基于FLAC3D液化场地桩-土动力相互作用研究

江开渡,钱德玲,戴启权

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)



基于FLAC3D液化场地桩-土动力相互作用研究

江开渡,钱德玲,戴启权

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

文章研究液化场地对桩基的影响,得到基础液化对桩基的影响规律;以液化场地桩基变形为研究对象,通过液化判定准则与超孔压比的变化了解液化的过程,利用FLAC3D有限差分软件,分别探讨了桩身弯矩和桩-土相互作用力在地震作用下的变化以及液化作用对桩、土位移的影响,并对群桩中的角桩、边桩和中心桩弯矩幅值进行对比。研究结果表明,桩侧向位移随液化程度的加深而变大,在土体达到液化状态时,桩身弯矩和桩身剪力也达到了最大,且角桩和边桩的弯矩幅值比中心桩大。

FLAC3D有限差分软件;液化;桩-土相互作用;超孔压比;桩身弯矩

0 引 言

历次大地震的震害调查结果表明,地震作用下土体产生液化是导致桩基结构破坏的重要原因之一[1],研究人员通过室内实验和现场实验对桩-土相互作用进行了一系列的研究,并且得到了较理想的研究成果[2]。桩基础作为深入土层的柱状构件,在地震作用中不但受地基动力作用的约束,也与结构的自身振动频率相关,同时也与地基液化程度有关[3-4]。本文基于FLAC3D有限差分软件，对桩-土动力相互作用在地震作用下的液化现象进行了探讨,并对群桩中的角桩、边桩和中心桩弯矩幅值进行对比,得到了一些对实际工程有意义的成果。

1 动孔压模型与土体液化判定

FLAC3D运用显式差分方法和完全非线性方法求解运动方程;使用非线性的材料性质,不相等频率的波与波之间可以自然出现干涉和混合;选用弹塑性模型,能够计算结构的永久性变形[5]。本文利用能够反映实际情况的塑性方程,获得了塑性应变增加值和应力变化之间的联系,并进行不同本构模型的对比。

1.1 动孔压模型

土体结构的变化和土体强度的变化根本上是由振动孔隙水压力的升降导致的。目前已有针对不同原因的几种振动孔隙水压力计算模型,FLAC3D采用的是应变计算模型。

FLAC3D采用在动力荷载作用下流-固耦合的方法计算,能够仿真饱和砂土在动力荷载作用下超孔隙水压力积累,直至达到土体的液化。该软件使用Finn结构模型记录超孔隙水压力增长的效应。Finn结构模型中采用了Mohr-Coulomb结构模型，还增加了动孔压在振动作用下上升的模式,同时假设动孔压的上升模式与塑性体积应变增加值有关。

(1)

对于Δεvd,有Finn和Byrne 2种不同计算模式。

(1) 在Finn模式下,塑性体积应变增量Δεvd仅是总的累积体积应变εvd和剪应变r的函数，即

(2)

其中,C1、C2、C3、C4为模型常数。

(2) 在Byrne模式下,可以更精确地计算塑性体积应变增量,其计算公式为:

(3)

C1与饱和砂土相对密度Dr的关系为:

(4)

相对密度Dr与标准贯入击数(N1)60之间的经验公式为:

(5)

液化产生的过程就是土体结构体积压应变不断增加的过程,振动初期土体体积压缩较快,体积的压应变较小时体积压应变累积增加值也较快,体积压缩达到一定程度时,土体产生液化现象,此后体积压缩不再增长。

1.2 一般应力条件下饱和砂土液化判定准则

饱和砂土发生液化的过程是饱和砂土从固态转化成液态的过程,如果不考虑液体的黏滞力,它的抗剪强度为0,广义剪应力q和有效应力p的变化情况可用液化现象的定义和特征来描述,关系如下:

(6)

(7)

满足(6)式的解只能为:

(8)

其中,σi′(i=1,2,3)为液化状态下的3个有效主应力。当所有有效主应力都接近于0时,砂土即产生液化；当有效应力的值都为0时,土体完全丧失承载力。

根据有效应力原理,(8)式可改写为:

(9)

