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[摘要]介绍砂土液化的机理，基于有效应力原理，采用有限差分方法FLAC软件对码头地基的砂土液化进行数值模拟，对其液化势进行预测，并提供建设性的工程意见。
[关键词]砂土液化 有效应力 FLAC
中图分类号：TU4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0320093－02
一、前言
地震是最常见的一种地质灾害，每年都给人民的生命财产安全带来非常大的损害。我国是一个多地震的国家，而港口是一个地区通向世界的门户，港口的破坏不仅会影响一个城市、一个地区甚至一个国家的对外贸易，而且会严重影响震后整个城市的救灾工作。因此，在设计港口时必须考虑其抗震性能，而在我国由于其地震灾害的多发性和严重性，必须尤为重视港口的抗震性能。本文的任务就是对港口水工建筑物之一码头进行抗震分析，而着重分析的就是地震带来的砂土液化问题。本文主要采用有限差分软件FLAC基于SEED液化判别方法对码头所处的砂土地基液化问题进行分析及研究。
二、基于有效应力法的有限差分方法
本文土的本构模型采用Mohr-Coulomb模型，地震时的动力响应采用Byrne有效应力模型。
土结构的弹性响应：假定在线性增量，各向同性的基础上，遵循Hooke定律。
土体的塑性剪切响应（屈服面的硬化）：塑性剪切应变 假定是由应力比增量引起的。通过对剪应力q和平均有效应力P 进行差分可以得到应力比增量 ，
（1）
式中： 为剪应力增量； 为平均有效应力增量。
从上式中可以看出，当剪应力增加时，以及平均有效应力减少 时出现塑性应变增量。
塑性剪应力——体积的耦合：砂土中剪切应变对体积变形的影响是基于考虑能量的流动法则而得到塑性应变增量 ，即：
（2）
式中：为剪胀角，并且
三、计算实例
实例名称：日本阪神7.2级大地震。
详情介绍：1995年1月17日在日本阪神发生里氏7.2级强烈地震，造成巨大的人员伤亡和财产损失。该地震引起神户人工岛上部填筑的风化花岗岩残积土发生大规模液化，该残积土级配良好，曾被认为是良好的抗液化土料，但此次地震致使该土料的液化问题也充分暴露出来。
本文接下来将对阪神地震的液化用FLAC进行模拟，同时与实测数据进行比较，验证FLAC程序用于液化计算的可行性。
（一）土层与土质参数
阪神地震区土层分别为冲积粘土、冲积砂土、冲积砂砾Ⅰ、冲积砂砾Ⅱ和洪积粘土。
本文把各土层近似看作水平平行分布，且只取冲积粘土和冲积砂土前两层进行分析，则冲积粘土（土层1）和冲积砂土（土层2）的土质参数如下：
表1各土层的土质参数
该模型参数还包括：弹性模量 ，弹性剪切模量 ，弹性体积模量指数 ，弹性剪切模量指数 ，塑性模量 ，塑性剪切模量指数 ，峰值摩擦角 ，常体积摩擦角 ，失效比 ，相对密度 等（表2）。
表2有效应力模型参数
（二）FLAC模型的建立及网格划分
对上述土层建立FLAC模型，如图1所示。其中冲积粘土厚度取10m，冲积砂土厚度取10m，宽度取100m。其中冲积砂土层为可液化层，土质参数见上表。土层的网格划分详见图1。
图1土层及网格划分图
（三）地震波输入
输入地震波采用-32.0m高程处地震仪实测地震加速度，地震历时40.94s，最大地震加速度为0.692g，数值计算中取步长 。
（四）计算结果
本例对地震时土体的液化势进行评价，可以得到计算的可液化区。
根据对土体液化势的评价，得出公式：
（3）
同时可得到 ，求的值，若大于1，则认为产生了液化，若小于1则认为没有产生液化。上式中 为最大地面加速度，
为上覆土总压力， 为上覆土有效应力， 为应力比随土深度而变化的折减系数，通常取0.93。
用上述方法评价土体的液化状态可得到液化区分布图如下：
根据液化势判别的方法，码头地基下部存在可能液化区域，工程设计时必须加以考虑。
（五）计算结果与实际情况的比较
将记录下的不同高程的地震加速度与FLAC计算结果进行比较（图3）。
由图3可以看出，X向加速度计算值与实测值沿高程分布的变化趋势一致，而具体数值也拟合较好，误差不大，底部时程图波形变化基本一致，拟合效果较好，但沿高程分布及底部时程图中计算值普遍比实测值要大，这是由于计算中有很多工程因素尚未考虑进去，这一点必须引起注意。
四、小结
本文主要采用有效应力法来计算液化，同时运用显式有限差分计算软件FLAC来进行液化的模拟。该方法主要是基于土体的弹塑性模型，利用塑性流动原则进行液化的计算。通过以上章节可以看出，该方法对于液化的计算模拟具有较好的准确性，和实测数据基本能吻合，因此，该方法也可用于码头的抗震设计，有一定的现实应用性，可以应用于实际的码头设计中。
参考文献：
[1]陈文化、孙巨平、徐兵，砂土地震液化的研究现状及发展趋势.世界地震工程，1999，第15卷第1期，16-24.
[2]刘红军、杨东海，饱和砂土地震液化危害及液化机理分析.森林工程，2005，第21卷第4期，29-31.
[3]石兆吉、张荣祥、顾宝和，砂土液化判别和评价综合方法研究.地震工程与工程振动，1997，第17卷第1期，82-88.
