复杂场地土层有限元建模的两个问题研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com岩土工程界第卷第9期．《雪垦复杂场地土层有限元建模的两个问题研究术白建方楼梦麟(1．石家庄铁道学院土木工程分院2．同济大学土木工程防灾国家重点实验室)摘要，土层的有限元模型由两部分组成：一部分是需要输出动力反应结果的核心计算区，另一部分是位于外围的旨在满足人工边界设置要求的扩展区。结合数值试验分析了对土层进行有限元建模时应该注意的问题，即，对扩展区地形、地质参数的近似对核心计算区动力反应结果的影响程度。提出了主、次扩展区的概念，并通过数值试验给出了主扩展区的建议取值范围。在实际建模时

2、，除核心计算区要进行详细勘察外，位于主扩展区的地质资料也要保证精度；而对于次扩展区来说，在其地形、地质条件变化不很剧烈的情况下可对其做近似处理，由此对核心计算区域动力反应结果的影响有限。关键词有限元模型岩土工程复杂场地的土层地震反应分析对确定上部结构图中为单侧扩展区水平距离。的地震动输入模式和进行抗震安全性评价具有重要在合理截取土层范围之后，土层的地震反应分意义¨J，考虑到对于实际场地这种几何形状和物析就相当于一个具有m个支座的离散化系统在地理特性都很复杂的研究对象来说，用纯理论的方法震作用下的动力反应，由此把外源激励下的半无限很

3、难获得解析解，另外，对其进行室内试验时，由于域土层的波动分析转化成了基础激励下的有限域土边界条件很难模拟且某些相似条件无法满足，则多层的振动分析。少会影响到试验结果的可信度。因而，目前在该领在实际有限元建模时，根据文献[3]的研究结域的研究中，数值计算成为了主流方法，其中又以有果，一般单侧扩展区的长度取为土层深度的5倍以限单元法为使用的最多的方法。上，即要满足：≥5。由此可知这一部分区域将实际土体为半无限空间，当采用上述有限元方是很大的，而在实际地质勘探过程中，往往重点勘探法进行分析时，需要截取有限范围的土层来计算。核心计算区的地

4、形、地质情况，对离核心区较远部分根据文献[3]的研究，当有限化土层模型取到一定的扩展区很难做到全面勘探(本来这一部分区域也的范围时，可以不考虑侧向入射波和散射波的影响，只是为建模需要而加入的)。实际操作时这一部分取得很好的近似结果。对深覆盖土层，土层深度应的地形和地质资料往往是根据离此最近的钻孔资料取至基岩面，同时基岩面以下可按刚性地基对近似确定。这样我们自然就有疑问“到底这种对待l4J。两侧土层范围应自所考查的核心计算区域扩展区地形、地质条件的近似会对核心计算区的动(需输出动力反应结果的场地范围)向外拓展至人力反应结果有多大的影

5、响?”。本文我们就结合数工边界。这样所取土层的计算区域将由两部分组值试验来给予解答。成：土层核心计算区与两侧的扩展区，如图1所示，计算区人工边界图1土层有限元模型示意图[收稿日期]2008—03—21基金项目：国家自然科学基金重点项目(50538050)27维普资讯http://www.cqvip.com雪量圈GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOLl1lNo．91扩展区地形地貌的变化对核心计算区动力反应的影响构造以下5种土层有限元模型，假定各模型除150mI24omI150m扩展区几何参数不同外其他参数完全

6、相同。图2代图3模型二表通常的土层有限元建模方法，即认为外侧扩展区的地形与核心区外侧地形保持一致，这当然是一种近似。假如实际土层在外围扩展区的变化分别如图3—6所示。对上述五个土层有限元模型分别进行一致输入线性反应分析，计算核心区所考察的A处的动力反应。选用重现期为2500年一遇的人造基岩波为图4模型三输入，其时程如图7所示。所得A处动力反应结果分别示于表1和图8。表l中的误差是以模型一结果为l3sm近似值所求得的各实际地形下的相对误差。图5模型四图2模型一图6模型五．_}__f-爰图7所输入的地震波加速度时程曲线表1不同模型A处

7、结果对比从以上对比结果中可以看出，当完全不考虑扩展区地形、地貌的变化时，对核心计算区动力反应的影响很大，并且在所研究的情况下对扩展区的近似会使得计算结果偏于不安全；除此之外还可以发现相对于模型二、三来说模型四、五的误差要小一些，换句话说，减少实际地形的信息所带来的误差相对于增加实际地形的信息所带来的误差要少小一些。28维普资讯http://www.cqvip.com岩±工程界第ll卷第9期．．笪蜜鱼⋯一⋯⋯⋯一⋯。⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’一⋯-⋯。一⋯⋯。⋯⋯⋯⋯一一。6O504o簧30景20lO0图8不同模型所得A处反应谱研究结

8、果也是一致的。2扩展区地质参数的变化对核心计算区动力反应的影响3实际土层有限元建模的建议假如实际场地地形分别如图3～6所示，对于任通过前面的研究可知，扩展区地形、地质参数的一地形设计以下7种工况。第一种工况假定整个区变化对核心计算区动力反应的结果均