宋亚平　陈硕

摘 要：吹填砂场地用于现代化建设的步伐越来越快，调查探究场地的卓越周期、正确规避场地振动液化等工程实际问题是沿海区域场地扩展的紧要环节。本文在某吹填场地的基础上，施加人工合成地震动，通过ANSYS模态分析、谱分析和时程分析，探讨吹填场地在成陆过程中动力特性的演变历程，得出了一些有意义的结论。力求为探究吹填砂场地卓越周期的演化和陆后建设的抗震设防提供初步的依据。

关键词：吹填砂；卓越周期；密实度；动力响应

在经济高速发展的趋势下，沿海地区的建设用地已不能与其建设规模相适应，用地匮乏与城市建设的矛盾加剧了吹填工艺的发展。为了适应开发建设的需求，国内一些沿海地区在吹填的同时，进行场地的开发，地质条件特殊，表层多为5m左右的吹填砂，下覆深厚欠固结海积软土层，承载能力低、含水量大，加之沿海区域地震作用发生频繁。

目前，强夯法、高真空击密法、振冲法等地基处理方法虽能在提高地基承载力方面取得较明显的效果。但吹填场地在地震作用下表现的震陷、液化等地基失效现象，还需要进一步的探索。本文以防城港地区某一吹填场地为研究对象，通过计算机模拟不同密实度下的吹填砂场地，探索其在远场强震下的动力响应，以求为工程建设和防震防灾提供一定的科学依据。

1 动力响应分析

1.1 場地地质条件的设定

在深厚的海积软土层上利用吹填工艺进行粉细砂、粉土的吹填形成吹沙型填海场地，为城市开发建设创造了场地条件。通过地质勘探，揭露出场地土层通常为以粉细砂为主的吹填土，厚度约5～8m，处于中压缩性粉土或粉质粘土，厚度约为5～10m，具有高压缩性的海积淤泥质土层，具有高承载力和低压缩性的基岩层，呈现出明显的层状结构特性。为更真实的模拟工程实际，取四个具有代表性的土层形成场地模拟单元。其中海积软土层深至基岩层，往往厚度较大，以北部湾地区吹填场地工程实践经验取代表值30m。设置三种不同的吹填砂层密实度以适应场地长期荷载下密实度的变化。同时吹填场地往往受海浪、潮汐等多复杂因素的影响，加之土体性质的各向异性，往往使模拟计算难以展开。为简化计算假设各土层为位移相互协调的水平层状结构体，且不考虑孔隙水压力的影响。

模拟试样取自防城港某吹填砂场地，通过对其进行固结等室内试验得出其基本物理性能参数如下：其中海积软土层的为1590kg·m-3，c为17.70KPa，φ为8.61°，ES为1.301Mpa；粉质粘土的为1812kg·m-3，c为28.86KPa，φ为10.65°，ES为2.210Mpa；粉细砂的分别为1521kg·m-3、1637kg·m-3、1702kg·m-3，c分别为3.621KPa、4.124KPa、4.450KPa，φ分别为27.61°、29.61°、32.05°，ES分别为31.02MPa、38.31MPa、51.62MPa。

1.2 有限元模型的建立

为简化计算应用平面应变单元建立100m×50m的二维均质半无限空间。并利用有限元的二次开发功能在场地非自由边建立二维粘弹性人工边界模型，来模拟场地的弹性恢复和地震波的反射性能，以更好地实现场地边界效果，且粘弹性人工边界对各频率地震成分均表现出良好的稳定性 [ 1 ]。其中，粘弹性人工边界是通过具有特定刚度和阻尼的COMBIN14单元来实现的，且其准确性和合理性与常规的理论积分法趋于一致，计算精度良好。并在不同土层之间设置面面接触单元，网格尺寸设为1m×1m，按照各工况的物理性能参数建立有限元模型。

长周期地震动对建筑设施的破坏越来越引起人们的关注，场地陆后建设应更加考虑远场强震的抗震设计。因目前远场实震资料较少，很难满足工程设计需要，加之深厚土体对实震记录频率的过滤性能的复杂性，故本文依据设计规范反应谱采用人工合成地震动。根据广西北部湾地区的场地类别、设防烈度、场地特征周期等得出其设计规范反应谱曲线。并把规范反应谱导入地震动合成软件进行地震动的合成、过滤和基线修正。最终形成的地震动，时程为20s，时间步长为0.01s，最大加速度为36.205cm/s2。

1.3 不同工况地震响应分析

模态分析主要是通过对场地的绝对刚度和质量分布进行整体的和宏观的构造概念意义上的分析。通过对三种工况分别进行模态分析，并取相应的自振频率进行曲线拟合。得出在特定工况下，各阶阵型呈线性直线缓慢增长趋势，变化幅度不大，且随着吹填砂层密实度的增加其拟合曲线逐渐从下往上分布。谱分析是通过合并各周期分量下的阵型响应来构造结构在地震荷载下的响应峰值的一种动力计算方法[ 2 ]。通过对各工况场地施加水平地震加速度反应谱进行单点响应谱分析，提取卓越周期，得出相应周期下的动力响应值。发现工况三场地卓越频率最大，且对三种工况的卓越频率进行曲线拟合，其相关性呈指数增长，相关系数达到0.998以上。

动力时程分析是一种被广泛认可的抗震设计分析方法，它在弹性理论的基础上使结构动力响应的全过程更加清晰明了，有效的规避了反应谱分析方法的局限性。建立二维有限元模型，并在其非自由边建立粘弹性人工边界，把人工合成的长周期地震波在模型底部垂直入射。其中地震动输入方法的计算精度已得到充分的验证。通过分析发现，吹填砂层对输入地震动的峰值加速度具有明显的放大作用，放大系数约为基岩层的4～5倍，但密实度对放大效应的影响不明显。同时发现，基岩层、深厚海积软土层、粉质粘土层对输入地震动的放大系数也呈现明显的差异。其中海积软土层的放大系数明显大于粉质粘土层，由此表明，通过地基处理来提高土体的固结程度具有一定的减震作用，但具体起作用的频率区段尚需要进一步的探究。

2 结语

本文通过对不同密实度的吹填砂场地进行模态分析、谱分析和动力时程分析，得出吹填场地成陆后随着施工荷载的增加，场地固结程度的增大，其自振频率逐步增大且呈指数增长趋势，进行陆后建设时应尽可能的避开固有频率段，减少共振。不同工况对输入地震动的放大作用不明显，这可能是由土体的固有特性对地震波的特有的过滤作用所导致。仅探究吹填砂层变化对动力特性的影响具有明显的局限性，吹填砂层密实度变化的同时，下覆深厚软土层的固结程度也在逐步提高，进一步探究二者协调变化情况下场地卓越周期的演化、场地不同深度处动力响应的分布规律以及场地孔隙水压力的变化等特性将具有更深刻的现实意义，也为下一步探究提供了方向。

参考文献：

[1] 刘晶波，王振宇，杜修力，等.波动问题中的三维时域粘弹性人工边界[J].工程力学，2005，22（6）： 46-51.

[2] 鲁俊辉，佘成学.水工隧洞地震反应影响因素分析[J].中国农村水利水电，2012，（9）：101-104.