一种考虑土体液化的桩基抗震分析方法与流程

本发明涉及一种考虑土体液化的桩基抗震分析方法，属于岩土工程与桩基技术领域。

背景技术：

桩基础因具有承载力大、稳定性好、沉降值小等特点，在高层建筑、公路桥梁、港口码头等被广泛应用，然而历次震害调查表明，位于可液化地基土中的桩基往往在地震荷载下破坏严重，从而导致上部结构的倒塌和破坏。因此，可液化场地桩基的抗震性能成为岩土地震工程研究的热点。

模型试验作为评价可液化场地桩基抗震性能的重要手段，因成本高、耗时长等原因不能被广泛应用。有限元、有限差分等数值方法已成为可液化场地桩基抗震分析的重要方法，但是因数值建模的复杂性，这些方法在实际工程应用中有很大的局限性。关于水平力作用下的桩身应力计算，我国多用m法，m法通过调整m值大小来考虑刚度的影响，但m法不能反映土层界面处的桩身受力情况，其原因为：在液化场地，地震对桩的作用相当于桩顶水平惯性力作用和土层运动作用之和，而m法只考虑了桩顶的水平惯性力而忽略地震时土层运动的影响。P-y曲线法虽然考虑了地基的非线性，但没有考虑液化土体流动效应的影响，而且有时不能准确描述桩-土相互作用响应，如孔压的发展以及土层的运动效应。液化土体有很强的率相关性和孔压相关性，已有的方法没有考虑到液化土体流动效应、孔压发展对桩基反应的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以高效进行液化场地桩基结构抗震性能评价，有效用于液化场地桩-土相互作用问题分析的考虑土体液化的桩基抗震分析方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种考虑土体液化的桩基抗震分析方法，针对穿过可液化地基土的桩基，进行抗震稳定性分析，包括如下步骤：

步骤001.针对可液化地基土，采用等效线性代替动力非线性特性，进行一维自由可液化场地地震反应分析，获得可液化地基土液化时的剪应变时程γ，并对时间求一阶导数，获得可液化地基土液化时的剪应变率

步骤002.测定可液化地基土的有效围压σ_c，以及液化时的振动孔压u，并根据可液化地基土的有效围压σ_c和密实度，确定可液化地基土的液化难易程度参数α_u；同时，获得可液化地基土进入完全液化阶段的表现黏度η₀₁；

步骤003.根据如下所示的孔压触变性流体本构模型：

获得可液化地基土液化时作用于桩身的黏滞剪应力τ；

步骤004.根据可液化地基土液化时作用于桩身的黏滞剪应力τ，获得可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的侧向荷载ΔP，同时，获得桩身的水平地震惯性力E；

步骤005.根据可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的侧向荷载ΔP，与桩身的水平地震惯性力E的和，获得可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的总侧向荷载P；

步骤006.根据可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的总侧向荷载P，获得桩身弯矩和侧向位移，实现桩基抗震稳定性分析。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤002中，制备与可液化地基土具有相同密实度的可液化土体样本，并针对该可液化土体样本进行室内不排水循环三轴试验,获得该可液化土体样本初始液化后的剪应力τ₀和剪应变率计算该液化土体样本进入完全液化阶段的表现黏度即获得可液化地基土进入完全液化阶段的表现黏度η₀₁。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤004中，根据可液化地基土液化时作用于桩身的黏滞剪应力τ，通过如下模型：

获得可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的侧向荷载ΔP，其中，d表示桩的直径，L表示与液化地基土接触的桩身长度，θ表示桩侧某点和桩身截面圆心的连线与过桩截面圆心任一直线所构成的夹角。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤004中，通过如下模型：

E＝α_hξG_Eα/g

获得桩身的水平地震惯性力E；其中，α_h表示地震荷载水平向加速度，ξ表示地震作用的效应折减系数，G_E表示桩基的重力，α表示地震惯性力动态分布系数，g表示重力加速度。

本发明所述一种考虑土体液化的桩基抗震分析方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计的考虑土体液化的桩基抗震分析方法，将液化地基土视为流体进行液化效应分析，建立了描述可液化地基土孔压触变性的流体力学本构模型，可液化地基土液化时作用于桩身结构的黏滞剪切力，主要由桩周土体的剪应变率和表征土体流体特性的表观黏度决定，数学化的公式更加直观；现有方法虽然考虑了桩顶的水平惯性力以及地基的非线性，但却忽略了土层的运动效应，本发明所设计的考虑土体液化的桩基抗震分析方法，不仅考虑了孔压发展对土层刚度的衰减作用，能够很好地考虑土层刚度以及液化土体流动效应和孔压发展的影响，这是传统方法不具备的。

