震动波动输入，能很好得模拟长、大结构中不可忽视的地震波传播特性，与地震波振动输入法相比，能更真实得反映地震动传播的空间非一致性、地震波能量的空间辐射阻尼效应。

3、本发明能反映三向地震作用的不同组合效应。通过对横河向和顺河向模型中模拟地震波垂直入射作用，可以获得三向地震作用组合下产生的地震剪应力时程。再与对应土体的抗液化强度进行对比，可以实现河谷场地的地震液化判别，可为拟建工程的选址、场地抗液化方案的设计等提供参考。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为河谷场地三维示意图；

图3为河谷场地的横河向模型网格划分图；

图4为河谷场地的顺河向模型网格划分图；

图中：1-基岩；2-覆盖层；3-无限元人工边界。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明，以下实施案例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

本发明方法包括以下步骤，如图1所示：

步骤S1、首先对目标河谷场地进行现场勘察，得到河谷场地的地质勘探数据，再根据地质勘探数据利用AutoCAD提取出河谷场地中基岩和覆盖层的二维坐标数据；同时，基于目标河谷场地的现场地震安评资料，确定现场基岩边界的地震动参数/地震动时程；

步骤S2、利用河谷场地的坐标数据，建立二维的河谷场地模型，并对河谷场地模型进行有限元分析，得到河谷场地的地震响应分析结果；

步骤S3、根据地震响应分析结果对河谷场地进行地震液化分析，获取目标河谷场地的液化判别结果。

具体实施中，步骤S2具体为：

步骤S2.1、基于现场原位试验，获取河谷场地中基岩1和覆盖层2的材料本构模型，如图3和图4所示，其中覆盖层采用弹塑性本构模型，基岩采用弹性本构模型；

步骤S2.2、根据河谷场地的坐标数据和材料本构模型，利用ABAQUS有限元软件建立二维的河谷场地模型；河谷场地模型包括横河向河谷场地模型和顺河向河谷场地模型，横河向河谷场地模型的平面与河流流向垂直，顺河向河谷场地模型的平面与河流流向平行；其中，河谷场地的坐标数据包括基岩和覆盖层的坐标数据；

步骤S2.3、根据河谷场地模型的边界条件，对横河向/顺河向河谷场地模型进行地应力平衡，以获取河谷场地模型的地应力；

步骤S2.4、根据现场河谷场地的地震动时程，得到河谷场地模型中无限元人工边界上各个节点的地震动等效节点力，并通过地震动非一致性输入或一致性输入将地震动等效节点力施加到无限元人工边界的各个对应节点上；

步骤S2.5、基于模型地应力，对施加节点力的横河向/顺河向河谷场地模型进行有限元分析，得到横河向/顺河向河谷场地模型的地震响应分析结果，地震响应分析结果包括地震加速度时程和竖向有效应力。

步骤S3包括以下步骤：

步骤S3.1、在横河向/顺河向河谷场地模型中取一单元体，根据步骤S2中得到的地震响应分析结果提取出单元体上各个节点的地震加速度时程；

步骤S3.2、沿着河谷场地的深度方向，分别对横河向、顺河向河谷场地模型中单元体的地震加速度时程进行积分，以得到单元体在任一深度处横河向、顺河向的动剪应力时程；接着将同一位置处单元体在横河向、顺河向的动剪应力时程进行矢量叠加，得到该位置处的最终动剪应力时程；将最终的动剪应力时程与竖向有效应力的比值作为该位置处的动剪应力比时程，在各个位置处的动剪应力比时程曲线中提取最大动剪应力比作为该位置处的目标地震动剪应力比；

步骤S3.3、将目标地震动剪应力比与给定的场地抗液化强度进行对比，获取目标河谷场地在各个位置处的液化判别结果。

步骤S1.1中提取出基岩和覆盖层的坐标数据通过AutoCAD实现，步骤S3.1提取单元体上每一节点的地震加速度时程通过Python编译实现，步骤S2.4中以等效节点力的形式实现地震动非一致性输入或一致性输入和步骤3.2中沿深度方向的动剪应力比时程获取分别通过Matlab编译实现。

步骤S2.1的具体步骤为：

步骤S2.1.1、分别对基岩和覆盖层进行现场原位试验，得到基岩岩体的剪切波速和覆盖层土体的力学参数，覆盖层土体的力学参数包括覆盖层土体的剪切波速V

步骤S2.1.2、选取基岩对应的弹性本构模型，将现场原位试验获取的基岩岩体的剪切波速导入至基岩的弹性本构模型中，得到基岩材料本构模型的模型参数；

步骤S2.1.3、选取覆盖层对应的弹塑性本构模型，采用Mises屈服准则和相关联流动法则，将覆盖层土体的力学参数导入至覆盖层的弹塑性本构模型中，得到覆盖层材料本构模型的模型参数；覆盖层的弹塑性本构模型参数包括初始运动硬化模量C、初始屈服应力σ

具体实施中，覆盖层的弹塑性本构模型参数按照以下公式处理得到：

式中，ρ为土体密度；υ为泊松比；λ为中间参数，通过G/G

步骤S2.2中横河向/顺河向河谷场地模型的建立包括以下步骤：

步骤S2.2.1、首先在有限元软件中根据基岩和覆盖层的坐标数据构建横河向/顺河向基岩-覆盖层二维模型，然后将横河向/顺河向基岩-覆盖层二维模型的两侧以及下部边缘向外延伸以形成人工边界3，并将带有人工边界(3)的横河向/顺河向基岩-覆盖层二维模型作为横河向/顺河向河谷场地有限元模型；

