黄埔老港区深厚软土地基对场地抗震的影响

刘 珂，郑泳楷，黄建华

（1、广州港工程管理有限公司 广州510700；2、中交四航工程研究院有限公司 广州510220）

1 工程概况及模拟计算

1.1 工程概况

改革开放40年来，我国港口发展与建设取得了显著的成就。位于广州东部的黄埔老港，历史悠久，是中国古代“海上丝绸之路”的起点和我国最早的一类通关口岸之一，在国际上具有很高的知名度。黄埔老港处于南海珠江河口内，距市中心15 km，航道水深9 m。随着经济和科技的飞速发展，货船的载货量和吃水深度越来越大，对港口码头的规模和运输能力的要求不断提高，黄埔老港的发展面临的土地、水域和岸线等资源约束越来越强，转型改造谋出路迫在眉睫。

根据广州市政府和广州港股份有限公司的发展规划，黄埔老港的1 000 m 岸线及土地资源将全部参与转型改造，将该地块打造成集总部经济、现代金融、科技创新、人力资源、港航服务、高端商贸等于一体的现代城市综合体［1］。

黄埔长洲一带在第四季地层内主要发育为三角洲相沉积物［2］，以深灰色、灰黑色淤泥、粉砂质淤泥和淤泥质粉砂为主，含大量贝壳和腐木，厚度在10 m以下，主要分布在本区珠江两岸的平原地区。在改造建设的过程中，黄埔老港区原始的深厚软土地基对后期一系列的超高层混凝土结构和深基坑工程提出了艰巨的挑战。

1.2 模拟计算

根据《建筑抗震设计规范（2016年版）：GB 50011-2010》［3］，广州市黄埔区的抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10 g。由于深厚软土地基对地震波等震动荷载具有放大效应［4］，因此对后期改造工程位于土体中的地下停车场等结构体的抗震措施应特别注意。根据黄埔老港区的地质条件，利用有限差分软件FLAC3D模拟地下结构对地震动荷载响应的计算，定量分析震动荷载对其产生的影响。地震动荷载从模型底部输入。

模型中土层以处理并压缩后的淤泥土为主，局部零星粉质粘土夹中粗砂，基本为可塑状态，空间分布均匀，均属高压缩性土。计算时选取土体的泊松比ν =0.34。考虑到地震对地下结构的破坏往往是由其横波造成［5］，为简化计算，将立体结构简化为平面应变问题处理。计算模型大小为100 m×1 m×40 m，如图1所示，浅色部分为土体，深色部分为地下结构。两者之间设有接触面［6］，在一定条件下2 个接触面处可能会产生错动滑移、分开与闭合。

图1 计算模型Fig.1 Calculation Model

深色部分主体结构具体如图2 所示，AE、BF、CG和DH 段长度均为6 m，每隔1 m（包括端点）取一监测点，共28个，监测其水平方向的位移和加速度。

图2 地下结构体Fig.2 Underground Structures

2 计算参数

2.1 边界条件和阻尼类型

在动力计算等问题中，模型的边界条件是一个很重要的问题，这是因为边界上存在地震波的反射，对动力分析的结果有很大的影响［7］。在对宽敞型的地面结构进行动力反应分析时，在模型各周围侧面的边界条件需考虑为没有地面结构的自由场运动。本文中使用的边界条件是自由场边界，地震动荷载可以直接以加速度-时间曲线的形式输入，无需转化。

选取局部阻尼作为计算阻尼，计算公式如下：

aL=π D

其中，aL为局部阻尼系数；D 为临界阻尼比，D 取值0.05［8］，可计算得出aL=0.157 1。

2.2 动荷载选取与修正

动荷载选用2008年汶川地震的前10 s地震波进行模拟计算，前10 s内最大加速度为2.28 m/s2（0.23 gal），达到了8级的强度。加速度-时间曲线如图3所示。

