叶尔丰,许带军
(江苏交科交通设计研究院有限公司,江苏 淮安223000)
公路是经济发展的支柱,作为交通运输体系的重要组成部分,其建设与发展广受关注。由于我国幅员辽阔,地质情况复杂,工程建设常常面临各种软土地基以及特殊土地基,软土具有诸多不利于工程建设的特性,经过长期的实践检验,采用水泥土搅拌桩加固处理软土地基能有效提高地基承载力,并且,这种桩基形式经济实用、施工便捷,从而在公路建设中得到了十分广泛的应用[1]。
我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间,地震多发,基础设施的抗震设计越发得到重视。公路作为震后救援、重建的“生命线”工程,在国防、经济方面的作用都极为关键,所以公路工程构筑物的地震反应值得关注。国内已有部分学者针对路堤桩做了相关研究[2-4],但动力方面的研究较少,因此研究软土场地条件下高等级公路的路基桩的动力反应具有很重要的现实意义,。
本文基于某高等级公路的工程背景,采用水泥土搅拌桩加固处理软土地基,应用大型有限元软件平台Abaqus/Explicit建立模型,通过时程分析法,模拟地震作用下场地与路基桩的动力响应。
某高等级公路工程所处场地土层主要为粉质黏土,局部为粉砂。鉴于该场地含软土和可液化土层,该工程部分路段采用桩基础加固路基,桩底嵌入持力层0.5 m,桩径为0.5 m,桩长15 m,横断面内桩间距为1.5 m,共布桩37根,布桩宽度为54.5 m。
依据拟建场地可能遭受的地震影响及其周边的历史地震,选取2008年汶川的静宁波的加速度记录EW分量(震级为8.0级,震中距为552 km,PGA为0.025g,周期为0.7 s)作为基岩输入地震动,强度取为0.2g(强震)。原始地震记录的加速度及傅里叶谱见图1。
图1 原始地震记录的加速度时程及傅里叶谱
鉴于公路工程轴向跨度较大,为提高计算效率,将空间问题转化为平面问题来考虑,选取路基典型代表断面进行2D建模。场地模型侧向尺寸向路堤边缘外延30 m,且为了减少模型内部地震波的折射与反射对动力结果的干扰,在两侧边界设置黏弹性人工边界[5];选取剪切波速约1 300 m/s的泥岩作为地震基岩,视为刚性基底,从模型底面输入水平单向地震动(X向),整体模型见图2。路基采用水泥土搅拌桩基础,桩底嵌入持力层0.5 m,桩体采用弹性材料。
图2 场地-桩基础-路堤体系的有限元模型概况(单位:m)
本文选用了赵丁凤等[6]提出的基于Davidenkov骨架曲线的修正加卸载法则及等效剪应变的新算法来模拟土体材料,骨架曲线可表示为:
式(1)、式(2)中,τ、γ分别表示剪应力及剪应变;G为动剪切模量;Gmax和γr分别表示初始剪切模量及参考剪应变;H(γ)为剪应力与剪应变的关系;A和B为土的拟合参数,碎石垫层视为弹性材料。各土层本构参数具体可参见表1。
表1 场地土层的本构参数
动剪切模量和阻尼比是表征土体非线性动力特性的重要参数,也是场地地震反应分析土-结构体系动力相互作用分析的必需参数。
模型网格竖向最大尺寸hmax取截止频率对应波长的1/8~1/10,网格竖向尺寸取为1.0~5.0 m、水平尺寸取为0.8~3.0 m,并对邻近筏基的网格做精细化处理。选用ABAQUS单元库中的四结点双线性平面应变四边形减缩积分单元CPE4R模拟土体与路堤;选用两节点线性梁单元B21模拟桩体。同时,采用ABAQUS中的嵌入约束模拟桩体与土体的相互作用。
对路堤-桩基础-场地进行了二维非线性动力分析,由于模型的对称性,挑选了左侧3根代表性桩(图2中的Pile1、Pile9、Pile19),提取动力响应。
