一种液化场地桩基动力反应离心机试验数值模拟方法与流程

本发明涉及一种液化场地桩基动力反应离心机试验数值模拟方法。

背景技术：

地震灾害作为自然灾害中破坏能力最大的一种，一直是建筑结构设计中最为重视的。其中，桥梁结构桩基础对地震的反应最为明显，历次震害表明，地震导致的桩基础周围砂土液化从而导致的砂土变形与扩展对桥梁桩基造成的破坏最为严重，是桥梁桩基震害最普遍的表现形式。实践与研究表明:地震下液化侧向大变形土体显著地影响着桥梁桩基的力学行为，导致桩侧土压力明显增加，极易造成桩基的严重损坏，进而耦联上部桥梁结构的失效甚至倒塌。自1995年日本阪神地震后，各国学者开始重视液化侧向流动场地桥梁桩基的抗震问题，且陆续开展了一些研究工作。自此，这一领域便成为国内外桩基抗震研究的热点和难点问题。现场调查、模型试验和数值计算是研究桩基础抗震问题的主要方法。目前模拟试验的种类，主要分为振动台试验与离心机试验，两类试验虽为研究该问题的最为有效的手段，但是因其耗时、费钱、准备周期较长、且适应性较低，并且其能够考虑的影响因素并不多。因此，本文基于大型有限元软件opensees，对某离心机振动台试验对可液化地基中桩基础的地震响应进行了研究。数值模拟方法凭借其快速、高效、精度高的特点已成为研究岩土地震工程问题的重要手段之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供了一种能够准确模拟液化场地桩基动力反应离心机试验的数值模拟方法。

为达到上述目的，本发明的液化场地桩基动力反应离心机试验数值模拟方法，包括以下步骤：

(1)获取液化场地桩基动力反应离心机实验数据；

(2)基于opensees平台，根据步骤(1)中的离心机试验建立桩-土相互作用有限元模型：

s1、建立匹配步骤(1)的离心机试验中的砂土层有限元模型，并将所述砂土层有限元模型划分成若干个砂土实体单元；

s2、在所述砂土层有限元模型中建立桩身单元，所述桩身单元由用于模拟长度的梁单元和用于模拟体积的杆单元组合而成；

s3、在所述砂土实体单元和所述桩身单元之间施加弹簧单元，用于模拟所述砂土实体单元和所述桩身单元间的相互作用；

(3)对所述桩-土动力相互作用有限元模型施加动力条件进行模拟，并计算桩-土相互作用有限元模型的弯矩：m＝f×l，其中，f表示模拟时所述梁单元受到的剪切应力，l表示所述梁单元的长度；

(4)导出步骤(3)中的弯矩数据并与步骤(1)中的所述离心机实验数据比对。

进一步地，步骤s1中模拟砂土实体单元的步骤为：

s11、在所述砂土层有限元模型中引入opensees内嵌的具有土-水耦合性质的二维四节点单元作为所述砂土实体单元；

s12、赋予所述砂土实体单元opensees材料库中的基于多屈服面塑性理论的砂土材料本构模型。

进一步地，步骤s2中的所述梁单元和所述杆单元均为弹性单元。

进一步地，步骤s3中施加弹簧单元的步骤为：

s31、选取所述砂土实体单元土与所述桩身单元作用面上的至少两个桩-土作用节点，且在所述桩-土作用节点处，所述砂土实体单元的土主节点与所述桩身单元的桩身主节点重合，

其中，所述土主节点为所述砂土实体单元的位置节点，所述桩身主节点为所述杆单元与所述砂土实体单元相交处的位置节点；

s32、根据所述土主节点建立土从属节点，根据所述桩身主节点建立桩身从属节点；

s33、在所述土从属节点和所述桩身从属节点间建立opensees软件内嵌的零长度单元；

s34、赋予所述零长度单元侧向弹簧属性和竖向弹簧属性，从而形成所述弹簧单元。

进一步地，步骤(3)中的模拟步骤为：

(3.1)约束所述桩-土相互作用有限元模型的两侧面边界的孔压自由度，使其成为不透水边界；

(3.2)所述砂土实体单元自重施加，获取初始土体应力；

(3.3)所述桩身单元自重施加，获取二次土体初始应力；

(3.4)在所述桩-土相互作用有限元模型的底部施加地震波，实施模拟。

进一步地，所述桩身单元具有一个或多个。

进一步地，相邻两所述桩身单元之间通过承台单元刚性连接，其中，所述承台单元为刚度远大于所述桩身单元刚度的杆单元。

借由上述方案，本发明的液化场地桩基动力反应离心机试验数值模拟方法至少具有以下优点：

本发明通过建立正确的砂土实体单元模型正确模拟实验环境，并在建立桩-土相互作用有限元模型时，通过引入梁单元模拟长度和杆单元模拟体积，并在桩-土作用节点中加入弹簧单元来刻画桩-土的动力相互作用，最后采用合适的边界条件以及地震波加载方式，从而准确地模拟实际液化场地桩基动力反应的离心机试验，从而能够有效预测自由场地、单桩和群桩在动力条件下的反应，解决桩-土相互作用的分析难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是文献中离心机试验的结构示意图；

