基于FLAC3D液化場地樁-土動力相互作用研究

江開渡,錢德玲,戴啟權

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

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基于FLAC3D液化場地樁-土動力相互作用研究

江開渡,錢德玲,戴啟權

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

文章研究液化場地對樁基的影響,得到基礎液化對樁基的影響規律;以液化場地樁基變形為研究對象,通過液化判定準則與超孔壓比的變化了解液化的過程,利用FLAC3D有限差分軟件,分別探討了樁身彎矩和樁-土相互作用力在地震作用下的變化以及液化作用對樁、土位移的影響,并對群樁中的角樁、邊樁和中心樁彎矩幅值進行對比。研究結果表明,樁側向位移隨液化程度的加深而變大,在土體達到液化狀態時,樁身彎矩和樁身剪力也達到了最大,且角樁和邊樁的彎矩幅值比中心樁大。

FLAC3D有限差分軟件;液化;樁-土相互作用;超孔壓比;樁身彎矩

0 引 言

歷次大地震的震害調查結果表明,地震作用下土體產生液化是導致樁基結構破壞的重要原因之一[1],研究人員通過室內實驗和現場實驗對樁-土相互作用進行了一系列的研究,并且得到了較理想的研究成果[2]。樁基礎作為深入土層的柱狀構件,在地震作用中不但受地基動力作用的約束,也與結構的自身振動頻率相關,同時也與地基液化程度有關[3-4]。本文基于FLAC3D有限差分軟件，對樁-土動力相互作用在地震作用下的液化現象進行了探討,并對群樁中的角樁、邊樁和中心樁彎矩幅值進行對比,得到了一些對實際工程有意義的成果。

1 動孔壓模型與土體液化判定

FLAC3D運用顯式差分方法和完全非線性方法求解運動方程;使用非線性的材料性質,不相等頻率的波與波之間可以自然出現干涉和混合;選用彈塑性模型,能夠計算結構的永久性變形[5]。本文利用能夠反映實際情況的塑性方程,獲得了塑性應變增加值和應力變化之間的聯系,并進行不同本構模型的對比。

1.1 動孔壓模型

土體結構的變化和土體強度的變化根本上是由振動孔隙水壓力的升降導致的。目前已有針對不同原因的幾種振動孔隙水壓力計算模型,FLAC3D采用的是應變計算模型。

FLAC3D采用在動力荷載作用下流-固耦合的方法計算,能夠仿真飽和砂土在動力荷載作用下超孔隙水壓力積累,直至達到土體的液化。該軟件使用Finn結構模型記錄超孔隙水壓力增長的效應。Finn結構模型中采用了Mohr-Coulomb結構模型，還增加了動孔壓在振動作用下上升的模式,同時假設動孔壓的上升模式與塑性體積應變增加值有關。

(1)

對于Δεvd,有Finn和Byrne 2種不同計算模式。

(1) 在Finn模式下,塑性體積應變增量Δεvd僅是總的累積體積應變εvd和剪應變r的函數，即

(2)

其中,C1、C2、C3、C4為模型常數。

(2) 在Byrne模式下,可以更精確地計算塑性體積應變增量,其計算公式為:

(3)

C1與飽和砂土相對密度Dr的關系為:

(4)

相對密度Dr與標準貫入擊數(N1)60之間的經驗公式為:

(5)

液化產生的過程就是土體結構體積壓應變不斷增加的過程,振動初期土體體積壓縮較快,體積的壓應變較小時體積壓應變累積增加值也較快,體積壓縮達到一定程度時,土體產生液化現象,此后體積壓縮不再增長。

1.2 一般應力條件下飽和砂土液化判定準則

飽和砂土發生液化的過程是飽和砂土從固態轉化成液態的過程,如果不考慮液體的黏滯力,它的抗剪強度為0,廣義剪應力q和有效應力p的變化情況可用液化現象的定義和特征來描述,關系如下:

(6)

(7)

滿足(6)式的解只能為:

(8)

其中,σi′(i=1,2,3)為液化狀態下的3個有效主應力。當所有有效主應力都接近于0時,砂土即產生液化；當有效應力的值都為0時,土體完全喪失承載力。

根據有效應力原理,(8)式可改寫為:

(9)