附图说明

图1是本发明设计考虑土体液化的桩基抗震分析方法的流程图；

图2是本发明中可液化地基土液化时作用于桩身的侧向荷载计算简图；

图3是本发明中桩-土相互作用简化分析模型。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

对于可液化地基土中的桩基，在桩-土相对位移相同的情况下，作用于桩身上的侧向荷载未必相同，其原因在于持续的地震动荷载作用下土体孔压的积累。现有的可液化场地桩-土相互作用简化分析方法虽然考虑了孔压发展对土体刚度的衰减作用，但并未考虑到液化地基土流动效应以及表观黏度的影响。本发明建立可液化地基土孔压触变性流体本构模型，将液化地基土视为流体进行液化效应分析，以具有一定黏滞性的流体与桩相对运动产生的黏滞剪切力代替桩侧土压力，并通过拟静力计算方法分析桩-土相互作用。

如图1所示，本发明设计了一种考虑土体液化的桩基抗震分析方法，针对穿过可液化地基土的桩基，进行抗震稳定性分析，在实际应用过程当中，具体包括如下步骤：

步骤001.针对可液化地基土，采用等效线性代替动力非线性特性，通过PROSHAKE软件进行一维自由可液化场地地震反应分析，获得可液化地基土液化时的剪应变时程γ，并对时间求一阶导数，获得可液化地基土液化时的剪应变率

步骤002.测定可液化地基土的有效围压σ_c以及液化时的振动孔压u，并根据可液化地基土的有效围压σ_c和密实度，确定可液化地基土的液化难易程度参数α_u；同时，获得可液化地基土进入完全液化阶段的表现黏度η₀₁。

其中，对于可液化地基土进入完全液化阶段的表现黏度η₀₁，具体采用如下方法获得：制备与可液化地基土具有相同密实度的可液化土体样本，并针对该可液化土体样本进行室内不排水循环三轴试验,获得该可液化土体样本初始液化后的剪应力τ₀和剪应变率计算该液化土体样本进入完全液化阶段的表现黏度即获得可液化地基土进入完全液化阶段的表现黏度η₀₁。

步骤003.根据如下所示的孔压触变性流体本构模型：

获得可液化地基土液化时作用于桩身的黏滞剪应力τ。

如图2所示，桩身与液化地基土的相互作用过程中，黏滞剪应力作用于桩基四周，且受土层流动效应的影响，但背土面桩受到的黏滞剪应力比迎土面方向要小，为便于分析和简化计算，做如下假定：1)液化地基土为理想线性流体；2)液化地基土的运动为不可压缩的无旋运动；3)液化地基土流动时产生的黏滞剪应力沿桩周切向均匀分布，则基于如图2所示针对桩基的荷载作用方式，执行如下步骤004。

步骤004.根据可液化地基土液化时作用于桩身的黏滞剪应力τ，通过如下模型：

获得可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的侧向荷载ΔP，其中，d表示桩的直径，L表示与液化地基土相接触的桩身长度，θ表示桩侧某点和桩身截面圆心的连线与过桩截面圆心任一直线所构成的夹角。

为了探究桩的动力反应，把桩视为欧拉-伯努利梁，其假定：1)变形前垂直梁中心线的平剖面变形后仍然为平面；2)变形后横截面的平面仍与变形后的轴线相垂直。基于上述假定，进行桩-土相互作用分析，简化分析模型如图3所示，对桩基进行地震作用分析，得到沿桩身高度的水平地震惯性力。

即同时，通过如下模型：

E＝α_hξG_Eα/g

获得桩身的水平地震惯性力E；其中，α_h表示地震荷载水平向加速度，ξ表示地震作用的效应折减系数，G_E表示桩基的重力，α表示地震惯性力动态分布系数，g表示重力加速度。

步骤005.根据可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的侧向荷载ΔP，与桩身的水平地震惯性力E的和，获得可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的总侧向荷载P。

步骤006.根据可液化地基土液化时作用其所接触桩身段的总侧向荷载P，获得桩身弯矩和侧向位移，实现桩基抗震稳定性分析。

上述技术方案所设计的考虑土体液化的桩基抗震分析方法，将液化地基土视为流体进行液化效应分析，建立了描述可液化地基土孔压触变性的流体力学本构模型，可液化地基土液化时作用于桩身结构的黏滞剪切力，主要由桩周土体的剪应变率和表征土体流体特性的表观黏度决定，数学化的公式更加直观；现有方法虽然考虑了桩顶的水平惯性力以及地基的非线性，但却忽略了土层的运动效应，本发明所设计的考虑土体液化的桩基抗震分析方法，不仅考虑了孔压发展对土层刚度的衰减作用，能够很好地考虑土层刚度以及液化土体流动效应和孔压发展的影响，这是传统方法不具备的。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。