图3 给出了3根观测桩桩顶处的5%阻尼比的加速度反应谱。可以发现:
图3 桩顶处加速度反应谱(5%阻尼比)
1)作为边桩的Pile1的谱值全周期包络Pile10和Pile19的谱值,可见边桩的谱加速度对静宁波更加敏感,而Pile10和Pile19的谱值差距不大,可见内部桩的谱加速度反应变化不大。
2)可以发现,与基岩波相比,3根桩在周期小于0.6 s的部分,谱值放大较小,3根桩互相的差距也较小,而在静宁波卓越周期(0.7 s)附近,谱值放大效果明显增加,基岩波的双峰变为桩顶反应谱的单峰现象,这是由于软土场地对地震动高频部分有一定的滤波效应。
3)谱加速度的峰值的卓越周期与输入地震动基本对应,因为静宁波是一条远场波,卓越周期与场地的基本周期相近,软土场地对长周期丰富的远场波更加敏感,反应谱在0.7 s附近放大尤为明显,且无偏移。
图4 为场地-桩基-路堤体系的峰值加速度分布云图,随着深度的增加,峰值加速度基本处于降低趋势,在桩基础两侧的小部分土体,明显低于其下层土体,这是因为同一深度存在的桩体振动耗能更多,桩外侧土体的加速度反应自然会相对变小。
图4 场地-桩基础-路堤体系峰值加速度反应分布云图
图5 展示了3根观测桩峰值加速度随深度变化的情况。可以发现:(1)3根桩的峰值加速度反应整体随深度的减小而增大,仅在深度为-5~-10 m存在缩小的情况,这是由于所处土层交界处剪切波速发生突变所致;(2)Pile1的加速度反应明显更加强烈,而Pile10次之,Pile19反应最小。3根桩的峰值加速度在桩顶部和底部相差不大,在-5~-20 m深度处,差距更大。
图5 3根代表性观测桩不同深度处峰值加速度
相对位移定义为,桩身各点绝对位移反应与桩底部节点绝对位移反应的差值。桩身的相对位移随深度的变化可以反映出在地震作用下,桩身随深度的变形情况,如图6所示。
图6 代表性桩不同深度处峰值相对位移
可以发现:(1)3根观测桩的相对位移整体随着深度的减小而增大,在近地表处,相对位移增加得更快;(2)相较于2根内部桩,Pile1的相对位移反应更加强烈,这应该是由于边桩一侧为刚度较小的土体,另一侧为刚度更大的桩基础,刚度差导致边桩变形更加明显;(3)内部桩Pile10和Pile19在深度深于-10 m时,相对位移较为相近,而在深度浅于-10 m时,这种差距逐渐增大,在近地表处差距最大。可见,桩身位移反应在近地表处的土层更为强烈。
针对某高等级公路,建立松软场地-桩基础-路堤体系的二维有限元模型,同时,考虑土体的非线性特性,分析了静宁波(EW分量)作用时桩基础的地震反应。主要结论有:
1)边桩的反应谱值全周期包络内部桩,边桩的谱加速度对静宁波更加敏感,反应更为强烈。软土场地对长周期丰富的远场波更加敏感,在输入地震动卓越周期附近,桩身谱加速度放大效应更加明显,由于软土场地对地震动高频部分有一定的滤波效应,输入基岩波的双峰变为桩顶反应谱的单峰。
2)随着土层深度的增加,峰值加速度基本处于下降趋势,由于桩体的耗能效果更好,桩基础外侧土体的加速度反应相对更小。
3)桩身峰值加速度整体随深度的减小而增大,但在剪切波速发生突变的土层交界处会有不同的反应。边桩的加速度反应明显更加强烈,中心桩反应最小。边桩与中心桩的峰值加速度在顶、底部相差不大,桩身中部差距更大。
4)桩身的相对位移随着深度的减小而逐渐增大,在近地表处,相对位移增加的速率更大。相较于内部桩,边桩的位移反应更加强烈。桩身位移反应在近地表处的土层更为强烈。