基于Midas/GTS的微型桩地震动力学分析

◇聊城大学建筑工程学院 崔 康 袁立群 陈为正 徐一凡

基于有限元软件Midas/GTS做出微型桩模型，并取用ElCentro地震波以线性时程分析直接积分法对微型桩及其边坡土层进行地震动力学仿真分析，验证了Midas/GTS软件线性时程分析的可行性。结果表明：微型桩对于边坡支护具有一定的抗震作用，可以减小地震作用下发生滑坡的风险，在微型桩数量不变的情况下，双排布设微型桩比单排布设微型桩的加速度峰值要更小。本文通过在地震荷载作用下的时程分析，分别得到得到单排微型桩和双排微型桩的桩体加速度，旨在对以后关于微型桩的抗震研究提供参考。

地震是一种严重的自然灾害，威胁着人类的生命和财产安全，是一种突发性的自然灾害。地震活动频繁的地区也是地质断裂带发育和活动的区域，往往是在易发生滑坡的地带，我国位于世界两大地震带的交汇部位，我的地震断裂带具有发生频度高、强度大、地震震源较浅、分布范围广的特点。微型桩具有施工机具小，桩位布置灵活，施工方便施工速度快，安全程度高，噪音小振动小对滑体扰动小，对土体适应性强等特点，今天来得到越来越广泛的应用[1]。但在地震作用下，由于地应力等因素，微型桩更易发生破坏。

目前，国内学者已经针对抗滑桩在地震作用下的抗滑性能做了一些研究。饶平平等[2]利用简化的肖毕普法和拟动力法相结合对地震作用下抗滑桩在坡顶加固的抗滑性能进行分析；罗伟等[3]通过非线性强度准则下对抗滑桩加固边坡稳定性极限平衡分析得到了：在地震作用下，随着地震作用系数的增大，抗滑桩加固边坡的稳定性降低幅度更大；魏汝明等[4]提出了一种动力响应分析的解析法，建立了一种抗滑桩的动力计算模型；武志信等[5]利用大型振动台试验对微型桩及桩间土的加速度峰值规律进行了分析；陈行[6]提出一种新型的弧形抗滑桩，通过静力分析和线性时程分析得到这种弧形排布的抗滑桩更加安全稳定；王壮等[7]提出了一种地震作用下抗滑桩支护边坡动力响应分析的解析法。

虽然关于抗滑桩和微型桩的研究较多，但大部分都是静力分析研究，关于地震作用下微型桩的线性时程分析较少，对于微型桩群桩在地震作用下的研究扔有待提高。本文基于有限元软件Midas/GTS建立了微型桩群桩模型，并采用El-Centro地震波对单排微型桩和双排微型桩进行了线性时程分析。得到了地震作用下微型桩的加速度，对比了单排桩和双排桩抗震承载能力和承载效果，验证了Midas/GTS线性时程分析具有很好的效果，也为以后有关微型桩群桩在地震作用下的抗滑提供了参考。

1 有限元模型的建立

1.1 模型尺寸

本文数值模拟中边坡的尺寸和微型桩的尺寸是根据边坡中实际情况采用Midas/GTS建立的边坡实际模型，坡体长20米，宽5米，高14米。边坡上共布设单双排微型桩各七根，每根微型桩长0.28m，宽0.2m，高9m。其中单排微型桩每根桩之间相隔0.4m。双排微型桩中后排桩间隔0.8m，前排桩间隔1m，呈梅花形布设。利用Midas/GTS分别建立单排桩模型与双排桩模型，如图1、图2所示。

图1 单排桩及坡体模型

图2 双排桩及坡体模型

1.2 模型材料

在建立边坡土体模型时，考虑到土体本构关系的影响，默认采用摩尔库伦本构模型，土体的弹性模量、泊松比、容重、粘聚力以及摩擦角均选用土体的通用常数（参考路基手册）进行分析，微型桩则选用弹性实体，弹性模量、泊松比和容重根据混凝土材料选取，材料参数如表1所示。

表1 边坡岩土体和材料力学参数

1.3 分析方式和约束条件

Midas/GTS中的求解类型有线性静力分析、非线性静力分析、特征值分析、边坡稳定分析、线性时程分析和非线性时程分析等，其中线性时程又分振型叠加法和直接积分法两种类型。本文数值模拟采用特征值分析和线性时程（直接积分法）分析。在进行动力分析时，将El-Centro 波作为地面加速度加载地震波，本文选用加载方式为X向加载。地震波的加速度时程曲线如图3所示。

图3 El-Centro波加速度时程曲线

线性时程分析计算时，考虑到边界处地震波的反射对动力计算结果有影响，模型的底部采用边界约束条件为底面固定，模型周边选用自由场边界条件。此外，对模型进行特征值分析，得到模态的周期。在线性时程分析的阻尼方法中使用模态阻尼计算，由特征值分析得到的模态周期计算出质量因子和刚度阻尼。为了缩短动力计算的时间，只输入El-Centro波的前36s，步长为0.02s，共计算1800步。

2 数值模拟结果分析

El-Centro波作用下，单排桩的地震加速度时程曲线如图4所示，双排桩中前排桩的地震加速度时程曲线如图5所示。

图4 单排桩加速度时程曲线

图5 双排桩加速度时程曲线

在El-Centro波作用下，单排桩各桩的地震加速度都呈现出了相似的变化规律，加速度最大的峰值均出现在地震开始后4.3s左右。由图4可见，加速度峰值3.6m/s2左右。双排桩中的后排桩各桩的地震加速度时程曲线与单排桩相似，但如图5中所示双排桩中前排桩的加速度峰值有所减少，这说明双排桩中后排桩在地震作用下反应更为剧烈，桩间存在相互作用使双排桩比单排桩稳定。

3 结论

建立微型桩与岩土的有限元模型，并利用Midas/GTS进行了地震仿真分析，得到以下结论：

（1）Midas/GTS可以简单模拟边坡岩土地层中微型桩受地震荷载的影响结果。

（2）随着地震加速度幅值的增加，单排桩中各检测点的地震加速度峰值均出现倍数增加；但双排桩中前排桩的地震加速度峰值变化不太显著，得出微型群桩对于边坡支护具有一定的抗震作用，而双排桩比单排桩对于边坡土体地震加速度峰值的增长速率有更强的减弱作用。