图2是图1所述离心机试验的单桩设置示意图；

图3是图1所述离心机试验的群桩设置示意图；

图4是本发明优选实施例的单桩-土相互作用结构示意图；

图5是本发明优选实施例的单桩-土相互作用有限元模型结构示意图；

图6是本发明优选实施例在深度0.2m处的自由场地超孔隙水压力时程模拟-试验对比图；

图7是本发明优选实施例在深度5m处的自由场地超孔隙水压力时程模拟-试验对比图；

图8是本发明优选实施例在深度19m处的自由场地超孔隙水压力时程模拟-试验对比图；

图9是本发明优选实施例在sg2观测点处测得的单桩弯矩时程模拟-试验对比图；

图10是本发明优选实施例在sg3观测点处测得的单桩弯矩时程模拟-试验对比图；

图11本发明优选实施例在sg6观测点处测得的单桩弯矩时程模拟-试验对比图；

图12是本发明优选实施例的群桩模型结构示意图；

图13是本发明优选实施例在sg2观测点处测得的群桩弯矩时程模拟-试验对比图；

图14是本发明优选实施例在sg4观测点处测得的群桩弯矩时程模拟-试验对比图；

图15是本发明优选实施例在sg5观测点处测得的群桩弯矩时程模拟-试验对比图。

图中各符号表示如下：

1、土主节点，10、土从属节点，2、桩身主节点，20、桩身从属节点，3、零长度单元，30、弹簧相互作用，4、砂土实体单元，5、桩身单元，51、梁单元，52、杆单元，6、单桩模型，7、承台单元，8、离心机试验单桩，9、离心机试验群桩，41、上层松砂，42、下层密砂，100、桩-土作用节点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例模拟的液化场地桩基动力反应离心机实验由wilson.d.w等人完成，实验数据可参见文献ucd/cgmdr-97/04。该离心机试验的模型结构如图1所示，砂土分为上层松砂41和下层密砂42，砂土中设置有群桩9和单桩8。图2和图3分别表示该离心机试验中的单桩和群桩的尺寸结构示意图，再选取sg1、sg2、sg3、sg4、sg5、sg6六个观测点进行单桩和群桩的弯矩时程测量，并记录测量结果。

离心机试验中的实验装置和本实施例中的模型结构的尺寸单位均为米。

实施例

本实施例提供的液化场地桩基动力反应离心机试验数值模拟方法包括以下步骤：

(1)获取液化场地桩基动力反应离心机实验数据；

(2)基于opensees平台，根据步骤(1)文献中的离心机试验的尺寸建立桩-土相互作用整体有限元模型，如图4～5所示：

s1、建立匹配步骤(1)的离心机试验中的砂土层有限元模型，并将砂土层有限元模型划分成若干个砂土实体单元4，具体包括以下步骤：

s11、在砂土层有限元模型中引入opensees内嵌的具有土-水耦合性质的可考虑孔压消散与重分布并与孔压关联的二维四节点单元作为所述砂土实体单元；

s12、赋予所述砂土实体单元opensees材料库中的基于多屈服面塑性理论的砂土材料本构模型pressuredependmultiyield02。

s2、按(1)中离心机试验中的桩身位置及尺寸在砂土层有限元模型中建立桩身单元5，桩身单元5由用于模拟长度的梁单元51和用于模拟体积的杆单元52组合而成；梁单元51和杆单元52均为弹性单元，杆单元52的刚度远大于桩身单元的刚度；

s3、在砂土实体单元4和桩身单元5之间施加弹簧单元，用于模拟砂土实体单元4和桩身单元5间的摩擦、滑移等相互作用，具体包括以下步骤：

s31、选取砂土实体单元土4与桩身单元5作用面上的至少两个桩-土作用节点100，且在桩-土作用节点100处，砂土实体单元4的土主节点1与桩身单元5的桩身主节点2重合

其中，土主节点1为砂土实体单元的位置节点，桩身主节点2为杆单元52与砂土实体单元4相交处的位置节点，由于梁单元51和杆单元52本身不具有质量，因此单桩模型6的各桩身单元5的质量以质量块的形式施加于桩身主节点2处；