其中,σi′(i=1,2,3)為砂土液化時產生的有效應力;u為砂土達到液化狀態時產生的孔隙水壓力。當孔隙水壓力上升,接近有效正應力時,砂土即產生液化,當作用在飽和砂土結構單元的3個有效主應力大小一致并且和此時的孔隙水壓力相等時,說明飽和砂土發生完全液化,土體完全喪失承載力。

(9)式中的液化準則既符合理論的液化準則,又和實驗方法、儀器無關,是客觀的同一的準則。

在仿真計算中因為計算精度的影響,通常使用超孔壓比來描述液化現象。在三維仿真計算過程中,超孔壓比ru定義為:

(10)

其中,σm0′為動力計算初期結構單元的平均有效應力;σm′為動力計算過程中結構單元的平均有效應力。

(11)

(12)

其中,σj0′(j=1,2,3)為動力計算之前應力張量的3個主應力；σj′(j=1,2,3)為動力計算過程中應力張量的3個主應力。

超孔壓比值反映液化程度的大小,等于1表示完全液化,在0.8以上表示接近液化。

為了能夠有效記錄超孔壓比、結構加速度和結構剪應力等各種參量,本文采用FISH語言編寫了一個能夠反映孔壓的應用程序來進行動力反應過程分析。

2 計算分析

2.1 模型尺寸和計算參數

模型尺寸在x、y、z方向分別為10、10、12 m,計算模型如圖1所示,樁為3×3的群樁,樁和承臺均使用結構單元模擬。

圖1 計算模型

沿z軸自上到下土層分布為1 m的黏性土、7 m的粉細砂和4 m的中粗砂,其中黏性土和中粗砂為非液化層,粉細砂為液化層,土層物理參數見表1所列[6-7]。

表1 土層物理參數

樁使用混凝土直桿樁,采用樁單元代替實體單元,直桿樁的樁徑為0.5 m,樁長為10 m,密度為2 100 kg/m3,彈性模量為21.3 GPa,樁間距為3倍的樁徑。

樁頂的承臺采用混凝土材料制成,采用初襯單元代替實體單元,板厚為0.6 m,邊長為3.2 m×3.2 m,其密度和彈性模量分別為2 500 kg/m3、20 GPa。

2.2 數值模擬分析

模擬中,輸入持時為5 s的El-Centro波激勵,其地震動峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)為0.3g,時程如圖2所示。

圖2 El-Centro波

2.2.1 超孔壓比與液化程度

砂土地基液化,是在動荷載作用下使粉細顆粒逐漸趨于密實的過程,引起超孔隙水壓力急速上升[8-9]。在振動初期,振動時間很短,孔隙水壓力快速增長,這部分快速增長的孔隙水壓力在土體結構中不能得到有效的消散,使土體3個有效應力迅速減小,土體呈粉細顆粒狀態或者都處于懸浮狀態下時,地基土體的有效應力降低到最小，甚至為0。同時土體結構的抗剪強度降為0,產生了“液體”效果。在振動作用下,一般認為超孔壓比達到0.8左右時,土體產生初始液化,到達1.0時,土體達到完全液化。

不同埋深的超孔壓比和超孔隙水壓力時程曲線如圖3所示。

圖3 不同埋深的超孔壓比和超孔隙水壓力時程曲線

由圖3可知,超孔隙水壓力和超孔壓比的時程變化圖形基本保持一致。在2.5 s左右,地下埋深在4 m處,土體產生初始液化現象,超孔壓比的值達到0.8并保持一段時間,隨著震動的繼續,超孔壓比繼續增加,最大達到0.946,此時土體可認為完全液化;地下埋深8 m處,超孔壓比在震動2.5 s時達到0.739,可認為此處也達到初始液化;在地下埋深10 m處,由于此處處于非液化層,其超孔壓比值最大只達到0.584,故此層可認為并沒有達到液化狀態,符合實際情況。由此可見,在液化層中,土體埋深越淺越容易產生液化。

2.2.2 地震液化條件下樁身內力反應

地震作用下樁身彎矩反應與超孔壓比之間的關系如圖4所示。

由圖4可見,樁身彎矩經歷了一個先增大后減小的過程。在振動初期,超孔壓比很小時,樁身彎矩變化不大。這是因為振動初期,樁周土具有較強的側向承載力,樁身受樁周土作用的影響較小,導致樁身變形和彎矩均較小。隨著振動的繼續,當超孔壓比達到一定值(0.4左右)時,樁身彎矩出現顯著增長,且出現最大值1.92 kN·m。這是由于飽和砂土層液化,能夠提供的有效側向水平抗力有較大的降低,樁身承受較大的荷載[6-10]。在振動后期,超孔壓比達到最大值,樁身彎矩明顯降低,但仍保持一定的幅值。

