【液化场地上群桩基础的抗震竖向承载力分析】群桩承载力和单桩承载力的内在联系
时间：2020-03-06 07:29:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：通过室内振动台实验对液化场地上的三种不同桩间距低承台群桩基础的模拟对比，得到在承担上部结构载荷条件下，桩-土-承台受到水平地震作用，桩体的竖向承载力在震前、震后的发展规律。利用岩土专业软件Midas-GTS,对室内试验进行数值模拟，将数值模拟的结果与实验结果对比，二者互相检核，发现桩间距的大小对不同位置的桩体的影响不同，中桩的竖向承载力随间距减小而增大，边桩和角桩则呈相反规律。同时，承台效应随桩间距的增大也呈现一定减小趋势。
关键词：群桩基础 液化场地 桩间距 振动台 有限单元法
引言
桩基础是深基础中比较常见的一种形式，能够很好的适应各种地质条件和载荷状况，其具有承载力高、稳定性好、沉降比较稳定和抗震性能比较好的特点。在比较高的建筑物、重型厂房、港口、码头和海上石油平台等的基础之中的到了广泛应用，随着我国的城市化步伐的快速提高，在地质条件比较薄弱的场地进行建设活动也是越来越多。液化场地是常见的薄弱地基，在液化场地用桩基础作为建筑物或者结构物的基础是常见的措施。在地震记载中，液化场地桩基础的破坏现象比较明显，而且破坏的类型也不尽相同。尤其是在近些年，几次大地震中，在液化场地桩基础的破坏现象比较突出，尤其是对摩擦型桩基础。目前，国内外的规范中，对液化土中的桩基础设计大都采用的是简化设计方法[10-11]，而没有一种相对精确的设计方法。因此，液化土中桩基的抗震设计研究[2-8]成为国内外研究的热点。目前的许多在该方面的研究主要在水平方向的的桩-土响应机理上，对于地震过程中桩基础的竖向受力机理研究比较少，在地震中发生倾斜、不均匀沉降等工程事故的建筑物或者构筑物都是有与竖向桩体的竖向承载力变化较大或者是桩体布置的不合理而造成。
本文通过动力三维有限元法利用专业岩土有限元软件mida-GTS对振动台试验进行数值模拟得到结果互相检核，从而对地震过程中摩擦型桩基础的竖向受力进行研究，通过改变群桩的间距来分析群桩中桩体的竖向受力变化规律，以及分析群桩中不同位置桩体在抗震性能方面的不同特性。
一、分析模型及方法
（一）土体本构和单元类型
动力有限元分析中，本构关系的选择不仅反应了土体的应力-应变关系，是否接近实际情况，而且决定运算速度和计算结果的精确性，尤其在振动台试验中，对土体的模拟更是决定模拟的有效性和合理性。本文数值模拟中的土体采用邓肯-张理论中的非线性岩土本构关系[1]。
在邓肯-张模型中，剪切应力与轴向应变呈双曲线形状。屈服准则为采用：
式1.1-1
其中，为内摩擦角；Rf是破坏比，c为粘聚力。在有限元模型土层的参数（表1.1-1）：
（二）边界条件
对于地震动力作用,需要模拟能量在地震过程中向远处散逸,受计算条件的限制需要从半无限土体介质中切取有限介质区域，因此在切取的边界上建立人工边界模拟连续介质的辐射阻尼，模型中采用Lysmer 透射边界单元，即由相互平行的弹簧和阻尼器组成的2节点Kelvin单元，传递到边界上的法向应力和剪切应力为：
（三）桩-土接触
模型中土体和桩体之间为不同材料其刚度相差较大，为了模拟的结合实际情况，需要设置滑动的接触（Goodman）单元，将桩取为目标面,土体作为接触面, 在土与桩上相应生成目标单元与接触单元, 并将接触面与目标面上的对应节点力分解为法向力和切向力：
二、模型的检验
为了检验模型的模拟的有效性和合理性，将数值模型相应位置的时程受力与振动台模型进行对比，振动台试验采用太原理工大学重点实验室工程力学中心的DC-2200-26电动振动试验系统（振动台），额定激振力为21.56KN，额定加速度为980m/s2，额定位移为51mm，额定频率范围5～3000HZ。模型桩采用直径为0.03m长为0.6m的水泥桩，桩布置方式为3×3矩阵排列(编号按图2.1-1分布依次为:1、2、3、4、5、6、7、8、9)，承台采用2.6cm厚的方形（0.3m×0.3m）钢板。
模型分为上、下两层土，上层为级配比较均匀的河沙组成，天然密度1.88g/cm3，砂土的干密度1.45g/cm3，饱和度 90%，砂的相对密实度为37%，土层的剪切波速约为60m/s，层厚为0.5m,下层为持力层厚度为0.3m；输入的地震波为正弦谐振波（加速度为0.372g、频率为4.313Hz），通过调整桩间距（3D、3.5D、4D）来研究群桩的抗震性能。模型见图3.1-1。