其中,σi′(i=1,2,3)为砂土液化时产生的有效应力;u为砂土达到液化状态时产生的孔隙水压力。当孔隙水压力上升,接近有效正应力时,砂土即产生液化,当作用在饱和砂土结构单元的3个有效主应力大小一致并且和此时的孔隙水压力相等时,说明饱和砂土发生完全液化,土体完全丧失承载力。

(9)式中的液化准则既符合理论的液化准则,又和实验方法、仪器无关,是客观的同一的准则。

在仿真计算中因为计算精度的影响,通常使用超孔压比来描述液化现象。在三维仿真计算过程中,超孔压比ru定义为:

(10)

其中,σm0′为动力计算初期结构单元的平均有效应力;σm′为动力计算过程中结构单元的平均有效应力。

(11)

(12)

其中,σj0′(j=1,2,3)为动力计算之前应力张量的3个主应力；σj′(j=1,2,3)为动力计算过程中应力张量的3个主应力。

超孔压比值反映液化程度的大小,等于1表示完全液化,在0.8以上表示接近液化。

为了能够有效记录超孔压比、结构加速度和结构剪应力等各种参量,本文采用FISH语言编写了一个能够反映孔压的应用程序来进行动力反应过程分析。

2 计算分析

2.1 模型尺寸和计算参数

模型尺寸在x、y、z方向分别为10、10、12 m,计算模型如图1所示,桩为3×3的群桩,桩和承台均使用结构单元模拟。

图1 计算模型

沿z轴自上到下土层分布为1 m的黏性土、7 m的粉细砂和4 m的中粗砂,其中黏性土和中粗砂为非液化层,粉细砂为液化层,土层物理参数见表1所列[6-7]。

表1 土层物理参数

桩使用混凝土直杆桩,采用桩单元代替实体单元,直杆桩的桩径为0.5 m,桩长为10 m,密度为2 100 kg/m3,弹性模量为21.3 GPa,桩间距为3倍的桩径。

桩顶的承台采用混凝土材料制成,采用初衬单元代替实体单元,板厚为0.6 m,边长为3.2 m×3.2 m,其密度和弹性模量分别为2 500 kg/m3、20 GPa。

2.2 数值模拟分析

模拟中,输入持时为5 s的El-Centro波激励,其地震动峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)为0.3g,时程如图2所示。

图2 El-Centro波

2.2.1 超孔压比与液化程度

砂土地基液化,是在动荷载作用下使粉细颗粒逐渐趋于密实的过程,引起超孔隙水压力急速上升[8-9]。在振动初期,振动时间很短,孔隙水压力快速增长,这部分快速增长的孔隙水压力在土体结构中不能得到有效的消散,使土体3个有效应力迅速减小,土体呈粉细颗粒状态或者都处于悬浮状态下时,地基土体的有效应力降低到最小，甚至为0。同时土体结构的抗剪强度降为0,产生了“液体”效果。在振动作用下,一般认为超孔压比达到0.8左右时,土体产生初始液化,到达1.0时,土体达到完全液化。

不同埋深的超孔压比和超孔隙水压力时程曲线如图3所示。

图3 不同埋深的超孔压比和超孔隙水压力时程曲线

由图3可知,超孔隙水压力和超孔压比的时程变化图形基本保持一致。在2.5 s左右,地下埋深在4 m处,土体产生初始液化现象,超孔压比的值达到0.8并保持一段时间,随着震动的继续,超孔压比继续增加,最大达到0.946,此时土体可认为完全液化;地下埋深8 m处,超孔压比在震动2.5 s时达到0.739,可认为此处也达到初始液化;在地下埋深10 m处,由于此处处于非液化层,其超孔压比值最大只达到0.584,故此层可认为并没有达到液化状态,符合实际情况。由此可见,在液化层中,土体埋深越浅越容易产生液化。

2.2.2 地震液化条件下桩身内力反应

地震作用下桩身弯矩反应与超孔压比之间的关系如图4所示。

由图4可见,桩身弯矩经历了一个先增大后减小的过程。在振动初期,超孔压比很小时,桩身弯矩变化不大。这是因为振动初期,桩周土具有较强的侧向承载力,桩身受桩周土作用的影响较小,导致桩身变形和弯矩均较小。随着振动的继续,当超孔压比达到一定值(0.4左右)时,桩身弯矩出现显著增长,且出现最大值1.92 kN·m。这是由于饱和砂土层液化,能够提供的有效侧向水平抗力有较大的降低,桩身承受较大的荷载[6-10]。在振动后期,超孔压比达到最大值,桩身弯矩明显降低,但仍保持一定的幅值。

