液化地基采用管桩加固处理效果的非线性有限元分析

孙 晋

（山西工程科技职业大学，山西 太原 030012）

0 引言

地基液化在地震中会严重破坏结构和设施，是大地震期间桩基损坏的主要原因[1-3]。在液化地基破坏的结构上会观察到斜坡和水平地面上均出现了大量裂缝，并且通常伴随着上部结构的沉降和倾斜。液化土中过大的孔隙压力导致土壤强度和刚度损失，刚度的损失则可能会在桩中产生较大的弯矩和剪力。如果剩余可液化土壤的强度小于倾斜场地或自由表面（如河岸）引起的静态剪切应力，则可能发生显著的横向扩展或下坡位移。移动的土壤会对桩施加破坏性压力，导致桩失效。在地震荷载作用下，液化地基中的桩的性能是一个复杂的问题，这是由于饱和土中孔隙水压力逐渐增加和刚度降低的影响。这些影响涉及结构和桩之间的相互作用，孔隙水压力增加导致的土壤刚度和强度的显著变化，桩与土壤之间的运动相互作用，土壤对强烈地震运动的非线性响应，地面横向位移产生的运动荷载，以及上部结构振动产生的惯性荷载，这些都会对建筑结构产生显著的影响[4-6]。为了研究液化地基采用管桩加固处理的效果，本文建立管桩在液化地基中的模型，对其进行非线性有限元分析。

1 管桩消除地基液化的优势

由于管桩具有较高承载力以及变形模量的特性，使其在地基液化处理中具有重要作用，具体消除地基液化的机理有以下2个方面：

（1）相较于其他种类的桩，管桩具有较高的桩身长度，且抗弯抗剪能力也很强，在实际投入使用时可以很好地发挥出较强的穿土能力。也就是说，管桩可以明显提升地基整体的质量，提供一个良好的抗震性能以消除地基液化的影响。

（2）采用管桩时，若间距控制得较为合理，可利用管桩的挤土效应使砂土不易发生液化现象，液化土层的摩阻力也不需要折减，从而提升了管桩的承载力，并可节约成本[7-9]。

2 管桩的设计与数值分析

2.1 管桩加固液化地基模型的建立

图1 所示为管桩加固液化地基的有限元建模，设计顶层为10m，底层为6m。管桩按照规定的埋置长度嵌入底层土壤中。利用梁单元对桩进行建模，以便准确地捕捉其弯曲行为。由于梁元件没有径向尺寸，桩的实际直径是使用垂直于桩轴线放置的刚性连杆的尺寸。此外，刚性连接与周围的土壤单元形成节点到节点的接触，可以真实地模拟管桩与液化地基之间的接触。

图1 管桩有限元建模布局

2.2 管桩加固液化地基的效果

对管桩进行数值模拟计算，以证明管桩对液化地基横向位移的缓解作用，运动下松散砂的地表横向位移时程如图2 所示。在模拟中，由于正方形布桩的安装方式相较于其他布桩方式更加简单，故本模拟设置的布桩方式为正方形布桩，直径D=0.6m 的桩固定在计算域的底部，代表桩牢固锁定在刚性岩石中的情况。液化土壤的深度可假定为10m。首先对松散砂土中的桩进行模拟，桩的面积置换率从0（自由场）变为20%。图2 显示了表层土壤的横向位移（靠近桩），随着面积置换率m（一根桩和它所承担的桩间土体为一复合土体单元，在这一复合土体单元中，桩的断面面积和复合土体单元面积之比称为面积置换率，具体如公式（1）所示）逐渐增加到5%，永久地面位移显著减少到0.1m 左右，这证明了管桩对液化地基的位移起到了缓解作用。

图2 运动下松散砂的地表横向位移时程

式中：D——桩直径；

S——桩中心之间的距离[10]。

土壤中的固定端桩如图3所示，由图3可以看出管桩可以明显减小地面位移，这对液化地基的应用起到了良好的缓解作用。使用桩径D=0.6m 和面积置换率m=5%的数值进行管桩的数值模拟，模拟管桩在不同土壤（松散、中等和密实砂土）中对横向位移的抑制作用，模拟结果显示管桩中的弯矩和剪力在固定端达到最大值，而在地面附近的横向位移几乎为零。

图3 土壤中的固定端桩

2.3 管桩的埋置长度对液化地基的影响

在大多数情况下，不能满足管桩固定端的假设，因为深层土层可能位于液化土壤而非固体岩石下方。在本次数值模拟的研究中，建立了将桩嵌入密度更大的土层中的数值模型。通过参数分析，研究了桩埋置长度对地基横向位移、桩的剪切和弯矩的影响。模拟中使用的桩为圆形，固定直径为0.6m，面积置换率m假定为5%。垂直方向的网格均匀划分为1m 大小，在此情况下，数值模拟可以有效地捕捉到大于10Hz 的波频率[11-13]。

图4 显示了两层土层和嵌入较密地层的管桩的样式，嵌入长度从0m、1m、2m、3m、4m 和5m 不等。上层为深度为10m 的松散或中砂。下部6m 层可以是可液化的或不可液化的，但具有比上层更高的密度。在该数值分析中采用的砂的性质如表1 所示。表1 中总结了3 个模拟案例，分别称为案例LM、LD 和MD。其中，“L”“M”和“D”分别代表“松散”“中等”和“致密”砂。

表1 3种土壤的剖面

图4 管桩不同埋置深度示意图

由图5 可知，埋置长度对地面最大横向位移有显著的影响。通常，增加埋置长度将减少最大横向地面位移，如果管桩埋置长度超过2m，那对整体的结果无明显的影响。如果下层为致密砂（案例LD、MD），则最大位移单调减小。综合分析，对于以上这两种情况，建议管桩应嵌入密实的沙子中至少1m。

图5 地面最大横向位移与桩埋置长度关系

案例LM 对应于最大的地面位移，因为下伏的中砂比致密砂的能力差，所以对于LM 的情况，即使埋置长度高达5m，地面位移也应大于1m，故建议埋置长度应至少为2m。

3 结束语

综上所述，地震引起的土壤液化会对建筑物及基础设施造成严重的破坏，通过分析管桩在液化地基中的机理证明了管桩加固液化地基的重要性，并采用非线性有限元分析方法研究了地震作用下液化多层土中管桩加固的有效性、可行性。本文完善了管桩相关的设计计算理论，为管桩在加固液化地基中的应用提供一定的理论依据。