地震局部液化地基側(cè)向大變形對樁基影響研究

趙云俠

(安徽建工合肥建材有限公司，安徽 合肥 230601)

在目前的樁基礎(chǔ)抗震設(shè)計中,通常將地震時上部結(jié)構(gòu)物的動力響應(yīng)對基礎(chǔ)樁的影響簡化為一個作用于基礎(chǔ)樁頂部的水平力。這種方法僅考慮了上部結(jié)構(gòu)對樁基礎(chǔ)的影響,而忽略了地基水平側(cè)移的影響,尤其是液化后地基側(cè)向大變形的影響。本研究采用簡化分析方法,考慮樁土共向工作的非線性關(guān)系,建立液化側(cè)擴(kuò)地基中樁基的有限差分計算模型,基于彈塑性地基反力法,推導(dǎo)液化側(cè)擴(kuò)地基中樁基的有限差分解的統(tǒng)一格式,利用有限差分研究液化后地基永久側(cè)移對樁基的影響。

1 液化側(cè)擴(kuò)地基中樁基的計算模型

在地震荷載結(jié)束后,樁基主要受到液化后永久側(cè)向位移的作用。設(shè)液化后土體側(cè)向位移是ys,引起樁的位移為y,則側(cè)移的作用下單樁的撓曲微分方程為:

(1)

在地震荷載作用的過程個,隨著動孔壓的上升,土層逐漸發(fā)生液化.液化后砂土的剛度在主震作用下降低。在規(guī)范、規(guī)程或?qū)嶋H工程中通常采用簡化計算方法來考慮液化土層對樁基的影響。我國在相應(yīng)的樁基抗震規(guī)范中采用了對液化土層的樁周摩阻力和水平抗力系數(shù)作一定折減的做法,土層液化折減系數(shù)如表1所列。

表1 土層液化折減系數(shù)

考慮土層液化水平抗力系數(shù)折減后,方程(1)轉(zhuǎn)換為:

(2)

于是對式(2)做中心差分。得:

(3)

聯(lián)合相應(yīng)的邊界條件,可得液化后側(cè)向位移作用下單樁的位移差分方程:

(4)

ys=[ys,-2ys,-1ys,0…ys,i…ys,n+1ys,n+2]′

(5)

Ks為土體水平向剛度矩陣,其值為:

(6)

(7)

對于群樁在液化后側(cè)向變形作用下的求解方法,采用修正的p-y曲線法。群樁效應(yīng)引起土體極限抗力折減程度,可按Brown(1988)建議的p因子(fm)來考慮,具體根據(jù)樁距、樁徑確定的p因子的推薦數(shù)值來進(jìn)行計算。

2 液化后側(cè)向變形分析

地震時由于液化引起的地表側(cè)向大變形是常見的具有極大破壞力的震害現(xiàn)象之一。液化后大變形土要是液化后土體在自重產(chǎn)生的靜剪應(yīng)力作用下發(fā)止的。靜剪應(yīng)力的大小會對液化后場地破壞的形式產(chǎn)生較大的影響,根據(jù)靜剪應(yīng)力的大小可將液化后的破壞形式分為側(cè)向擴(kuò)展和流滑。對于初始靜剪應(yīng)力較小的近水平場地一般發(fā)生有限的側(cè)向擴(kuò)展變形。

通過飽和砂土液化后大變形的試驗,液化后單調(diào)加載的試樣,其變形由低強(qiáng)度段、超線性強(qiáng)度恢復(fù)段和次線性強(qiáng)度恢復(fù)段3部分組成。在低強(qiáng)度段,偏應(yīng)力幾乎為零而應(yīng)變卻大幅度增加,這段變形是液化后大變形的必經(jīng)階段;在強(qiáng)度恢復(fù)段.隨著應(yīng)變的發(fā)展土體的強(qiáng)度快速恢復(fù),土體抵抗變形的能力逐漸增加;對于初始靜剪應(yīng)力較小的近水平場地,強(qiáng)度恢復(fù)段所產(chǎn)生的變形較為有限,與低強(qiáng)度段相比要小得多。因此,對于這種情況可以忽略強(qiáng)度恢復(fù)段產(chǎn)生的變形。液化后側(cè)向變形主要由低強(qiáng)度的變形決定。經(jīng)研究,低強(qiáng)度軸向應(yīng)變ε0與循環(huán)荷載后的最大雙幅軸向應(yīng)變εmax密切相關(guān),而最大雙幅軸向應(yīng)變εmax與抗液化安全系數(shù)F1很好的相關(guān)性,當(dāng)抗液化安全系數(shù)等于1時.試樣剛好液化或達(dá)到預(yù)定的剪應(yīng)變幅值,當(dāng)其大于1時,則說明試樣未達(dá)到液化,當(dāng)其小于1時,說明試樣已經(jīng)液化,且不同的抗液化安全系數(shù)值將會導(dǎo)致不同的最大雙幅軸向應(yīng)變。一般只要能確定出一定地震荷載作用下抗液化安全系數(shù)沿液化土層的分布,即可確定出低強(qiáng)度段軸向應(yīng)變ε0沿液化土層的分布情況,計算時將軸向應(yīng)變ε轉(zhuǎn)化為剪應(yīng)變γ,具體轉(zhuǎn)換如下:

γ=(1+μ)ε

(8)

其中,μ為泊松比。對于飽和不排水的情況體應(yīng)變εv=0,在軸對稱應(yīng)力條件εv=ε1+2ε3,則μ可取0.5,即γ=1.5ε。采見分層總和法即可確定出液化后側(cè)向變形沿液化土層的分布。

3 抗液化安全系數(shù)F1的確定

4 結(jié)束語

飽和砂土液化和液化后大變形的評價及其對樁基的影響是巖土抗震工程領(lǐng)域的難點和熱點研究課題之一,對其展開深入而系統(tǒng)的研究具有重要的理論意義和工程實用價值。論文在試驗的基礎(chǔ)上對液化側(cè)擴(kuò)地基中樁基的受力性狀進(jìn)行了研究,得出了液化側(cè)擴(kuò)地基中樁基的計算模型建立、液化后側(cè)向變形沿液化土層的分布,確定抗液化安全系數(shù)等有價值的認(rèn)識,可為液化側(cè)擴(kuò)地基中橋梁樁基的抗震設(shè)計和地震安全性評價提供借鑒和參考。