图4 埋深4 m处超孔压比与桩身弯矩

角桩与中心桩及边桩在不同埋深处的桩身弯矩对比如图5所示。

图5 角桩、中心桩及边桩桩身弯矩幅值

由图5可以看出,在埋深2 m处角桩弯矩幅值明显大于中心桩的弯矩幅值,最大值达到2.28 kN·m,是中心桩的1.5倍;角桩与边桩的弯矩幅值变化趋势相近,但边桩的弯矩略大于角桩。其他埋深的桩身弯矩相差很小,由于液化层在埋深8 m,所以,在液化层中液化对角桩的影响更大。

地下埋深4 m处的桩身剪力和超孔压比之间的关系如图6所示,在超孔压比达到0.4左右时桩身剪力开始逐渐增大,当超孔压比达到0.6时桩身剪力达到最大值。虽然随着超孔压比的继续上升,桩身剪力迅速减小,但是可以清楚地看到液化过程中桩身剪力明显增大。

图6 埋深4 m处超孔压比与桩身剪力

2.2.3 桩-土位移

桩基的侧向位移是引起建筑震害的主要原因之一,可液化地基中桩基础设计不能只考虑上部结构震动的影响,还要考虑桩、土的侧向位移和桩、土之间的相对位移[11]。

地基土层不同深度桩、土侧向位移时程曲线如图7所示。

图7 不同位置处的桩、土体侧向位移

从图7可以看出,开始时刻振幅很小,桩、土之间无明显的相对位移,但桩的侧向位移一直在增大。伴随震动的继续,土体产生液化后,桩、土之间产生明显的相对位移,桩的侧向位移也达到最大值,且越接近桩底,桩的侧向位移和桩、土相对位移变化越明显。

3 结 论

(1) 孔隙水压力的变化和外界振动、液化场地土的土质情况和土体埋深条件等因素有着密切关系。在地震作用下,模型地基土中孔隙水压力随着地震加速度的增长而迅速增长,并且在液化层中,土体埋深越浅越容易产生液化。

(2) 桩身弯矩和桩-土相互作用力随着土体液化程度的加深而呈现的变化规律大致相同,均在土体达到液化的同时其值达到最大,随后孔隙水压力的消散使得桩身弯矩和桩-土相互作用力迅速降低,基本会维持一个稳定幅值,且角桩和边桩的弯矩幅值比中心桩大。

(3) 不同位置的桩侧位移和相对位移时程图发展趋势基本一致,且埋深越深,桩的侧向位移峰值也越大。

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(责任编辑 张淑艳)

Analysis of dynamic interaction of piles and soil on liquefiable site by FLAC3D

JIANG Kaidu,QIAN Deling,DAI Qiquan

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The effect of liquefiable site on pile foundation was researched, and the influence law of liquefaction on pile foundation was found. Taking the pile foundation deformation on liquefiable site as research object, and through the analysis of liquefaction process by the liquefaction judgment criteria and the changes of excess pore pressure ratio, the changes of pile bending moment and pile-soil interaction under earthquake loading and the effect of liquefaction on pile-soil displacement were discussed by using the FLAC3Dsoftware. And the amplitudes of bending moment of angle pile, side pile and center pile in the group pile were compared. The results show that the deeper the liquefaction degree, the bigger the horizontal displacement of the pile. When the soil is in the state of liquefaction, the shear force and bending moment of pile reach the maximum, and the amplitudes of bending moment of angle pile and side pile are greater than that of center pile.

FLAC3Dsoftware; liquefaction; interaction of piles and soil; excess pore pressure ratio; pile bending moment

2015-04-28；

2015-06-25

国家自然科学基金资助项目(51378168);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2012HGZY0024)

江开渡(1990-),男,安徽明光人,合肥工业大学硕士生;

钱德玲(1956-),女,安徽安庆人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.015

TU473.1

A

1003-5060(2016)10-1372-05