一种用于核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析和地基处理方法

摘要

本发明涉及一种核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以及地基处理方法，包括现场勘察、动力计算分析、静力计算分析、地基处理方案，通过计算分析，采用混凝土对一定深度的竖向软弱夹层进行置换。该方法提高了核电厂对不均匀的地基的适应性，也加大了核电厂场址选择的灵活性，在一定程度上减少了核电厂选址的周期，降低了工程的造价，提升了核电行业的竞争力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不均匀地基的分析和处理方法，尤其涉及一种核电厂含竖 向软弱夹层地基的论证分析以及地基处理方法。

背景技术

核电厂对地基有很高的安全性要求，国内外核电厂的地基一般为均质坚硬 岩石，核电厂遇到的不均匀地基基本上是水平层状地基。

对于核电厂地基中存在竖向软弱夹层的情况，目前国内工程实践较少，而 传统的分析方法无法用于此种地基，无法较为准确的得到竖向软弱夹层对上部 结构的影响，也无法保证地基处理方案的合理性。

发明内容

本发明的目的是针对核电厂建设中遇到竖向软弱夹层地基的情况，提供 一种论证分析和地基处理的方法，保证核电厂建设工程的顺利实施。

本发明的技术方案如下：一种核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以 及地基处理方法，包括如下步骤：

（1）在建造核电厂的工程场地上进行岩土工程勘察和试验，得到地基中 基岩和软弱夹层的动力、静力物理力学参数；

（2）进行动力计算分析，计算竖向软弱夹层的存在对于工程场地的反应 谱的影响，将放大后的反应谱作为结构设计的地震输入；

（3）进行静力计算分析，计算置换混凝土区域的沉降和应力，置换混凝 土的应力用于置换混凝土方案的设计，置换混凝土区域的沉降作为地基的不 均匀沉降，用于上部结构受力分析和配筋设计；

（4）采用混凝土对一定深度的竖向软弱夹层进行置换，并保证置换后的 混凝土在基岩上有一定的支撑。

进一步，如上所述的核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以及地基处 理方法，步骤（1）中所述的物理力学参数包括地震波波速、质量密度、动泊 松比、静泊松比、动弹性模量、静弹性模量、动阻尼比。

进一步，如上所述的核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以及地基处 理方法，步骤（2）中的动力计算分析采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件实现， 分别建立三维均质岩石地基和带竖向软弱夹层岩石地基两个有限元模型，均 质岩石地基和带竖向软弱夹层岩石地基两个有限元模型采用相同的网格划 分，并分别设定两种材料的材料特性参数，包括动弹性模量、动泊松比、质 量密度、质量阻尼系数、刚度阻尼系数，模型边界采用非反射边界。

更进一步，如上所述的核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以及地基 处理方法，步骤（2）中所述的有限元模型的建立采用ANSYS/LS-DYNA有限元 软件的三维实体单元SOLID164，单元的最大尺寸设为地震波最小波长的1/6， 地基模型三个方向的尺寸均采用核岛厂房基础3倍长度。

更进一步，如上所述的核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以及地基 处理方法，步骤（2）中，对于均质岩石地基和带竖向软弱夹层岩石地基两个 有限元模型，分别在模型顶部核岛厂房区域选择若干节点，一部分节点位于 均匀岩石表面上，另一部分节点位于软弱夹层表面，从有限元的计算结果中 取出这些节点的加速度响应时程，通过计算得到加速度时程对应的反应谱； 对于反应谱每个频率点，比较均质岩石地基和带竖向软弱夹层岩石地基模型 各个对应节点的差别，得到每个节点的放大百分比，并根据节点在模型表面 分配的面积进行加权，最终得到竖向软弱夹层对核岛厂房基础区域反应谱的 整体影响。

进一步，如上所述的核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以及地基处 理方法，步骤（3）中的静力计算分析采用ANSYS有限元软件实现，有限元模 型包括均质岩石、竖向软弱夹层以及混凝土，单元类型为平面应变PLANE42 单元，分别设定模型中均质岩石、软弱夹层、混凝土三种材料的材料特性参 数，包括质量密度、静弹性模量、静泊松比；模型尺寸通过试算确定。

