沉箱碼頭砂土地震液化后地基承載力計算方法

孫 恒 矗

(北京市建筑設計研究院有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000)

沉箱碼頭砂土地震液化后地基承載力計算方法

孫 恒 矗

(北京市建筑設計研究院有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000)

依據Prandtl機構，提出了砂土地震液化后港口碼頭地基承載力的計算方法，并對某沉箱碼頭地震后的地基承載力進行了分析，結果表明：地震力作用下，砂土孔隙水壓力增大，對沉箱結構的水平力增大，彎矩增大，從而使沉箱結構偏心距增大，地基水平及豎向承載力出現不足，最終沉箱結構出現向海側的平移、轉動和沉降。

碼頭，砂土液化，失穩機理，流體

20世紀的幾次地震中，港口碼頭遭受了嚴重的破壞，在地震作用下，沉箱碼頭結構發生向海側的移動、轉動及向下的沉降。調查發現，港口碼頭破壞區域往往伴隨著砂土的大面積液化。

震害資料顯示：地震液化引起的地震大變形，其運動、變形性質與粘性流相似。大量試驗證實：只要有充分的時間，液化土體可以任意變形，無需施加任何外力；變形過程中，液化土體具有抵抗變形的粘性特征；液化土體變形前后，其體積不發生變化[1,2]。Hamada等[3]通過模擬1995年阪神重力式沉箱岸壁地震震害，結果表明：沉箱底部的置換砂與沉箱后部的置換砂孔壓比都沒有達到1，沉箱頂部的位移值接近于零。當置換砂液化且孔壓比達到1時，沉箱頂部的位移值明顯增大，位移達到120 mm。

本文依據Prandtl機構失穩模型，提出了砂土地震液化后港口碼頭地基承載力的計算方法，以某港口碼頭為例進行了地震后沉箱碼頭的地基承載力進行分析。

1 沉箱失穩的滑動模型

地基失穩的砂箱試驗表明[4]：在傾斜荷載作用下，地基多發生單邊滑動。采用Prandtl機構失穩模型[5]，如圖1所示。其滑移線由兩段直線及中間對數螺旋線組成。地基土為砂土，c=0。

P1α=P10etanφ(α-θ0)=

Pα=P1α+P2α。

其中，Pα為AE滑移段上的作用力，其方向和EA′平行。EA′上的作用力設為Pβ，其方向和EA平行，其大小和Pα以及相應邊長成比例，即：

由Pα，Pβ共同產生的垂直反力是：

Ry=Pαsinγ+Pβsinβ=2Pαsinγ。

由Pα，Pβ共同產生的水平反力是：

Rx=Pαcosγ-Pβcosβ=0。

AEA′上的垂直力Fy包含凝聚力的折算荷載，基礎荷載和三角形AEA′的重量，為：

AEA′上的水平力Fx為(Fx≥0)：

注意Fx≥0，如果Px-H>0，取Fx=Px-H，如果Px-H≤0，取Fx=0由此得兩個平衡方程：

(1)

(2)

2 水平力Px,彎矩M，豎向力Py的確定

對地下水位以下的地震后未液化的砂土土壓力采用水土分算，水壓力采用超孔隙水壓力。對液化砂土按流體處理。有以下計算公式：

1)水位線以上土體：沉箱結構的水平壓力分布：

2)液化砂土：沉箱結構的水平壓力分布：

3)液化砂土下面的飽和砂土;沉箱結構的水平壓力分布：

4)超孔隙水壓力上升采用下式計算[6]：

其中，NL為某一剪應力比下砂土達到初始液化的循環次數(由試驗確定)；N為實際地震剪應力作用的循環次數；α為定義超孔壓上升曲線形狀的常數，可由試驗確定，一般取0.7。

5)Py，M的計算。Py即沉箱自重及沉箱下三角形土體自重、M可用對計算模型底部一點取距算出。對彎矩影響的處理方法如下：先由彎矩M與豎向力P的大小求出偏心距e，然后再采用Meyerhof，Hansen，Vesic等人提出的等效面積法對偏心荷載進行處理。對條形基礎，具體做法是用基礎的有效寬度b=a-2c代替原來的寬度a，然后再按基礎寬度為b的無偏心荷載情況進行分析[7]。

