geo_quake软件在土石坝动力分析中的应用_常倩倩

山东水利2010.1~2

geo-quake 软件在土石坝动力分析中的应用

常倩倩，黄

松，韩

光

（山东省水利勘测设计院，山东济南250013）

收稿日期：200９-10-29

1计算概况

土石坝地震液化分析包括静力计算、动力计算以及液化判定三个环节。静力计算可以确定坝体和坝基在遭遇地震作用前的初始应力状态。在特定初始应力状态及给定地震波作用下，坝体的地震反应可以通过动力计算分析得到。由静力和动力分析结果，结合坝体和坝基材料动力试验参数可以对坝基液化进行判定。

该水库工程地质勘察报告中指出，通过现场原位试验和室内试验的初判和复判，水库坝基①层中粗砂在Ⅷ度地震设防烈度条件下，存在振动液化的可能性。为大体确定液化的分布范围和程度，依据室内静三轴、动三轴试验结果对坝体进行二维有限元的静力、动力分析。根据大坝断面形状及地质条件，选择某坝段典型断面作为计算断面。

2地震烈度

根据山东地质构造分布、地震活动情况以及《中国地震动参数区划图》，该区设计地震动峰值加速度为

0.2g ，设计反应谱特征周期为0.35s ，振动破坏次数为20次。

3地震液化有限元分析

3.1计算软件与模型

本次分析采用加拿大岩土分析软件GEO-STUDIO 中QUAKE/W 模块进行地震分析，QUAKE/W 是一款用

来分析由于地震冲击波、爆炸产生的动态载荷或者突然碰撞产生的冲击载荷等作用下的土工结构动力问题的岩土有限元分析软件。动力分析中土的本构模型采用等效线弹性模型,即在弹性的迭代计算中，每个单元计入与应变有关的剪切模量和阻尼比，再求得与应变水平相应的剪切模量和阻尼比，这种方法就是所谓等效线形迭代法。

3.2液化判定方法

计算模型液化判别方法根据SEED 等人采用循环动三轴试验模拟地基饱和砂层在地震波水平循环剪切作用下的液化判别方式，也是实验室中经常采用的一种液化判别方法，根据实验室做出的正常固结状态下砂层的液化应力比值的大小作为模型判断液化的标准，其中：

CSR=

q d

2σ′v (statlc)

其中：CSR 为液化应力比；q d 为三轴试验中的周期偏应力；σ′v

(statlc)为试样的初始固结压力。

鉴于该水库地震基本烈度为Ⅷ度，采用循环作用次数为20次的试验结果，选取K C =1.5，即固结应力为

100kPa 时的液化应力比值作为判定标准。对于地基中

粗砂，其液化应力比值为0.334。

4计算结果与分析

4.1静力分析

摘要：运用GEO-STUDIO 软件中QUAKE/W 模块，采用等效线形分析模型，对山东某大型水库土石

坝进行动力分析，对该土石坝在地震烈度为Ⅷ度情况下的地震响应和抗液化程度做出评价，以指导土石坝工程设计。

关键词：土石坝；静力分析；动力分析；液化判定中图分类号：TV ３１２

文献标识码：B

文章编号：1009-6159（2010）-0１＋02－0024-03

水利科技24··

SHANDONG WATER RESOURCES NO.1~22010

4.1.1计算模型

土体静力状态下的初始静应力对土石坝地震荷载作用下的动力反应有较大影响，静力计算的目的是为了求出坝体与坝基在遭遇地震作用前的初始应力状态。在有限元静应力分析时，坝体及地基采用邓肯等人提出的非线性弹性的双曲线E-V模型。

4.1.2计算参数

根据地勘报告中试验资料，确定有限元计算的各项参数，见表1。

表1材料静力分析参数表

4.1.3静力分析计算结果

具体分析结果如图1～4：

图1典型断面最大主应力云图（kPa）

图2典型断面最小主应力云图（kPa）

图3防渗墙上游临水面应力等值线图

图4防渗墙下游临水面应力等值线图

由图1～4可知，坝体最大、小主应力整个趋势是随深度而增大，最大主应力发生在坝基处，最小主应力出现在坝体表面，坝体及坝基中均未出现拉应力；在浮力及渗透力作用下，坝体上游坝壳的应力均比下游侧要小；防渗墙的应力均为压应力，同样，在浮力以及渗透力的作用下，防渗墙上游临水面的应力也比下游侧小。

4.2动力分析

4.2.1计算模型——

—等效线形模型

在地基强烈震动的条件下，大多数土的应力-应变关系都具有非线性性质，如图5，为了能对土的复杂的动力特性作简化处理，把模型简化成一条直线的应力-应变关系，即连接1和4两顶点，就成为等效线形模型，本次动力分析采用等效线性模型。