更进一步，如上所述的核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以及地基 处理方法，步骤（3）中的计算结果包括置换混凝土跨中底部的拉应力、置换 混凝土的最大竖向变形，其中，置换混凝土跨中底部的拉应力应小于《混凝 土结构设计规范GB50010-2010》中规定的抗拉强度设计值，置换混凝土的 最大竖向变形作为地基的不均匀沉降，用于上部核岛厂房结构的静力计算。

进一步，如上所述的核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析以及地基处 理方法，步骤（4）中置换混凝土的详细尺寸包括其平面上的分布、不同区域 的厚度，以及不同区域置换混凝土的过渡；置换混凝土每侧支撑宽度设为地 面上竖向软弱夹层水平宽度的0.2倍，最宽不超过2m。

本发明的有益效果如下：本发明为核电厂竖向软弱夹层地基的论证分析和 地基处理提供了可行的方法，提高了核电厂对不均匀的地基的适应性，也加大 了核电厂场址选择的灵活性，在一定程度上减少了核电厂选址的周期，降低了 工程的造价，提升了核电行业的竞争力。对于核电厂建造过程中发现的地基中 的竖向软弱夹层的处理，本发明有重要的意义，按照本发明中提供的论证分析 和地基处理方法，具备可操作性，可以很大程度上避免由于核电厂厂址更换给 工程带来的巨大困难，极大的降低了工程费用，保证了工程工期。

附图说明

图1为地基剖面示意图。

图中，1.竖向软弱夹层2.核岛厂房结构3.有限元模型边界4.岩石地 基

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的用于核电厂含竖向软弱夹层地基的论证分析和地基处理方 法，包括现场勘察、动力计算分析、静力计算分析、地基处理方案。现场勘察 是在建造核电厂的工程场地上进行的岩土工程勘察和试验，应能得到地基中各 种材料（包括基岩、软弱夹层等）的动力、静力物理力学参数。动力计算分析 用于计算竖向软弱夹层的存在对于工程场地的反应谱的影响，将放大后的反应 谱作为结构设计的地震输入。静力计算分析用于计算置换混凝土区域沉降和应 力，置换混凝土的应力用于置换混凝土方案的设计，置换混凝土区域的沉降作 为地基的不均匀沉降，用于上部结构受力分析和配筋设计。地基处理方案采用 置换混凝土，即采用混凝土对一定深度的竖向软弱夹层进行置换，并保证置换 后的混凝在基岩上有一定的支撑，地基处理方案应包括必要的施工措施。

1.现场勘察

核电厂工程建设初期，需要进行岩土工程勘察。《岩土工程勘察规范GB 50021-2009》中，1.0.3节规定“各项建设工程在设计和施工之前，必须按基 本建设程序进行岩土工程勘察”，4.6节给出了核电厂岩土工程的五个勘察阶段 及其勘察内容。GB50021-2009同时给出了试验项目和测试方法。《建筑地基基 础设计规范GB50007-2011》中3.0.4节中明确了岩土工程勘察报告应提供的资 料。

核电厂的岩土工程勘察工作由具有资质的专业机构进行，勘察成果以勘察 报告的形式给出，勘察成果需要进行专家评审。

对于存在竖向软弱夹层的核电厂地基，通过岩土工程勘察，可以得到基岩 和竖向软弱夹层两种地基材料的物理力学参数，如地震波波速、质量密度、动 泊松比、静泊松比、动弹性模量、静弹性模量、动阻尼比等参数。这些参数在 勘察报告中给出，用于动力和静力计算分析。

2.动力计算分析

得到地基材料的物理力学参数后，随后进行动力计算。动力计算的目的是 得到竖向软弱夹层的存在对于工程场地地震响应的影响。

2.1计算软件

动力分析采用的计算软件是通用商业有限元软件ANSYS/LS-DYNA。

LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的 各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和 金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。 由J.O.Hallquist主持开发完成的LS-DYNA程序系列被公认为是显式有限元程 序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序（包括显式板成型程序）的基 础代码，在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。1988年 J.O.Hallquist创建LSTC公司，推出LS-DYNA程序系列。地震计算是LS-DYNA 程序的一个主要应用领域之一。

