液化場(chǎng)地樁基礎(chǔ)的受力與變形特性研究

鄧美旭 杜貽騰

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島 266590)

液化場(chǎng)地樁基礎(chǔ)的受力與變形特性研究

鄧美旭 杜貽騰

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島 266590)

樁基作為建筑物的一種重要基礎(chǔ)形式，其應(yīng)用有著悠久的歷史，盡管樁基的設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)不斷的提高和完善，但強(qiáng)地震作用下液化土體中樁基發(fā)生破壞事故卻經(jīng)常發(fā)生，本文主要研究了地震液化引起的地基大變形對(duì)地下結(jié)構(gòu)的破壞相關(guān)問題、計(jì)算模型和計(jì)算方法的研究以及分析模型的注意事項(xiàng)。

液化；樁基礎(chǔ)；計(jì)算模型；分析模型

1 研究背景及意義

地震液化引起的地基大變形對(duì)地下結(jié)構(gòu)的破壞是地震液化區(qū)地下結(jié)構(gòu)破壞的主要形式之一，特別是對(duì)近岸樁基結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，這種破壞可導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)物的不可修復(fù)，嚴(yán)重威脅著公路、鐵路、碼頭及地下生命線工程，從而越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。地下淺埋樁體在地震荷載作用下的受力劃分為兩類：一是地震荷載作用下樁與土體的相互作用所承受的應(yīng)力，并稱為動(dòng)應(yīng)力；二是在地震時(shí)或地震后，土體發(fā)生側(cè)向永久變形(尤其是液化引起的變形)，此時(shí)樁體隨土體的側(cè)向變形所承受的應(yīng)力稱為附加應(yīng)力。岸坡場(chǎng)地的土層一般都較軟弱，由于有一定的斜坡，土體中的土單元水平面上作用有與斜坡方向一致的靜剪應(yīng)力，使得土體在地震時(shí)產(chǎn)生與斜坡方向一致的側(cè)向位移。對(duì)于易液化土而言，地震時(shí)液化土的抗剪能力極低，剪應(yīng)變很大，會(huì)產(chǎn)生較大的永久變形。

從地震災(zāi)害中不難發(fā)現(xiàn)，液化導(dǎo)致樁基破壞的案例時(shí)有發(fā)生，因此液化土層中的樁基振動(dòng)問題就更是受到很多專家的重視了。近幾十年來，隨著樁基的普遍使用，尤其是一些國家的地震頻發(fā)，人們對(duì)于液化土層中的樁基的受力與變形等研究也是越來越受到很多人的重視，所以由于地震作用引起的液化土層中受力與變形特性的研究更是一個(gè)非常復(fù)雜和熱點(diǎn)的問題。

2 存在的問題

根據(jù)已有的樁基震害資料，樁基震害時(shí)常發(fā)生，液化場(chǎng)地上樁基受力與變形特性研究是一個(gè)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的復(fù)雜課題，必須在理論上和實(shí)踐過程中不斷加以完善和發(fā)展，由于樁是深入土層的柱型構(gòu)件，樁基震害不僅與地基地震反應(yīng)有關(guān)，同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)對(duì)樁基也會(huì)產(chǎn)生很大影響，樁基抗震問題因此變得十分復(fù)雜?，F(xiàn)行的樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，樁基理論研究還不夠成熟，有待于進(jìn)一步探索。

2.1 可靠性分析問題

液化條件下樁基可靠性分析應(yīng)該是目前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。尤其在液化層交界面處是出現(xiàn)大彎矩與剪力的危險(xiǎn)部位，液化層中部的彎曲變形危險(xiǎn)較大，基于這一點(diǎn)，應(yīng)想辦法處理液化土中軟硬土層交界面處剛度突變引起的樁基應(yīng)力問題。目前國內(nèi)外的樁基抗震設(shè)計(jì)方法中尚未能提供土層剛度變換有關(guān)問題的解決方法，因此，進(jìn)行這方面的數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究是必要的。在液化側(cè)向位移引起的樁基問題中，有很多學(xué)者提出上覆非液化土層以及上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度問題，而有些學(xué)者在研究此類問題時(shí)并沒有考慮這一因素的影響，所以上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度對(duì)樁基礎(chǔ)的影響仍需進(jìn)一步研究和探討。液化土的動(dòng)力特性(相對(duì)密度、孔壓比、剪切模量)對(duì)樁基的影響并分析液化引起的地面?zhèn)纫茖?duì)樁基的影響，考察其機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立可液化土層中更合理的樁土相互作用計(jì)算模型。