步骤S2.2..2、根据步骤S2.1获取的基岩和覆盖层的材料本构模型分别设定横河向/顺河向河谷场地有限元模型中基岩和覆盖层的材料特性，具体实施中，人工边界(3)的材料特性和与其接触材料的材料特性一致，即人工边界(3)中与基岩接触的部分采用基岩的材料本构模型进行材料特性设定，人工边界(3)中与覆盖层接触的部分采用覆盖层的材料本构模型进行材料特性设定；

步骤S2.2.3、设置静动力分析步，包括静力学分析步和动力学分析步；

步骤S2.2.4、对二维的横河向/顺河向河谷场地有限元模型进行网格划分，得到若干个网格单位；

步骤S2.2.5、将人工边界3的单元类型由初始的有限元修改为无限元，使得初始的人工边界3转换为无限元人工边界，同时横河向/顺河向河谷场地有限元模型转换为横河向/顺河向河谷场地有限元-无限元耦合模型，并将无限元人工边界作为河谷场地模型的边界条件，模型的边界条件包括位移边界、速度边界、应力边界；河谷场地模型包括河谷场地有限元模型以及河谷场地有限元-无限元耦合模型；

其中，步骤S2.2.1-步骤S2.2.4为构建获得初始模型，步骤S2.2.5为优化模型步骤，用于后续的计算无限元人工边界参数、地震响应分析等。

步骤S2.3具体为：

步骤S2.3.1、首先将步骤S2.2中人工边界3的单元类型由无限元修改成初始的有限元，接着基于弹性分析，采用河谷场地模型的边界条件，对横河向/顺河向河谷场地有限元模型施加重力以对有限元模型进行地应力平衡，并将地应力平衡后得到的模型地应力作为初始地应力；同时获取有限元模型的竖向位移，当模型的竖向位移小于10

步骤S2.3.2、基于塑性分析，采用地应力平衡odb导入法将步骤S2.3.1得到的初始地应力作为预应力输入至横河向/顺河向河谷场地有限元-无限元耦合模型中，再对有限元-无限元耦合模型中的有限元区域施加重力以对耦合模型进行地应力平衡，并将地应力平衡后得到的模型地应力作为横河向/顺河向河谷场地模型所对应的最终地应力。

步骤S2.4中无限元人工边界上各个节点的地震动等效节点力的获取方式具体为：

具体实施中，根据现场河谷场地的地震动时程，可通过地震动非一致性输入或一致性输入将地震动等效节点力施加到无限元人工边界的各个对应节点上，使得河谷场地模型的受力情况更接近真实情况；当采用地震动一致性输入时，利用SV波垂直入射到无限元人工边界上，一致性输入下的地震动等效节点力计算式如下：

无限元人工边界中底部节点的等效节点力按照以下公式处理得到：

其中，

无限元人工边界中侧边节点的等效节点力按照以下公式处理得到：

其中，

等效节点力的上标表示节点所在有限元边界界面的外法线方向、下标表示节点号和分量方向，负号代表与坐标轴方向相反，x轴的正方向为从左指向右的方向。如图3所示为河谷场地的横河向模型，图中x轴与河流流向垂直；如图4所示为河谷场地的顺河向模型，图中x轴与河流流向平行；y轴均为深度方向。

步骤S3.3中对比地震动剪应力与场地抗液化强度以进行地震液化判别，具体为：首先，将场地抗液化强度与地震动剪应力比的比值作为河谷场地的土体抗液化安全系数Fs，根据土体抗液化安全系数Fs对地震液化进行判别：

若土体抗液化安全系数Fs小于1，则表明该位置处会发生地震液化现象；

若土体抗液化安全系数Fs不小于1，则表明该位置处不会发生地震液化现象。

为了验证本发明的准确性，将三维河谷场地模型作为对照组进行对比：

一般认为三维精细化动力时程分析方法是比较准确的分析方法，但是其具有很大的缺点，如算法过于复杂、模型计算分析耗时较大，在实际之中应用有限，通常作为其他方法的评价标准。将同一地震波分别输入三维模型(如图2所示)和本发明方法模型中，以三维模型计算所得到的结果作为基准，发现通过本发明提供的一种考虑河谷场地地形效应的地震液化判别方法计算得到的地震加速度，与三维模型结果十分接近。由于本发明的运算效率与三维模型相比更高，具有良好的工程适用性。

本发明二维河谷场地非线性地震响应分析与三维地震响应分析比较而言，大大减少了运算成本，结果证明，此模型计算结果与三维模型计算结果吻合较好，能够准确反应河谷场地中的土体动力响应，可为拟建工程的选址、场地抗液化方案的设计等提供参考。

本发明分别在横河向和顺河向模型中模拟地震波垂直入射作用，再提取顺河向和横河向模型中的地震响应加速度，基于牛顿第二定律，沿深度方向对地震加速度进行积分，得到动剪应力时程，对顺、横河向的动剪应力时程进行矢量叠加，可以获得任意位置处水平两向地震作用组合下的地震剪应力；在横河向模型中输入斜入射地震波，能模拟竖向和水平向地震作用组合，再与顺河向模型中垂直入射地震波作用下的地震剪应力矢量叠加，可以获得三向地震作用组合下产生的地震剪应力时程。取各位置剪应力比最大值与该位置处土体竖向有效应力做比，作为地震动剪应力比，与对应土体的抗液化强度进行对比，可以实现河谷场地的地震液化判别，可为拟建工程的选址、场地抗液化方案的设计等提供参考。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。