地震局部液化地基側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)

在目前的樁基礎抗震設計中,通常將地震時上部結構物的動力響應對基礎樁的影響簡化為一個作用于基礎樁頂部的水平力。這種方法僅考慮了上部結構對樁基礎的影響,而忽略了地基水平側移的影響,尤其是液化后地基側向大變形的影響。本研究采用簡化分析方法,考慮樁土共向工作的非線性關系,建立液化側擴地基中樁基的有限差分計算模型,基于彈塑性地基反力法,推導液化側擴地基中樁基的有限差分解的統一格式,利用有限差分研究液化后地基永久側移對樁基的影響。

1 液化側擴地基中樁基的計算模型

在地震荷載結束后,樁基主要受到液化后永久側向位移的作用。設液化后土體側向位移是ys,引起樁的位移為y,則側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,土層逐漸發生液化.液化后砂土的剛度在主震作用下降低。在規范、規程或實際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。我國在相應的樁基抗震規范中采用了對液化土層的樁周摩阻力和水平抗力系數作一定折減的做法,土層液化折減系數如表1所列。

表1 土層液化折減系數

考慮土層液化水平抗力系數折減后,方程(1)轉換為:

(2)

于是對式(2)做中心差分。得:

(3)

聯合相應的邊界條件,可得液化后側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,具體根據樁距、樁徑確定的p因子的推薦數值來進行計算。

2 液化后側向變形分析

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

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

γ=(1+μ)ε

(8)

其中,μ為泊松比。對于飽和不排水的情況體應變εv=0,在軸對稱應力條件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向變形沿液化土層的分布。

3 抗液化安全系數F1的確定

4 結束語

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域的難點和熱點研究課題之一,對其展開深入而系統的研究具有重要的理論意義和工程實用價值。論文在試驗的基礎上對液化側擴地基中樁基的受力性狀進行了研究,得出了液化側擴地基中樁基的計算模型建立、液化后側向變形沿液化土層的分布,確定抗液化安全系數等有價值的認識,可為液化側擴地基中橋梁樁基的抗震設計和地震安全性評價提供借鑒和參考。