ANSYS/LS-DYNA将LS-DYNA和通用有限元计算软件ANSYS强大的前后处理结 合起来。

2.2动力计算的工作内容

（1）建立地基有限元模型，进行动力计算。

建立三维均质岩石地基和带竖向软弱夹层岩石地基两个有限元模型，采用 了三维实体单元SOLID164，其单元特性可参考软件帮助手册。为了较为准确的 模拟波动在地基中传播，需要准确设置材料参数，确定合理的最小单元尺寸， 合理选择地基模型尺寸，模型边界应采用非反射边界，采用等效地震荷载的方 法模拟地震输入。

需要在软件中设定模型中均质岩石和软弱夹层两种材料的材料特性参数， 包括动弹性模量、动泊松比、质量密度，这些参数可以由勘察报告给出。计算 中采用了Rayleigh阻尼（Rayleigh阻尼的原理见Ray Clough等人编著、王光 远等人译校的《结构动力学》第二版（修订版）中第12章第5节），所以，需 要设置质量阻尼系数、刚度阻尼系数。根据频率区间（如0.5Hz～50Hz）和勘察 报告中提供的动阻尼比，可以确定刚度、质量阻尼系数，并在软件中设定。均 质岩石地基和带软弱夹层岩石地基两个有限元模型采用相同的网格划分，但采 用不同的材料参数。

为了能够准确的模拟地震波动，单元的最大尺寸可设为地震波最小波长的 1/6。如关心的结构的最大频率为50Hz，地震波速为1500m/s，则地震波最小波 长为30m，由此得到的单元最大尺寸为5m。

地基模型三个方向的尺寸均可采用核岛厂房基础3倍长度。由于软弱夹层 形状和分布不规则，见图1中竖向软弱夹层1的示例，在模型中可以按照分布 区域近似、体量大致相同的原则适当简化。

LS-DYNA软件的边界采用一完整系列边界单元模拟非反射边界，其方法是由 Cohen and Jennings[Cohen,1983]采用Lysmer and Kuhlemeyer[1969]提出的 方法。粘性正应力和剪应力按下列公式施加在边界单元上：

σ_nromal=-ρc_dV_normal

σ_shear=-ρc_sV_tan

式中：ρ,c_d和c_s分别是材料密度、边界吸收传递波材料的压缩波速和剪切波 速，V_normal和V_tan为边界上相应位置处节点的运动速度。在软件中需要指定模型的 透射边界位置（见图1中标号3），通过选择边界上的节点由软件自动实现。

在模型的底部进行地震输入，首先将地震的加速度时程转化为节点上的等 效荷载，在透射边界节点上施加等效地震荷载（等效地震荷载的计算方法见沈 聚敏、周锡元等人编著的抗震工程学《抗震工程学》中11.4.2节）。

（2）对比分析

一般情况下，竖向软弱夹层物理力学特性较差，其存在对于场地地震响应 有放大作用。根据有限元计算的结果，比较带竖向软弱夹层的地基与均质岩石 地基的地震响应差别，得到竖向软弱夹层对于场地地震响应的影响。

对于均质岩石地基和带软弱夹层岩石地基两个有限元模型，分别在模型顶 部核岛厂房区域选择若干节点，一部分节点位于均匀岩石表面上，另一部分节 点位于软弱夹层表面。从有限元的计算结果中取出这些节点的加速度响应时程， 通过计算得到加速度时程对应的反应谱（时程转谱的计算方法属于结构动力学 的基本理论，可以通过商用计算软件SASSI进行，也可采用MATLAB等数值分析 软件编程计算）。

对于反应谱每个频率点，比较均质岩石地基和带软弱夹层岩石地基模型各 个对应节点的差别，得到每个节点的放大百分比，并根据节点在模型表面分配 的面积进行加权，最终得到软弱夹层对核岛厂房基础区域反应谱的整体影响（反 应谱是横轴为频率、纵轴为加速度的曲线，反应谱的比较可以在EXCEL中进行； 节点在模型表面分配的面积可以从软件中直接得到）。根据以上得到的“对反应 谱的整体影响”，可以对坐落于带软弱夹层岩石地基上的核岛厂房进行结构设计 或影响评估。

