[发明专利]基于ABAQUS的土体地基液化研究方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于ABAQUS的土体地基液化研究方法，属于水利工程技术领域。

背景技术

土体液化引起的建筑物破坏是地震灾害的主要形式之一。在以往的地震灾难中，如1964年的美国阿拉斯加地震、1976年的唐山地震、2008年的汶川地震等，都出现了大面积的地层液化现象，并引起了相应建筑物的极大破坏。因此，地震作用下土体地基的液化判别方法一直是抗震减灾设计中的重要问题之一。

目前，国内相关设计规范对土体液化的分析方法主要是以经验分析法为主，基本框架及数据来源都是上世纪发生的几次地震的经验总结，因而在理论和应用上都存着一些不足之处，如液化影响折减系数的“分档”取值跳跃性较大、倾斜场地的液化判别未见到相应标准等，对工程结构的安全性以及工程造价等方面产生了一定的影响。随着液化理论和计算方法的不断发展，结合数值方法对土体液化问题进行深入研究，已成为提高土体地基液化分析的合理性和可靠性的一个重要课题。

ABAQUS是目前国际上功能强大的有限元软件之一，其在前处理、计算精度和复杂工程问题模拟等方面的优势已得到广泛认可，但其在土体材料的液化模拟方面还存在一些不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于ABAQUS的土体地基液化研究方法，解决现有技术中液化场地设计中土层液化影响折减系数的分档取值范围跳跃性较大的技术问题，并给出了倾斜场地的液化判别标准。

为达到上述目的，本发明是所采用的技术方案是：1.基于ABAQUS的土体地基液化研究方法，包括如下步骤：

步骤一：在ABAQUS软件中二次开发Byrne液化模型：根据土体在地震过程中的液化变形性质，结合ABAQUS软件中二次开发平台，将Byrne液化模型嵌入ABAQUS的计算分析中，实现ABAQUS对土体地基液化过程的数值模拟；

步骤二：水平场地液化影响折减系数取值精细化处理：分析液化判别标准中规范法与数值模拟法间各参数的相互关系，通过逐渐改变抗液化指数I_N值，对水平场地地基模型液化过程的数值模拟，根据液化土层各参数变化规律，给出水平场地液化影响折减系数的精细化处理计算公式；

步骤三：倾斜场地的液化判别研究：在步骤二的基础上，对倾斜场地地基模型进行模拟，逐渐改变地基倾斜角度，根据液化土层的液化程度随倾斜角度的变化情况，给出不同倾角倾斜场地的抗液化指数与超孔隙水压比之间的对应关系，并根据此对应关系对倾斜场地液化指数进行修正，达到对倾斜场地进行液化判别的目的。

步骤一的具体步骤如下：

步骤101)：假定单元的超孔隙水压力增量Δu与体积应变增量Δε_vd相关，其公式的简要表达式如下：

Δu＝E_rΔε_vd (1)

E_r为饱和土体的回弹模量，其表达式如下所示：

式中，σ_v0′为初始铅直向有效应力；u为超孔隙水压力,i为计算迭代次数；m、n、k₂为土体相关的经验常数；

Δε_vd为体积应变增量，其表达式如下所示：

式中，ε_vd为土单元累计体积应变，i为计算迭代次数；γ为第N次应力循环的剪应变；C₁、C₂为材料参数，可由标准贯入试验锤击数(N₁)₆₀确定，定义为C₂＝0.4/C₁，其中，(N₁)₆₀＝N/σ_v′，N为液化土层实测标准贯入锤击数，σ_v′为上覆土层有效压力；

步骤102)：在每一次应力循环后对土体材料的弹性模量进行折减，达到对其体剪切模量修正的目的，计算公式如下所示：

式中，E_n为第n周应力循环弹性模量；E₀为地震初始弹性模量；x为与土性有关参数；当土体完全液化时，取此时的应力循环弹性模量为地震初始弹性模量的1‰；

步骤103)：根据土体地震液化情况对模型的静、动力分析采用分开计算：

首先，在动力分析之前，对模型进行静力的流固耦合计算，并进行地应力平衡，此时得到的有效应力场、渗流场为震前的初始状态，将其结果导出作为动力计算的初始条件；