图5土的应力应变特性

图６水库地震加速度时程曲线

4.2.2动力分析参数

根据地勘报告中动三轴试验资料，确定动力分析计算的各项参数（见表2），具体有凝聚力、摩擦角、饱和容重、泊松比、动力参数采用固结比Kc=1.5，固结应力为100kPa时的试验结果,包括剪切模量方程、模量衰减方程、阻尼比方程、循环周数方程、孔隙水压力比方程，其中，剪切模量方程与围压和材料的塑性指数有关，孔隙水压力比方程与土体的材料性质有关，模量衰

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γ10-510-45×10-410-35×10-310-25×10-210-1

主坝后期心墙粘土G/Gmax 0.9990.990.860.760.390.240.070.03Ｄ0.0480.04820.0830.1020.1840.1660.1780.180主坝心墙粘土G/Gmax 0.980.970.8750.780.3980.270.070.04Ｄ0.0410.04120.0830.1050.1680.1870.210.211上游坝坡砾质土G/Gmax 0.980.970.8050.700.300.2890.0350.015Ｄ0.0260.0270.06850.0910.1750.1940.2210.223下游坡砾质土G/Gmax 0.990.9850.8910.820.4550.3150.080.04Ｄ0.0480.04820.0910.1110.1830.2050.2300.232下游坡砾质粗砂G/Gmax 0.9990.9950.9500.920.6580.510.1510.08Ｄ0.00010.0010.010.0230.090.130.250.271坝基中粗砂

G/Gmax 0.970.9650.860.770.3600.2950.0560.04

Ｄ0.0030.00310.0260.050.1580.2040.2660.274

Ｎf

5102050100主坝后期心墙粘土τL /σ０′0.47

0.4680.4660.400.38主坝心墙粘土τL /σ０′0.520.510.5050.40.39下游坡砾质土τL /σ０′

0.370.340.3350.30.29下游坡砾质粗砂τL /σ０′0.4050.390.3740.340.32坝基中粗砂

τL /σ０′

0.385

0.359

0.334

0.30

0.282

减方程与阻尼比方程参数参见表3，循环周数方程参数见表4。

表2

等效线性模型参数表

表3坝基及坝体材料动剪切模量、阻尼比与剪应变关系

表4坝基及坝体材料循环周数与液化剪

应力比关系表

4．2．3地震加速度时程曲线

动力分析除采用等效线形模型参数外，还需确定该地区的地震加速度时程曲线。由水库地质勘察报告可知，本区地震动反应谱特征周期为0.35s ，地震动峰值加速度为0.20g ，相应地震基本烈度Ⅷ度。该典型断面坝段场地为中软土，场地类别为II 类，地震反应谱特征周期为0.45s ，地震动反应谱特征周期为0.25s 。根据《水工建筑物抗震设计规范》，结合地质勘探资料，经计算分析最不利情况下选用的地震加速度时程曲线，如图6所示。

4.2.4动力分析结果

（1）加速度反应。根据《水工建筑物抗震设计规范》，由于坝体的动力放大作用，坝体上部的地震加速度较下部大，在坝顶附近地震加速度最大，图7和图8

是QUAKE/W 程序记录的计算过程中坝顶和坝底处的

x 方向加速度曲线，满足规范要求。

（2）地震结束时坝体液化情况。土石坝在地震结束时的液化区域分布如图9所示，图中深色区域表示发生液化，从图中可以看出液化区主要分布在坝基①层压重以外坝踵与坝脚部位，该部分液化区为中粗砂，因其具有较低的抗液化能力，故最易发生液化，曲线值表示液化应力比值，根据液化判定方法，即液化应力比大于0.334时，材料发生液化，与工程地质勘察报告中对液化发生的有关结论相吻合。

图7大坝坝顶x 方向图8大坝坝底x 方向加速度记录曲线

加速度记录曲线

图9典型断面大坝液化分布图

5结语

（1）由静力分析结果可知，坝内为压应力，没有出

现拉应力，最终得出该土石坝在静力条件下是稳定的。

（2）从动力计算结果分析，由于大坝采取了压重处理措施，液化区主要分布在坝体外侧的中粗砂坝基内，对大坝安全没有影响。

（3）根据试验与有限元计算结果对比可得，应用

QUAKE/W 软件，不仅能分析大坝的应力分布状态，同

时能够很好得反应出土石坝在地震情况下的地震响应和动力稳定性（砂壳料的液化程度），对工程设计具有重要意义。

参考文献：

[1]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社，1996.

[2]顾淦臣.土石坝地震工程[M].南京：河海大学出版社，1989.

地层岩性等效线性模型参数

凝聚力内摩擦角饱和容重泊松比塑性指数

主坝后期心墙粘土17.517.319.6参见静力分析参数

17.2主坝心墙粘土251819.918.2上游坝坡砾质土1518.82012.4下游坡砾质粗砂030.020.22下游坡砾质土32.023.819.9512.4

坝基中粗砂

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