圖4 埋深4 m處超孔壓比與樁身彎矩

角樁與中心樁及邊樁在不同埋深處的樁身彎矩對比如圖5所示。

圖5 角樁、中心樁及邊樁樁身彎矩幅值

由圖5可以看出,在埋深2 m處角樁彎矩幅值明顯大于中心樁的彎矩幅值,最大值達到2.28 kN·m,是中心樁的1.5倍;角樁與邊樁的彎矩幅值變化趨勢相近,但邊樁的彎矩略大于角樁。其他埋深的樁身彎矩相差很小,由于液化層在埋深8 m,所以,在液化層中液化對角樁的影響更大。

地下埋深4 m處的樁身剪力和超孔壓比之間的關系如圖6所示,在超孔壓比達到0.4左右時樁身剪力開始逐漸增大,當超孔壓比達到0.6時樁身剪力達到最大值。雖然隨著超孔壓比的繼續上升,樁身剪力迅速減小,但是可以清楚地看到液化過程中樁身剪力明顯增大。

圖6 埋深4 m處超孔壓比與樁身剪力

2.2.3 樁-土位移

樁基的側向位移是引起建筑震害的主要原因之一,可液化地基中樁基礎設計不能只考慮上部結構震動的影響,還要考慮樁、土的側向位移和樁、土之間的相對位移[11]。

地基土層不同深度樁、土側向位移時程曲線如圖7所示。

圖7 不同位置處的樁、土體側向位移

從圖7可以看出,開始時刻振幅很小,樁、土之間無明顯的相對位移,但樁的側向位移一直在增大。伴隨震動的繼續,土體產生液化后,樁、土之間產生明顯的相對位移,樁的側向位移也達到最大值,且越接近樁底,樁的側向位移和樁、土相對位移變化越明顯。

3 結 論

(1) 孔隙水壓力的變化和外界振動、液化場地土的土質情況和土體埋深條件等因素有著密切關系。在地震作用下,模型地基土中孔隙水壓力隨著地震加速度的增長而迅速增長,并且在液化層中,土體埋深越淺越容易產生液化。

(2) 樁身彎矩和樁-土相互作用力隨著土體液化程度的加深而呈現的變化規律大致相同,均在土體達到液化的同時其值達到最大,隨后孔隙水壓力的消散使得樁身彎矩和樁-土相互作用力迅速降低,基本會維持一個穩定幅值,且角樁和邊樁的彎矩幅值比中心樁大。

(3) 不同位置的樁側位移和相對位移時程圖發展趨勢基本一致,且埋深越深,樁的側向位移峰值也越大。

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(責任編輯 張淑艷)

Analysis of dynamic interaction of piles and soil on liquefiable site by FLAC3D

JIANG Kaidu,QIAN Deling,DAI Qiquan

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The effect of liquefiable site on pile foundation was researched, and the influence law of liquefaction on pile foundation was found. Taking the pile foundation deformation on liquefiable site as research object, and through the analysis of liquefaction process by the liquefaction judgment criteria and the changes of excess pore pressure ratio, the changes of pile bending moment and pile-soil interaction under earthquake loading and the effect of liquefaction on pile-soil displacement were discussed by using the FLAC3Dsoftware. And the amplitudes of bending moment of angle pile, side pile and center pile in the group pile were compared. The results show that the deeper the liquefaction degree, the bigger the horizontal displacement of the pile. When the soil is in the state of liquefaction, the shear force and bending moment of pile reach the maximum, and the amplitudes of bending moment of angle pile and side pile are greater than that of center pile.

FLAC3Dsoftware; liquefaction; interaction of piles and soil; excess pore pressure ratio; pile bending moment

2015-04-28；

2015-06-25

國家自然科學基金資助項目(51378168);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2012HGZY0024)

江開渡(1990-),男,安徽明光人,合肥工業大學碩士生;

錢德玲(1956-),女,安徽安慶人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.015

TU473.1

A

1003-5060(2016)10-1372-05