地震作用下组合桩单桩的抗液化研究

文/陈艳敏 徐安全 岳建伟 刘晓通 河南大学 土木建筑学院 开封 475000

引言

地震作用下砂土液化会造成建筑物沉降失稳或结构破坏[1]，传统处理地基液化的措施，仍有各自的局限性,比如静压桩难以达到设计压入深度、CFG桩存在缩颈及引起周边地表下沉等一系列施工缺陷，而组合桩作为一种较新的桩基形式结合了水泥土和钢筋混凝土两种材料的优势，利用钢筋混凝土内芯来承担主要的上部荷载，借助外侧水泥土搅拌桩与土体大的接触面提供较高的侧摩阻力，形成荷载从混凝土芯桩→外侧水泥土→地基土的二次扩散模式[2]，具有施工方便、承载力高的优点，在处理软粘土、淤泥质土和含有较厚砂层的地基具有相当大的优势。本文借助于Flac3d模拟孔隙水压力的模块，将地震波加载到经组合桩处理的地基中，通过监测设置在桩周附近各监测点的超孔隙水压力和超孔压比的时程变化，探讨组合桩单桩在地震作用下的抗液化特性。

1 模型介绍

1.1 模型参数

组合桩整体尺寸为0.6m×0.6m×10m，取芯桩为0.3m×0.3m×10m，场地土模型长、宽、高尺寸为40m×20m×12m，采用立方体网格进行网格划分。组合桩内芯为C30预制钢筋混凝土，根据《混凝土设计规范》[3]和相关文献[4]可以得到组合桩参数，见表1：

根据《岩土工程勘察报告》选取开封某小区三组具有代表性的土层，其力学参数见表2

初始应力平衡后，将桩设置为露出土面部分和下部部分，组合桩模型剖面见图1。文中分析采用Flac3d中“移来移去”方法进行接触面设置，加载采用分级加载。

图1.组合桩模型剖面图

图2.7度地震波波形图

1.2 地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》[5]和《岩土工程勘察报告》选取符合开封场地类别的地震波，7度设防的罕遇地震加速度最大值取为220cm/s2，同时考虑其地震影响系数曲线与统计值相接近的原则[6]，经调整后地震波形见图2。

1.3 边界条件

本文采用Flac3d中提供的自由边界进行模拟，模型边界见图3.

图3.Flac3d模型边界

图4.地震20s不同位置的孔隙水压力对比

2 动力模拟分析结果

地震波持续时间为20s时，在水平X方向取1.44m、2.58m、3.72m、4.86m、6m， 竖向取-1m、-2m、-4m、-6m、-8m处的孔隙水压力与静力作用下的孔隙水压力对比见图4，图中1为静力作用下孔隙水压力沿深度方向的分布。从图4中可以看出，通过加载地震作用，同一深度处，孔隙水压力变化明显，且沿深度方向上孔隙水压力与静力作用下相比，差距变大。

为监测距离桩不同位置的孔隙水压力时程变化，在同一深度即地下-5.5m处，设置不同的监测点（见表3），各监测点孔隙水压力的时程变化见图5、图6。

图5.监测点641和645孔隙水压力时程

图6.监测点653和665超孔压比时程

从图5和图6中可以看出，距桩芯位置相对较远处的孔隙水压力较大，且其时程变化峰值滞后于距离较近的点。随着距桩芯距离的加大，孔隙水压力变化幅度随地震加速度峰值的变化并不明显，是因为距桩芯较远处，不存在孔隙水压力消散的通道，即使地震作用下，孔隙水压力也不能及时消散。

当超孔压比为1时，有效应力被抵消为零，土颗粒将处于悬浮状态，场地土将达到液化状态。为了明确地震作用下地基土的液化状态，监测超孔压比的时程变化，在地下-5.5m处，设置不同的监测点（见表4），各监测点超孔压比的时程变化见图7、图8、图9和图10。

图7.监测点639超孔压比时程

图8.监测点643超孔压比时程

图9.监测点651超孔压比时程

图10.监测点663超孔压比时程

从中可以看出，距离桩芯位置相对较近的超孔压比随着地震荷载的变化振幅均变化明显，是因为排水通道易沿桩身附近形成，从而导致超孔压比的变化幅度较大。但二者相比，距离较远处的超孔压比在2s附近并没有出现一段平稳段，而是直接达到0.9左右，是因为随着距离桩的位置加大，排水通道形成不良，孔隙水压力的集聚效果明显。

从图9可以看出，由于距离桩周位置远，监测点651超孔压比的时程变化与监测点639和643相比，波动幅度减小，部分时段出现超孔压比等于1即出现液化状态。从图10可以看出监测点663孔隙水压力很难消除，超孔压比从地震2s开始稳定在1.0左右。由时程曲线可知，该处地基土基本上处于液化状态。

表1.组合桩参数选取

表2.土层参数选取

表3.孔隙水压力监测点编号设置

表4.超孔压比监测点编号设置

3 结论

1.地震作用下，组合桩桩周附近的孔隙水压力变化明显：桩端附近处孔隙水压力明显出现增大趋势，桩顶附近孔隙水压力呈漏斗状分布的情形。

2.距离桩身位置近的土层，孔隙水压力波动明显，随着距桩身距离加大，孔隙水压力波动幅度变小。地震作用下，距离桩身较远的土层孔隙水压力在短时间内迅速达到最大并保持相对稳定，从超孔压比的数值判断，该范围内土层在地震发生的某些时刻已达到液化状态。

[1]Bazier,Dobry R.Residual strength and large-deformation potential of loose silty sands [J].Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1995.(6): 896-906.

[2]岳建伟,凌光容,姜忻良.劲芯搅拌桩的试验研究[J].中国港湾建设，2006,141（1）：38-42.

[3]GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S],北京，中国建筑工业出版社，2010

[4]董平，秦然，陈征宙.混凝土芯水泥土搅拌桩的有限元研究[J].岩土力学，2003，24(3)：344-348.

[5]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S],北京，中国建筑工业出版社，2010

[6]曹 资,薛素铎,王雪生等.空间结构抗震分析中的地震波选取与阻尼比取值[J].空间结构，2008,14（3）：3-8