具体来说，由于需要分析竖向软弱夹层对核岛厂房的整体影响，所以，所 选的节点均为核岛厂房基础范围内（包括基础边界上）的节点。对于这些节点， 可以得到两个模型的计算结果对比，即带竖向软弱夹层岩石地基的放大百分比。 从软件可以得到每个节点分配的面积，这些节点分配面积的和等于核岛厂房基 础的面积。竖向软弱夹层对核岛厂房的整体影响为，每个节点的放大百分比乘 以其分配的面积，求和，然后除以核岛厂房基础的面积。

3.静力计算分析

对于带竖向软弱夹层的地基，采用对一定深度的软弱夹层进行混凝土置换 的处理方案。静力计算分析主要用于确定置换混凝土的技术方案，采用不同的 置换深度、支撑宽度进行计算，根据置换混凝土应力、地基变形，确定可行的 置换混凝土方案。

3.1计算模型

计算中需要建立二维有限元模型，采用的计算软件为大型商用有限元软件 ANSYS，单元类型为平面应变PLANE42单元。模型中包括均质岩石、软弱夹层以 及混凝土。

需要在软件中设定模型中均质岩石、软弱夹层、混凝土三种材料的材料特 性参数，包括质量密度、静弹性模量、静泊松比。均质岩石、软弱夹层的材料 特性参数可以从勘察报告中得到，混凝土的材料特性参数可根据《混凝土结构 设计规范GB50010-2010》中4.1节取值。

模型尺寸通过试算确定，当模型尺寸足够大时，模型尺寸继续增大对计算 结果没有明显的变化（由于二维有限元模型静力计算需要的计算资源较小，一 般情况下，模型尺寸的增大对计算时间不会有大的影响）。

根据上部结构的重量，综合考虑地震影响，在模型的上表面施加静力荷载。

模型中采用不同的置换混凝土深度方案进行计算。

3.2计算结果

计算结果主要包括两部分内容。

第一，置换混凝土跨中底部的拉应力。置换混凝土可以简化成土建结构中 的单向板。从材料特性看，混凝土抗压强度比其抗拉强度高很多（一般相差10 倍以上）。置换混凝土跨中底部为受拉区，由有限元模型计算得到的拉应力应小 于《混凝土结构设计规范GB50010-2010》中规定的抗拉强度设计值。

第二，置换混凝土的最大竖向变形。由有限元模型计算可以得到置换混凝 土的最大竖向变形，此数据可作为地基的不均匀沉降，用于上部核岛厂房结构 的静力计算，以此进行上部核岛厂房结构的配筋设计或影响评估。

4.地基处理方案

采用置换混凝土的方法进行地基处理，地基处理方案包括置换混凝土的详 细尺寸，置换混凝土详细尺寸包括其平面上的分布、不同区域的厚度，以及不 同区域置换混凝土的过渡，以平面图布置图和剖面图的形式给出。

通常情况下，竖向软弱夹层宽度较小，平面上呈条状分布，需要给出三方 面的尺寸信息：（1）平面上沿软弱夹层走向的方向，置换混凝土应超出核岛厂 房基础一定的范围，超出厂房基础边界的尺寸不应低于其置换深度。（2）平面 上垂直软弱夹层走向的方向，置换混凝土应以一定的宽度支撑在均质岩石上， 置换混凝土每侧支撑宽度可设为地面上竖向软弱夹层水平宽度的0.2倍，最宽 不超过2m。（3）置换混凝土竖直方向的深度，应根据静力计算的结果确定，在 跨中底部混凝土的拉应力不超过规范中设计值的前提下，越小越好。

除此之外，处理方案中还应包括必要的施工措施，具体如下：

（1）开挖施工时，建议采用的基岩、软弱夹层的放坡坡度，坡度值可从勘 察报告中得到。为防止岩掉块，应做好坡面防护。

（2）软弱夹层开挖后，避免被水浸泡的措施，如采取排水措施、塑料布遮 挡等措施。开挖后应及时组织验收和基坑的保护，可采用200mm厚的C25混凝 土进行封闭。

（3）为了增加安全性，减少施工过程中混凝土的开裂，置换混凝土中可适 当配置钢筋。在方案中明确钢筋的牌号、间距、定位、保护层等内容。

（4）施工公差要求。

（5）应遵循的施工规范要求，如《大体积混凝土施工规范GB50496-2009》 的要求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。