图3 地震波加速度-时间曲线Fig.3 Seismic Acceleration-Time Curve

在数值模拟中，如果直接使用未经基线调整的地震加速度时程，则会造成计算的结果偏大，夸大了地下结构的地震响应。这是由地震积分位移时程漂移所导致的［9，10］。

Seismo Signal 是一款进行地震波处理的软件。它主要提供3 个方面的功能：①结构的抗震分析；②地震信号的记录和处理；③地震波的修正和图形输出。利用Seismo Signal进行地震波的修正，结果如图4、图5所示。其中深色曲线为修正前，浅色曲线为修正后。

图4 修正前后速度-时间曲线Fig.4 Speed-Time Curve before and after Correction

图5 修正前后位移-时间曲线Fig.5 Displacement-Time Curve before and after Correction

3 计算结果分析

在计算过程中，主要是监测并保存以下结果：①震动过程中主体结构的位移变化、中柱的加速度变化；②动荷载结束后墙、柱的相对位移以及整体的位移云图。

3.1 震动过程中的位移变化情况

计算的AE、BF、CG 和DH 段水平位移变化如图6所示。横坐标为计算时间步，纵坐标单位为m，位移向右为正，向左为负。

由图6 可知：持荷期间，AE、BF、CG 和DH 段在地震作用下均产生了一定程度的振动，振动产生的位移变化最大达到了3.89 cm，整面墙或整段柱的振动轨迹基本一致，相对位移都比较小，没有太大的错动。每段在地震期间产生的位移峰值如表1 所示。由表1可知，地下结构整体在地震振动过程中的位移峰值相差很小，这表明了动力计算过程中结构整体的移动是比较均匀的。

表1 振动过程中的位移峰值Tab.1 Peak Displacement during Vibration

图6 水平位移变化曲线Fig.6 Horizontal Displacement Curve

3.2 震动过程中的加速度变化情况

柱的水平加速度变化情况如图7所示。横坐标为计算时步，纵坐标为加速度（m/s2），加速度向右为正，加速度向左为负。

根据图7可以看出地震过程中加速度于柱的两侧不断变化，引起中柱的往复振动导致裂开，产生相对位移从而造成破坏。此外，根据监测结果，中柱正向（右）加速度峰值为1.647 m/s2（0.17 gal），负向（左）加速度峰值为1.271 m/s2（0.13 gal），可以看出：在该动荷载的作用下，结构产生的加速度峰值虽然仅出现几个计算时步，但是已经超过了设计基本地震加速度（0.10 gal）。

图7 柱水平加速度变化曲线Fig.7 Column Horizontal Acceleration Curve

3.3 墙、柱水平位移

地震结束后墙、柱监测点处反应的水平位移曲线如图8 所示。横坐标为监测点高度（m），纵坐标为位移值（mm），位移向右为正，向左为负。

从图8 可知：柱底部和顶部在约束的作用下基本没有产生相对位移，而柱中部则产生了一定的错动，因震动产生的相对位移接近4 mm。

图8 墙、柱水平位移曲线Fig.8 Horizontal Displacement Curve of Wall and Column

3.4 整体位移

地震结束后地下结构体整体的水平位移云图如图9所示。位移单位为m，位移向右为正，向左为负。

由图9 可以看出：负向最大位移主要发生在地下结构左上角和柱子左侧，正向最大位移主要发生在地下结构右下角和柱子右侧，这与墙、柱水平位移曲线的变化趋势一致。

图9 水平位移云图Fig.9 Horizontal Displacement Cloud

4 结论

通过模拟黄埔老港区深厚软土场地，并对位于土体中的地下结构进行动力计算，可以得出以下结论：

⑴在动荷载的作用下，地下结构的整体受力比较均匀，而柱子中间部位产生的相对位移导致柱子开裂、倒塌，是造成震害的主要原因。

⑵根据计算过程中的监测结果，在地震作用期间，可以近似认为柱子中间产生了一对等大反向的力矩，在其正截面产生拉应力或在斜截面产生剪应力。

⑶后期的改造工程中，在设计、施工和监理过程中应特别注意地下结构中柱的抗震构造措施。合理设计柱的截面尺寸、配置对称的纵向钢筋，从而保障柱有足够的延性；由于混凝土的抗拉强度较低，宜在柱中部加密箍筋，提高配筋率。