基于Midas/GTS的微型樁地震動(dòng)力學(xué)分析

◇聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院 崔 康 袁立群 陳為正 徐一凡

基于有限元軟件Midas/GTS做出微型樁模型，并取用ElCentro地震波以線性時(shí)程分析直接積分法對微型樁及其邊坡土層進(jìn)行地震動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了Midas/GTS軟件線性時(shí)程分析的可行性。結(jié)果表明：微型樁對于邊坡支護(hù)具有一定的抗震作用，可以減小地震作用下發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，在微型樁數(shù)量不變的情況下，雙排布設(shè)微型樁比單排布設(shè)微型樁的加速度峰值要更小。本文通過在地震荷載作用下的時(shí)程分析，分別得到得到單排微型樁和雙排微型樁的樁體加速度，旨在對以后關(guān)于微型樁的抗震研究提供參考。

地震是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，威脅著人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全，是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害。地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)也是地質(zhì)斷裂帶發(fā)育和活動(dòng)的區(qū)域，往往是在易發(fā)生滑坡的地帶，我國位于世界兩大地震帶的交匯部位，我的地震斷裂帶具有發(fā)生頻度高、強(qiáng)度大、地震震源較淺、分布范圍廣的特點(diǎn)。微型樁具有施工機(jī)具小，樁位布置靈活，施工方便施工速度快，安全程度高，噪音小振動(dòng)小對滑體擾動(dòng)小，對土體適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，今天來得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。但在地震作用下，由于地應(yīng)力等因素，微型樁更易發(fā)生破壞。

目前，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)針對抗滑樁在地震作用下的抗滑性能做了一些研究。饒平平等[2]利用簡化的肖畢普法和擬動(dòng)力法相結(jié)合對地震作用下抗滑樁在坡頂加固的抗滑性能進(jìn)行分析；羅偉等[3]通過非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則下對抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析得到了：在地震作用下，隨著地震作用系數(shù)的增大，抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性降低幅度更大；魏汝明等[4]提出了一種動(dòng)力響應(yīng)分析的解析法，建立了一種抗滑樁的動(dòng)力計(jì)算模型；武志信等[5]利用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對微型樁及樁間土的加速度峰值規(guī)律進(jìn)行了分析；陳行[6]提出一種新型的弧形抗滑樁，通過靜力分析和線性時(shí)程分析得到這種弧形排布的抗滑樁更加安全穩(wěn)定；王壯等[7]提出了一種地震作用下抗滑樁支護(hù)邊坡動(dòng)力響應(yīng)分析的解析法。

雖然關(guān)于抗滑樁和微型樁的研究較多，但大部分都是靜力分析研究，關(guān)于地震作用下微型樁的線性時(shí)程分析較少，對于微型樁群樁在地震作用下的研究扔有待提高。本文基于有限元軟件Midas/GTS建立了微型樁群樁模型，并采用El-Centro地震波對單排微型樁和雙排微型樁進(jìn)行了線性時(shí)程分析。得到了地震作用下微型樁的加速度，對比了單排樁和雙排樁抗震承載能力和承載效果，驗(yàn)證了Midas/GTS線性時(shí)程分析具有很好的效果，也為以后有關(guān)微型樁群樁在地震作用下的抗滑提供了參考。

1 有限元模型的建立

1.1 模型尺寸

本文數(shù)值模擬中邊坡的尺寸和微型樁的尺寸是根據(jù)邊坡中實(shí)際情況采用Midas/GTS建立的邊坡實(shí)際模型，坡體長20米，寬5米，高14米。邊坡上共布設(shè)單雙排微型樁各七根，每根微型樁長0.28m，寬0.2m，高9m。其中單排微型樁每根樁之間相隔0.4m。雙排微型樁中后排樁間隔0.8m，前排樁間隔1m，呈梅花形布設(shè)。利用Midas/GTS分別建立單排樁模型與雙排樁模型，如圖1、圖2所示。

圖1 單排樁及坡體模型

圖2 雙排樁及坡體模型

1.2 模型材料

在建立邊坡土體模型時(shí)，考慮到土體本構(gòu)關(guān)系的影響，默認(rèn)采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，土體的彈性模量、泊松比、容重、粘聚力以及摩擦角均選用土體的通用常數(shù)（參考路基手冊）進(jìn)行分析，微型樁則選用彈性實(shí)體，彈性模量、泊松比和容重根據(jù)混凝土材料選取，材料參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡巖土體和材料力學(xué)參數(shù)

1.3 分析方式和約束條件

Midas/GTS中的求解類型有線性靜力分析、非線性靜力分析、特征值分析、邊坡穩(wěn)定分析、線性時(shí)程分析和非線性時(shí)程分析等，其中線性時(shí)程又分振型疊加法和直接積分法兩種類型。本文數(shù)值模擬采用特征值分析和線性時(shí)程（直接積分法）分析。在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，將El-Centro 波作為地面加速度加載地震波，本文選用加載方式為X向加載。地震波的加速度時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 El-Centro波加速度時(shí)程曲線

線性時(shí)程分析計(jì)算時(shí)，考慮到邊界處地震波的反射對動(dòng)力計(jì)算結(jié)果有影響，模型的底部采用邊界約束條件為底面固定，模型周邊選用自由場邊界條件。此外，對模型進(jìn)行特征值分析，得到模態(tài)的周期。在線性時(shí)程分析的阻尼方法中使用模態(tài)阻尼計(jì)算，由特征值分析得到的模態(tài)周期計(jì)算出質(zhì)量因子和剛度阻尼。為了縮短動(dòng)力計(jì)算的時(shí)間，只輸入El-Centro波的前36s，步長為0.02s，共計(jì)算1800步。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

El-Centro波作用下，單排樁的地震加速度時(shí)程曲線如圖4所示，雙排樁中前排樁的地震加速度時(shí)程曲線如圖5所示。

圖4 單排樁加速度時(shí)程曲線

圖5 雙排樁加速度時(shí)程曲線

在El-Centro波作用下，單排樁各樁的地震加速度都呈現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律，加速度最大的峰值均出現(xiàn)在地震開始后4.3s左右。由圖4可見，加速度峰值3.6m/s2左右。雙排樁中的后排樁各樁的地震加速度時(shí)程曲線與單排樁相似，但如圖5中所示雙排樁中前排樁的加速度峰值有所減少，這說明雙排樁中后排樁在地震作用下反應(yīng)更為劇烈，樁間存在相互作用使雙排樁比單排樁穩(wěn)定。

3 結(jié)論

建立微型樁與巖土的有限元模型，并利用Midas/GTS進(jìn)行了地震仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）Midas/GTS可以簡單模擬邊坡巖土地層中微型樁受地震荷載的影響結(jié)果。

（2）隨著地震加速度幅值的增加，單排樁中各檢測點(diǎn)的地震加速度峰值均出現(xiàn)倍數(shù)增加；但雙排樁中前排樁的地震加速度峰值變化不太顯著，得出微型群樁對于邊坡支護(hù)具有一定的抗震作用，而雙排樁比單排樁對于邊坡土體地震加速度峰值的增長速率有更強(qiáng)的減弱作用。