3 計算實例

某港口沉箱碼頭的地質情況如圖2所示，沉箱寬15 m，高20 m。天然地基為中粗砂，沉箱碼頭底部挖除7 m中粗砂后回填拋石，沉箱后回填中砂及中粗砂。根據土工試驗結果，各土層的參數為：回填中砂：γ=19.6 kN/m3，φ=30°，h=10 m；回填中粗砂：γ=20.0 kN/m3，φ=34°，h=10 m；中粗砂：γ=20.4 kN/m3,φ=40°，h=30 m。在0.1g地震荷載作用下，Px=2 130 kN，M=11 726 kN·m,Py=5 280 kN,e=3.35 m,b=5.3 m。由地基土提供的承載力Rx+H=1 168.3 kN,Ry-ΔG=35 183.4 kN。地基水平承載力已經不足。

在0.2g地震荷載作用下，Px=2 839.2 kN，M=28 291 kN·m,Py=5 280 kN,e=5.26 m,b=1.28 m。由地基土提供的承載力Rx+H=1 168.3 kN,Ry-ΔG=6 022.9 kN。水平承載力已經不足，由于偏心繼續增大，豎向承載力也出現了大幅度減小。沉箱已經發生了向海側的地基失穩。

4 結語

基于Prandtl機構地基失穩模型，提出了沉箱碼頭砂土地震后地基承載力的計算方法。對某沉箱碼頭砂土地震液化后地基的極限承載力進行分析，結果表明：1)地震力作用下，砂土孔隙水壓力增大，液化砂土具有流體的特征，對沉箱結構的水平力增大，彎矩增大。從而使沉箱結構偏心距增大，地基水平承載力出現不足，地基豎向承載力也大幅度減小。最終沉箱結構出現向海側的平移、轉動和沉降。2)該法簡單易行，可為港口碼頭砂土地震后的地質災害評價提供參考數據。

[1] I.Towhata. Development of Geotechnical Earthquake Engineering in Japan[C].16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering Rotterdam. Millpress Science Publishers，2005：251-291.

[2] 龍天渝，蔡增基.流體力學[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3] Hamada M, Sato H, Kawakami T. A Consideration of the Mechanism for Liquefaction Related Large Ground Displacement. Proceedings 5th Japan-U.S.Workshop on Earthquake Resistant Design of Lifeline Facilities and Countermeasures for Soil Liquefaction, National Center for Earthquake Engineering Research, Technical Report NCEER-96-0012.1996:217-232.

[4] 胡中雄.土力學與環境土工學[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[5] 金問魯.實用土力學及地基處理實例[M].北京：中國鐵道出版社，1993：57-59.

[6] Seed H B, Booker J R . Stabilization of Potentially Liquefiable Sand Deposits Using Gravel Drains, Journal of the Geotechnical Engineering Division ,ASCE,GT7.1977.

[7] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京：水利電力出版社，1994.

Sandy soil seismic liquefaction instability mechanism of the caisson wharf structure

Sun Hengchu

(GuangzhouBranch,BeijingInstituteofArchitecturalDesign，Guangzhou510000，China)

Based on Prandtl institutions, puts forward the foundation bearing capacity calculation method of wharf structure after earthquake liquefaction， and the foundation bearing capacity of a caisson wharf structure after the earthquake are analyzed. The result shows that under the action of earthquake, sandy soil pore water pressure increases, the horizontal force of caisson structure increases, bending distance increase. To make the caisson structure eccentricity increases, vertical bearing capacity of the foundation level and insufficient. Eventually the caisson structure appeared to the translation, rotation, and deposition of the sea side.

caisson wharf, sandy soil seismic, instability mechanism, liquefaction

1009-6825(2015)16-0044-03

2015-03-27

孫恒矗(1981- )，男，碩士，工程師

TU470

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