如图为数值模拟结果中桩（5#桩体）底端的竖向应力时程受力(图2.1-2)与振动台试验中的相应位置的对比，可见数值模拟的曲线与实际情况的模拟达到峰值的时间和大小基本吻合，同时在图3.1-1―3.4-1中其数值和实验数值基本接近，说明所建立的模型合理有效。
三、桩体在地震作用的响应分析
上部结构的力下传，由承台分配传递给桩和桩周土。在固结稳定情况下桩体上受力为Pmin，在桩周围土层完全丧失承载力，全部力由桩体承担时，桩体受力为Pmax,则桩周土体摩擦性能指数α，α介于0和1之间，α越大桩周土对土的摩擦力（及桩体的侧摩阻力）损失越大。
其中p为桩体上实际测得受力大小。
振动台实验模拟自然场地情况时，在15s时，孔压比达到1.0，完全液化，桩基础有较好的抗震能力，桩的分布密度不同时，其抗震能力不同，以下是在其他条件不变时，桩间距为3，3.5，4倍桩径的桩基础历时15s后，群桩中角桩、边桩和中桩，在地震前后α的变化规律。
（一）角桩（1#桩）
如图4.1-1，纵坐标是桩体上的测量点的布置位置。0到-50cm之间是液化沙土层，-50cm至-60cm是持力层。
桩体的在土层中主要依靠桩侧摩阻力和桩端承载力，从图中可以看出，在历时15s后，α随着深度s增大而减小，随着桩间距的的加大而呈现整体减小的趋势。也就是说表层土的液化现象严重，桩体侧摩阻力损失严重，随着桩间距的增加，角桩的抗液化能力呈一定增加趋势，数值模拟和实验结果的趋势基本一致，在砂土层中桩侧摩阻力损失较大，持力层桩侧摩阻力也在损失，但是相对较小。
（二）中桩（5#桩）
如图4.2-1，是中桩在历时15s后桩周土摩擦性能指数在桩体纵向的分布规律，在桩顶值最大，达到0.8左右；在两土层交界处最小。α随着桩间距的增加，逐渐增加。
中桩地震荷载作用下，桩的侧摩阻力损失在表层最为严重，随着深度增加逐渐减轻。随着桩间距的减小，抗液化能力呈增加趋势，这与角桩相反。实验结果和数值模拟的结果基本一致。
（三）边桩一（6#桩）
如图3.3-1，为垂直于水平振动方向布置的边桩，在历时15s后α的分布规律。从桩顶到桩底呈降低趋势，随着桩间距增加，α整体降低。桩体的侧摩阻力损失在表层最为严重，桩间距适当增加可以提高桩的抗液化能力，和角桩的趋势相同。
（四）边桩二（8#桩体）
如图4.4-1，为在振动方向布置的桩体α的变化规律，在桩的纵向大致趋势和角桩、中桩一致。随着桩间距的增加α逐渐增加，抗液化能力减弱，与中桩的特性相近。
在表4.1-1中的桩体的实验和数值模拟数据中，桩顶在15s历时后α均小于1，且随着桩间距的减小而减小，也就是桩间距较小时候承台效应比较明显。说假设明承台效应完全丧失的设计方法是相对保守的。
五、结论
针对目前液化场地上桩基础设计存在的问题，通过振动台试验的结果和动力有限元数值模拟的对比，研究地震前后桩基础的竖向受力变化，可以得到如下结论：
（1）采用规范方法设计液化场地上桩基础设计，不考虑承台效应的方法比较保守，尤为桩体比较密集的桩基，液化现象不严重，承台效应降低较少；
（2）摩擦型群桩中单桩在地震作用下的竖向受力机理明显与单桩作用不同，在群桩基础中，布置在不同位置的桩体，其抗震机理不同；
（3）桩体的侧摩阻力在液化土层损失大，在持力层中损失相对较小，损失部分通过桩体下传，要求桩端和持力层中桩体侧摩阻力在设计时候要预留；
（4）桩基础中，中桩的抗震能力，随着桩间距的减小而提高，而角桩却呈降低趋势。
（5）边桩的抗震竖向承载力的变化，与地震波的方向有关系，在地震波的方向时候与角桩特性相近，当与地震波方向垂直时，其特性又很接近于中桩。
在进行液化场地上桩基础抗震设计时候，中桩的相互之间距离较小，边桩和角桩的桩间距适当增大，同时照顾角桩、边桩和中桩的各自特性，可以在原有的桩基数量提高桩基整体的抗震性能。在对桩数量比较多且比较密集的桩基础进行设计时，承台效应可以降低经济成本
基金项目：山西省攻关项目；
[参考文献]
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[10]GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中华人民共和国建设部,2010.
[11]GB 50007-2006.建筑地基基础设计规范[S].北京:中华人民共和国建设部.2006.
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[13]杨桂通等.土动力学.中国建材工业出版社.2000
（作者单位：太原理工大学土木工程学院 山西太原）
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