沉箱码头砂土地震液化后地基承载力计算方法

孙 恒 矗

(北京市建筑设计研究院有限公司广州分公司，广东 广州 510000)

沉箱码头砂土地震液化后地基承载力计算方法

孙 恒 矗

(北京市建筑设计研究院有限公司广州分公司，广东 广州 510000)

依据Prandtl机构，提出了砂土地震液化后港口码头地基承载力的计算方法，并对某沉箱码头地震后的地基承载力进行了分析，结果表明：地震力作用下，砂土孔隙水压力增大，对沉箱结构的水平力增大，弯矩增大，从而使沉箱结构偏心距增大，地基水平及竖向承载力出现不足，最终沉箱结构出现向海侧的平移、转动和沉降。

码头，砂土液化，失稳机理，流体

20世纪的几次地震中，港口码头遭受了严重的破坏，在地震作用下，沉箱码头结构发生向海侧的移动、转动及向下的沉降。调查发现，港口码头破坏区域往往伴随着砂土的大面积液化。

震害资料显示：地震液化引起的地震大变形，其运动、变形性质与粘性流相似。大量试验证实：只要有充分的时间，液化土体可以任意变形，无需施加任何外力；变形过程中，液化土体具有抵抗变形的粘性特征；液化土体变形前后，其体积不发生变化[1,2]。Hamada等[3]通过模拟1995年阪神重力式沉箱岸壁地震震害，结果表明：沉箱底部的置换砂与沉箱后部的置换砂孔压比都没有达到1，沉箱顶部的位移值接近于零。当置换砂液化且孔压比达到1时，沉箱顶部的位移值明显增大，位移达到120 mm。

本文依据Prandtl机构失稳模型，提出了砂土地震液化后港口码头地基承载力的计算方法，以某港口码头为例进行了地震后沉箱码头的地基承载力进行分析。

1 沉箱失稳的滑动模型

地基失稳的砂箱试验表明[4]：在倾斜荷载作用下，地基多发生单边滑动。采用Prandtl机构失稳模型[5]，如图1所示。其滑移线由两段直线及中间对数螺旋线组成。地基土为砂土，c=0。

P1α=P10etanφ(α-θ0)=

Pα=P1α+P2α。

其中，Pα为AE滑移段上的作用力，其方向和EA′平行。EA′上的作用力设为Pβ，其方向和EA平行，其大小和Pα以及相应边长成比例，即：

由Pα，Pβ共同产生的垂直反力是：

Ry=Pαsinγ+Pβsinβ=2Pαsinγ。

由Pα，Pβ共同产生的水平反力是：

Rx=Pαcosγ-Pβcosβ=0。

AEA′上的垂直力Fy包含凝聚力的折算荷载，基础荷载和三角形AEA′的重量，为：

AEA′上的水平力Fx为(Fx≥0)：

注意Fx≥0，如果Px-H>0，取Fx=Px-H，如果Px-H≤0，取Fx=0由此得两个平衡方程：

(1)

(2)

2 水平力Px,弯矩M，竖向力Py的确定

对地下水位以下的地震后未液化的砂土土压力采用水土分算，水压力采用超孔隙水压力。对液化砂土按流体处理。有以下计算公式：

1)水位线以上土体：沉箱结构的水平压力分布：

2)液化砂土：沉箱结构的水平压力分布：

3)液化砂土下面的饱和砂土;沉箱结构的水平压力分布：

4)超孔隙水压力上升采用下式计算[6]：

其中，NL为某一剪应力比下砂土达到初始液化的循环次数(由试验确定)；N为实际地震剪应力作用的循环次数；α为定义超孔压上升曲线形状的常数，可由试验确定，一般取0.7。

5)Py，M的计算。Py即沉箱自重及沉箱下三角形土体自重、M可用对计算模型底部一点取距算出。对弯矩影响的处理方法如下：先由弯矩M与竖向力P的大小求出偏心距e，然后再采用Meyerhof，Hansen，Vesic等人提出的等效面积法对偏心荷载进行处理。对条形基础，具体做法是用基础的有效宽度b=a-2c代替原来的宽度a，然后再按基础宽度为b的无偏心荷载情况进行分析[7]。

3 计算实例

某港口沉箱码头的地质情况如图2所示，沉箱宽15 m，高20 m。天然地基为中粗砂，沉箱码头底部挖除7 m中粗砂后回填抛石，沉箱后回填中砂及中粗砂。根据土工试验结果，各土层的参数为：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地震荷载作用下，Px=2 130 kN，M=11 726 kN·m,Py=5 280 kN,e=3.35 m,b=5.3 m。由地基土提供的承载力Rx+H=1 168.3 kN,Ry-ΔG=35 183.4 kN。地基水平承载力已经不足。

在0.2g地震荷载作用下，Px=2 839.2 kN，M=28 291 kN·m,Py=5 280 kN,e=5.26 m,b=1.28 m。由地基土提供的承载力Rx+H=1 168.3 kN,Ry-ΔG=6 022.9 kN。水平承载力已经不足，由于偏心继续增大，竖向承载力也出现了大幅度减小。沉箱已经发生了向海侧的地基失稳。

4 结语

基于Prandtl机构地基失稳模型，提出了沉箱码头砂土地震后地基承载力的计算方法。对某沉箱码头砂土地震液化后地基的极限承载力进行分析，结果表明：1)地震力作用下，砂土孔隙水压力增大，液化砂土具有流体的特征，对沉箱结构的水平力增大，弯矩增大。从而使沉箱结构偏心距增大，地基水平承载力出现不足，地基竖向承载力也大幅度减小。最终沉箱结构出现向海侧的平移、转动和沉降。2)该法简单易行，可为港口码头砂土地震后的地质灾害评价提供参考数据。

[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] 龙天渝，蔡增基.流体力学[M].北京：中国建筑工业出版社，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.土力学与环境土工学[M].上海：同济大学出版社，1997.

[5] 金问鲁.实用土力学及地基处理实例[M].北京：中国铁道出版社，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] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].北京：水利电力出版社，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

孙恒矗(1981- )，男，硕士，工程师

TU470

A