地震局部液化地基侧向大变形对桩基影响研究

赵云侠

(安徽建工合肥建材有限公司，安徽 合肥 230601)

在目前的桩基础抗震设计中,通常将地震时上部结构物的动力响应对基础桩的影响简化为一个作用于基础桩顶部的水平力。这种方法仅考虑了上部结构对桩基础的影响,而忽略了地基水平侧移的影响,尤其是液化后地基侧向大变形的影响。本研究采用简化分析方法,考虑桩土共向工作的非线性关系,建立液化侧扩地基中桩基的有限差分计算模型,基于弹塑性地基反力法,推导液化侧扩地基中桩基的有限差分解的统一格式,利用有限差分研究液化后地基永久侧移对桩基的影响。

1 液化侧扩地基中桩基的计算模型

在地震荷载结束后,桩基主要受到液化后永久侧向位移的作用。设液化后土体侧向位移是ys,引起桩的位移为y,则侧移的作用下单桩的挠曲微分方程为:

(1)

在地震荷载作用的过程个,随着动孔压的上升,土层逐渐发生液化.液化后砂土的刚度在主震作用下降低。在规范、规程或实际工程中通常采用简化计算方法来考虑液化土层对桩基的影响。我国在相应的桩基抗震规范中采用了对液化土层的桩周摩阻力和水平抗力系数作一定折减的做法,土层液化折减系数如表1所列。

表1 土层液化折减系数

考虑土层液化水平抗力系数折减后,方程(1)转换为:

(2)

于是对式(2)做中心差分。得:

(3)

联合相应的边界条件,可得液化后侧向位移作用下单桩的位移差分方程:

(4)

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

(5)

Ks为土体水平向刚度矩阵,其值为:

(6)

(7)

对于群桩在液化后侧向变形作用下的求解方法,采用修正的p-y曲线法。群桩效应引起土体极限抗力折减程度,可按Brown(1988)建议的p因子(fm)来考虑,具体根据桩距、桩径确定的p因子的推荐数值来进行计算。

2 液化后侧向变形分析

地震时由于液化引起的地表侧向大变形是常见的具有极大破坏力的震害现象之一。液化后大变形土要是液化后土体在自重产生的静剪应力作用下发止的。静剪应力的大小会对液化后场地破坏的形式产生较大的影响,根据静剪应力的大小可将液化后的破坏形式分为侧向扩展和流滑。对于初始静剪应力较小的近水平场地一般发生有限的侧向扩展变形。

通过饱和砂土液化后大变形的试验,液化后单调加载的试样,其变形由低强度段、超线性强度恢复段和次线性强度恢复段3部分组成。在低强度段,偏应力几乎为零而应变却大幅度增加,这段变形是液化后大变形的必经阶段;在强度恢复段.随着应变的发展土体的强度快速恢复,土体抵抗变形的能力逐渐增加;对于初始静剪应力较小的近水平场地,强度恢复段所产生的变形较为有限,与低强度段相比要小得多。因此,对于这种情况可以忽略强度恢复段产生的变形。液化后侧向变形主要由低强度的变形决定。经研究,低强度轴向应变ε0与循环荷载后的最大双幅轴向应变εmax密切相关,而最大双幅轴向应变εmax与抗液化安全系数F1很好的相关性,当抗液化安全系数等于1时.试样刚好液化或达到预定的剪应变幅值,当其大于1时,则说明试样未达到液化,当其小于1时,说明试样已经液化,且不同的抗液化安全系数值将会导致不同的最大双幅轴向应变。一般只要能确定出一定地震荷载作用下抗液化安全系数沿液化土层的分布,即可确定出低强度段轴向应变ε0沿液化土层的分布情况,计算时将轴向应变ε转化为剪应变γ,具体转换如下:

γ=(1+μ)ε

(8)

其中,μ为泊松比。对于饱和不排水的情况体应变εv=0,在轴对称应力条件εv=ε1+2ε3,则μ可取0.5,即γ=1.5ε。采见分层总和法即可确定出液化后侧向变形沿液化土层的分布。

3 抗液化安全系数F1的确定

4 结束语

饱和砂土液化和液化后大变形的评价及其对桩基的影响是岩土抗震工程领域的难点和热点研究课题之一,对其展开深入而系统的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。论文在试验的基础上对液化侧扩地基中桩基的受力性状进行了研究,得出了液化侧扩地基中桩基的计算模型建立、液化后侧向变形沿液化土层的分布,确定抗液化安全系数等有价值的认识,可为液化侧扩地基中桥梁桩基的抗震设计和地震安全性评价提供借鉴和参考。