地震作用下樁網復合地基的動力響應分析

梁文文，冷玲倻，張偉偉

(江西科技學院,江西 南昌 330098)

引言

近年來,我國高等級公路和鐵路干線已發展至高烈度地震區,樁網復合地基對于減少路基不均勻沉降具有較好的效果。目前,關于樁網復合地基靜力方面的研究較多,動力方面的研究較少。

目前已有的研究主要集中在數值模擬和試驗研究方面。汪益敏[1]、朱宏偉[2]等分析了地震作用下加筋土擋墻的動力特性；El-Emam[3]分析了加筋參數對加筋土擋墻的影響；陶連金等[4]進行了加筋路堤的數值模擬及性能分析;張志清[5]、胡江碧[6]等進行了加筋路堤穩定性分析；鄭穎人[7]等進行了地震邊坡破壞機制及其破裂面的分析;徐自國[8]、劉光磊[9]等通過數值模擬分析了剛性樁復合地基的地震反應；宋二祥[10]、Meymand[11]、呂西林[12]等通過試驗研究分析了復合地基的抗震性能。

雖然已有文獻對樁網復合地基的穩定性及靜力方面分析較多,但是對于動力方面的研究,尤其是地震方面的研究還較少。

1 復合地基的動力分析原理

關于路堤的動力問題,其系統動力有限元方程可表達為：

式中：u，，表示單元節點的位移、速度和加速度；F(t)表示結點動荷載；[M]表示整體質量矩陣；[K]表示整體剛度矩陣；[C]表示整體阻尼矩陣,可按下式表示：

式中：[m]q表示q 單元的質量矩陣；[k]q表示剛度矩陣。其中 αq、βq可由下式確定：

式中：λq、q 為單元的阻尼比；ω1為振動體系基本圓頻率。

變形幾何關系為：

基于路基的結構特點和荷載特性,可將路基的動力有限元問題簡化為平面應變問題。

2 動力計算模型的確定

本模型中路堤填土、樁間土、加固區土體以及褥墊層材料采用Mohr-Coulomb 模型模擬；加筋墊層中的土工格柵采用PLAXIS 中的格柵單元模擬,其拉伸剛度為1 000 kN/m；樁體采用彈性模型模擬；樁與格柵、墊層與土之間的接觸問題采用接觸單元模擬。

2.1 動力荷載及邊界條件

模型中地震荷載采用指定水平荷載來模擬。

為了避免地震荷載在土體內反射,在垂直邊界上,引入了吸收邊界條件來吸收輻射波,以此來吸收地震荷載引起的應力增量。模型的網格劃分和邊界條件見圖1。

圖1 有限元網格劃分

2.2 瑞利阻尼系數的確定

Plaxis 軟件中引入雷利阻尼代替土體的材料阻尼,雷利阻尼系數α 和β 由以下公式求解：

2.3 地震波的模擬

本研究的地震波采用linghe 波,linghe 波的加速度峰值為4.0 m/s2,其時間- 水平加速度曲線見圖2。

圖2 時間- 水平加速度曲線

2.4 路基材料力學參數

在本研究的有限元模型分析中雷利阻尼系數α和β 均取為0.01,材料基本力學參數見表1。

表1 材料基本力學參數

3 動力響應分析

3.1 不同墊層壓縮模量情況下樁網復合地基的動力響應

通過分析圖3 得出,隨著深度的變化樁身有效應力呈非線性變化,樁身中上部有效應力最小,樁底有效應力最大。同時可以得出,樁身有效應力隨著墊層壓縮模量的增加而減小。

圖3 路基中心樁的有效動應力隨深度的變化

通過分析圖4 得出,路基兩邊緣位移最小,路基中心處垂直位移最大。路基面垂直位移隨著墊層壓縮模量的增加而減小。

圖4 路基面垂直位移隨寬度的變化

3.2 不同筋帶拉伸剛度情況下樁- 網復合地基的動力響應

通過分析圖5 得出,路基中心樁的有效動應力隨著筋帶拉伸剛度的增加而減小,但幅度不大,樁身中上部減小幅度更大。

圖5 路基中心樁的有效動應力隨深度的變化

通過分析圖6 得出,路基面垂直位移隨著筋帶拉伸剛度的增加而減小,但減小幅度不大。

圖6 路基面垂直位移隨寬度的變化

3.3 不同樁體壓縮模量情況下樁- 網復合地基的動力響應

通過分析圖7 得出,隨著樁體壓縮模量逐漸增加,路基中心樁的有效動應力逐漸減小,樁身中部受樁體壓縮模量變化影響較大。

圖7 路基中心樁的有效動應力隨深度的變化

通過分析圖8 得出,隨著樁體壓縮模量逐漸增加,路基面的垂直位移逐漸減小,路基面垂直位移受樁體壓縮模量影響較大。

圖8 路基面垂直位移隨寬度的變化

4 結論

（1） 不同墊層壓縮模量情況下,樁身有效應力隨著墊層壓縮模量的增加而減??；路基面垂直位移也會相應減小。

（2） 不同筋帶拉伸剛度情況下,路基中心樁的有效動應力隨著筋帶拉伸剛度的增加而減??；路基面垂直位移也會相應減小。

（3） 不同樁體壓縮模量情況下,隨著樁體壓縮模量的增加,路基中心樁的有效動應力減小；路基面垂直位移不斷減小。