[4]李宏男、赵衍刚，日本新泻县中越大地震震害调查及分析，自然灾害学报，2005，第14卷第1期，165-174.
[关键词]砂土液化 有效应力 FLAC
中图分类号：TU4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0320093－02
一、前言
地震是最常见的一种地质灾害，每年都给人民的生命财产安全带来非常大的损害。我国是一个多地震的国家，而港口是一个地区通向世界的门户，港口的破坏不仅会影响一个城市、一个地区甚至一个国家的对外贸易，而且会严重影响震后整个城市的救灾工作。因此，在设计港口时必须考虑其抗震性能，而在我国由于其地震灾害的多发性和严重性，必须尤为重视港口的抗震性能。本文的任务就是对港口水工建筑物之一码头进行抗震分析，而着重分析的就是地震带来的砂土液化问题。本文主要采用有限差分软件FLAC基于SEED液化判别方法对码头所处的砂土地基液化问题进行分析及研究。
二、基于有效应力法的有限差分方法
本文土的本构模型采用Mohr-Coulomb模型，地震时的动力响应采用Byrne有效应力模型。
土结构的弹性响应：假定在线性增量，各向同性的基础上，遵循Hooke定律。
土体的塑性剪切响应（屈服面的硬化）：塑性剪切应变 假定是由应力比增量引起的。通过对剪应力q和平均有效应力P 进行差分可以得到应力比增量 ，
（1）
式中： 为剪应力增量； 为平均有效应力增量。
从上式中可以看出，当剪应力增加时，以及平均有效应力减少 时出现塑性应变增量。
塑性剪应力——体积的耦合：砂土中剪切应变对体积变形的影响是基于考虑能量的流动法则而得到塑性应变增量 ，即：
（2）
式中：为剪胀角，并且
三、计算实例
实例名称：日本阪神7.2级大地震。
详情介绍：1995年1月17日在日本阪神发生里氏7.2级强烈地震，造成巨大的人员伤亡和财产损失。该地震引起神户人工岛上部填筑的风化花岗岩残积土发生大规模液化，该残积土级配良好，曾被认为是良好的抗液化土料，但此次地震致使该土料的液化问题也充分暴露出来。
本文接下来将对阪神地震的液化用FLAC进行模拟，同时与实测数据进行比较，验证FLAC程序用于液化计算的可行性。
（一）土层与土质参数
阪神地震区土层分别为冲积粘土、冲积砂土、冲积砂砾Ⅰ、冲积砂砾Ⅱ和洪积粘土。
本文把各土层近似看作水平平行分布，且只取冲积粘土和冲积砂土前两层进行分析，则冲积粘土（土层1）和冲积砂土（土层2）的土质参数如下：
表1各土层的土质参数
该模型参数还包括：弹性模量 ，弹性剪切模量 ，弹性体积模量指数 ，弹性剪切模量指数 ，塑性模量 ，塑性剪切模量指数 ，峰值摩擦角 ，常体积摩擦角 ，失效比 ，相对密度 等（表2）。
表2有效应力模型参数
（二）FLAC模型的建立及网格划分
对上述土层建立FLAC模型，如图1所示。其中冲积粘土厚度取10m，冲积砂土厚度取10m，宽度取100m。其中冲积砂土层为可液化层，土质参数见上表。土层的网格划分详见图1。
图1土层及网格划分图
（三）地震波输入
输入地震波采用-32.0m高程处地震仪实测地震加速度，地震历时40.94s，最大地震加速度为0.692g，数值计算中取步长 。
（四）计算结果
本例对地震时土体的液化势进行评价，可以得到计算的可液化区。
根据对土体液化势的评价，得出公式：
（3）
同时可得到 ，求的值，若大于1，则认为产生了液化，若小于1则认为没有产生液化。上式中 为最大地面加速度，
为上覆土总压力， 为上覆土有效应力， 为应力比随土深度而变化的折减系数，通常取0.93。
用上述方法评价土体的液化状态可得到液化区分布图如下：
根据液化势判别的方法，码头地基下部存在可能液化区域，工程设计时必须加以考虑。
（五）计算结果与实际情况的比较
将记录下的不同高程的地震加速度与FLAC计算结果进行比较（图3）。
由图3可以看出，X向加速度计算值与实测值沿高程分布的变化趋势一致，而具体数值也拟合较好，误差不大，底部时程图波形变化基本一致，拟合效果较好，但沿高程分布及底部时程图中计算值普遍比实测值要大，这是由于计算中有很多工程因素尚未考虑进去，这一点必须引起注意。
四、小结
本文主要采用有效应力法来计算液化，同时运用显式有限差分计算软件FLAC来进行液化的模拟。该方法主要是基于土体的弹塑性模型，利用塑性流动原则进行液化的计算。通过以上章节可以看出，该方法对于液化的计算模拟具有较好的准确性，和实测数据基本能吻合，因此，该方法也可用于码头的抗震设计，有一定的现实应用性，可以应用于实际的码头设计中。
参考文献：
[1]陈文化、孙巨平、徐兵，砂土地震液化的研究现状及发展趋势.世界地震工程，1999，第15卷第1期，16-24.
[2]刘红军、杨东海，饱和砂土地震液化危害及液化机理分析.森林工程，2005，第21卷第4期，29-31.
[3]石兆吉、张荣祥、顾宝和，砂土液化判别和评价综合方法研究.地震工程与工程振动，1997，第17卷第1期，82-88.
[4]李宏男、赵衍刚，日本新泻县中越大地震震害调查及分析，自然灾害学报，2005，第14卷第1期，165-174.