2.2 樁基失效問題

樁基失效因素大致上可以分為兩類：其一是砂土液化引起的土體滑移和地基震陷，使得樁體本身產(chǎn)生很大的附加荷載，從而產(chǎn)生很大的內(nèi)力和變形，導(dǎo)致樁基由于承載力不足或喪失承載力；其二是樁基結(jié)構(gòu)體系本身的設(shè)計(jì)缺陷。從安全設(shè)計(jì)角度來看，在地基承載力的評(píng)估和安全性分析中應(yīng)該解決樁基本身缺陷，因此，上部結(jié)構(gòu)的破壞主要是樁基由于地基液化發(fā)生側(cè)向大變位和受力變化引起的，進(jìn)而與上部結(jié)構(gòu)相互作用后在復(fù)雜的地震力作用下發(fā)生的非線性振動(dòng)所致。此外，從工程實(shí)際角度看，如果能夠估計(jì)出樁出現(xiàn)屈服時(shí)的地面位移或者判斷出在給定地面位移下樁基是否破壞，那么這無疑將有助于設(shè)計(jì)新的樁基以及減輕現(xiàn)有樁基在地震中的損壞。因此需要估計(jì)在液化產(chǎn)生的側(cè)向地面位移作用下樁中的最大彎矩，進(jìn)一步考慮開展樁的幾何非線性以及樁和液化土的材料非線性等問題研究。

2.3 樁土相互作用問題

樁土相互作用問題中，土體進(jìn)入非線性工作狀態(tài)是導(dǎo)致樁土相互作用非線性反應(yīng)分析的前提，因此研究樁周液化土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(本構(gòu)關(guān)系)以及液化時(shí)孔壓的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律對(duì)樁基的影響是一項(xiàng)很重要的工作。只有建立了土體的本構(gòu)關(guān)系才能得到與實(shí)際比較吻合的反應(yīng)關(guān)系。

3 計(jì)算模型和計(jì)算方法的研究

液化場(chǎng)地樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的計(jì)算模型和計(jì)算方法研究是一個(gè)難點(diǎn)。目前理論上解決該問題的思路主要包括：

(1) 假定土的非線性本構(gòu)模型和孔隙水壓力增長模型，在土層有效應(yīng)力分析基礎(chǔ)上建立液化場(chǎng)地樁-土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的二維模型及其數(shù)值模擬方法。

(2) 基于非線性Winkler地基梁假定的彈簧-阻尼器分析方法，利用非線性彈簧與并聯(lián)庫侖阻尼表示樁-土非線性相互作用、粘滯阻尼器并聯(lián)線性彈簧反映土層的輻射阻尼作用，近年來有人通過ANSYS建立模型分析非液化土層的樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用，進(jìn)一步建立可液化土層下樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用分析方法也是進(jìn)行理論分析的重要工作。

4 分析模型

(1) 有限元模型

有限元法作為一種重要的數(shù)值分析工具，在樁-土地震反應(yīng)分析中同樣發(fā)揮著重要作用。它可以方便的考慮土體的性質(zhì)，樁土間的滑移與脫開。對(duì)于水平荷載作用下的柔性樁來說，橫向彎曲是其變形的主要特點(diǎn)，通常用空間梁來模擬。在有限元模型中，近場(chǎng)土體用一般的方法進(jìn)行離散即可，由于地震過程中，能量要向遠(yuǎn)處散逸，還必須考慮對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)土體進(jìn)行模擬。

(2) Winkler地基梁模型

為了描述樁基彎曲變形，采用梁模型代表樁。其中Winkler模型的彈簧系數(shù)是只與土性有關(guān)的常數(shù)。實(shí)際工程計(jì)算中，作用于梁模型上的地基反力系數(shù)是彈簧系數(shù)與深度相關(guān)函數(shù)的乘積。與深度有關(guān)的函數(shù)按不同的取法，可分為張氏法、C法、m法和k法。四種方法的區(qū)別在于地基反力系數(shù)分布圖式不同，在相同的樁、土條件下，以張氏法獲得的地基反力為最大，k法的最小，m法和C法兩圖式則因其地基反力為適中的分布，因此可以適應(yīng)較多數(shù)量的樁、土條件而獲得和實(shí)測(cè)比較接近的結(jié)果。

(3) 樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用模型

在大數(shù)情況下液化土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用模型可簡化為圖2所示，土體分為三層，自上而下依次為表層、液化層和基層，樁基豎直的穿過表層和液化層，達(dá)到基層。在地震作用下，位于液化層的土體(絕大多數(shù)為飽和砂土)發(fā)生液化并產(chǎn)生側(cè)向流動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)位于表層非液化層運(yùn)動(dòng)。表層、液化層及液化層運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然對(duì)樁基產(chǎn)生側(cè)向作用力。

考慮到上部結(jié)構(gòu)對(duì)樁基的作用，液化土側(cè)向擴(kuò)展對(duì)具有軸向力單樁變形影響分析如下：

首先，根據(jù)地震的場(chǎng)地液化特征，將土層分為表層的非液化土層，中部的液化土層以及底部的基礎(chǔ)層。非液化土層隨液化土層的橫向擴(kuò)展發(fā)生移動(dòng)，并對(duì)樁產(chǎn)生側(cè)向土壓力；液化土層和基礎(chǔ)層對(duì)樁的作用采用Winkler模型。同時(shí)，上部結(jié)構(gòu)對(duì)樁基的作用由樁頭剪力、軸向壓力和彎矩刻畫。

其次，將樁等效為Euler梁，采用擬靜力分析方法建立液化土體中梁的彎曲邊值問題，給出相應(yīng)的解析解，并通過與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，說明此簡單封閉解的合理性和有效性。在此基礎(chǔ)上，分析了各種參數(shù)對(duì)樁基變形響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：樁基抗彎剛度、液化土層的剛度以及軸力等參數(shù)對(duì)樁基。

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