s32、根据土主节点1的坐标位置建立土从属节点10，根据桩身单元主节点2建立桩身从属节点20；

s33、在土从属节点10和桩身从属节点20间建立opensees软件内嵌的零长度单元；

s34、赋予零长度单元3侧向弹簧属性(p-y弹簧)和竖向弹簧属性(t-z弹簧)，从而形成弹簧单元，使得土从属节点10和桩身从属节点20间具有弹簧相互作用30；

该弹簧单元的极限强度随相邻的土体单元平均超孔隙水压比的增大而减小，即随液化程度的加深而减小，从而能够更加准确地刻画砂土液化对桩土相互作用的影响；

(3)对桩-土动力相互作用有限元模型施加动力条件进行模拟，具体步骤包括；

(3.1)约束所述桩-土相互作用有限元模型的两侧面边界的孔压自由度，使其成为不透水边界；

(3.2)砂土实体单元4自重施加，获取初始土体应力；

(3.3)桩身单元5自重施加，获取二次土体初始应力；

(3.4)在桩-土相互作用有限元模型的底部施加地震波，实施模拟；

模拟时，砂土实体单元4受到水平横向加速度，由于在模型初始阶段砂土层有限元模型的两侧边界在同一高度上绑定了水平自由度，即两边界同一高度处在水平方向上振动频率与位移保持一致，从而砂土层有限元模型呈现出一维剪切运动，即砂土实体单元4主要受的力为剪切应力，该剪切应力借由弹簧单元传递到杆单元52上，又因为杆单元52具有很大的刚度，因此杆单元52只受到轴力，并且将轴力传给模拟长度的梁单元51上，使得梁单元51受到剪切应力，从而可以求得桩身单元的弯矩为：m＝f×l，其中，f表示模拟时梁单元51受到的剪切应力，l表示梁单元51的长度；

(4)导出步骤(3)中的弯矩数据并与步骤(1)中的所述离心机实验数据比对。

为提高数值模拟的精度，首先对砂土实体单元4为自由场地时进行模拟，并与离心机实验的数据比对，如图6～8所示，分别表示在深度0.2m、5m和19m处的自由场地超孔隙水压力(简称为超孔压)时程模拟-试验对比图，其中，黑实线表示模拟数据，灰虚线表示实验数据。

从图中可以看出三种深度处土体超孔压均经历0-4s左右振动初期孔压平稳波动阶段、4-15s随基底输入加速度增大而快速上升至峰值且波动频率较高阶段、15s至结束超孔压保持在峰值的平稳阶段。三种深度处均出现了孔压上升阶段模拟值略大于试验值的情况，可能是由于试验中饱和土中所含液体为羟丙基甲基纤维素水，其浓度大于模拟中采用密度为1的纯水，导致其在孔压上升阶段下部土层向上表面排水速度变慢，导致其孔压上升速度慢于模拟值。但最终超孔压整体变化的趋势、到达峰值的时间及峰值的大小均吻合较好，说明该数值方法可正确模拟自由场土体孔压变化情况。

图9～11表示对单桩(桩身数量为1)模型6进行震动模拟后得到的单桩弯矩时程在sg2、sg3、sg6处的模拟-试验对比图，其中，黑实线表示模拟数据，灰虚线表示实验数据。

从图中能够看出，不同观测点处的弯矩幅值的模拟值与试验值吻合程度较高。只是三处观测点在振动较为强烈的5s-15s间，出现了正弯矩幅值略大于试验值的情况。可能是由于在此阶段各砂土层均出现了孔压快速上升甚至砂土液化的情况，使得弯矩值被放大，达到了振动过程中的峰值，本模型桩-土间连接所采用的p-y弹簧、t-z弹簧可考虑周围孔压的变化情况对孔压变化较为敏感，因此放大了孔压对桩身弯矩的影响，使得弯矩得到了二次放大，造成了弯矩略大的情况。综上所述，桩身弯矩模拟值与试验值在变化趋势与幅值上均能够很好的吻合，从而验证了单桩的动力特性。

图12表示群桩时(桩身数量大于1)，即通过在相邻的桩身单元间建立杆单元且将相邻两侧桩身刚性连接，来模拟群桩承台对桩的约束作用，并将该杆单元称之为承台单元7，其中，承台单元7的刚度为桩身单元5刚度的10000倍。图13～15表示群桩模型下的在sg2、sg4、sg5观测点处测得的群桩弯矩时程模拟-试验对比图，其中，黑实线表示模拟数据，灰虚线表示实验数据。

从图中可以看出，不同深度的三个观测点处桩身弯矩幅值及变化趋势吻合程度均较高，与单桩类似在振动较为强烈的5s-15s阶段内，桩身弯矩值随基底输入加速度大小出现剧烈波动，三处观测点均出现了桩身弯矩试验值与模拟值变化趋势出现微小差异的情况，可能是由于本模型所采用的是刚度很大的且物理参数与桩身单元一致的杆单元去模拟承台，因此其约束性能与试验中真实承台存在差异，这种差异也造成了弯矩趋势的细微不同。但总体而言，试验值与模拟值在趋势与幅值上高度吻合，因此这种群桩组合形式的数值模拟方法可正确反映群桩基础桩基的动力特性。

本发明通过建立正确的砂土实体单元模型正确模拟实验环境，并在建立桩-土相互作用有限元模型时，通过引入杆单元模拟体积以及在桩-土作用节点中加入弹簧单元来刻画桩-土的动力相互作用，最后采用合适的边界条件以及地震波加载方式，从而准确地模拟实际液化场地桩基动力反应的离心机试验，从而有效预测自由场地、单桩和群桩在动力条件下的反应。本发明的液化场地桩基动力反应离心机试验数值模拟方法简化了建模步骤，提高了计算效率，保证了计算精度，解决了桩-土相互作用的分析难题，因而具有广泛的应用前景。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。