1、附 錄荷載作用下可液化地基中樁基礎的動態行為摘 要在本文中，用一個完全耦合的三維動態分析研究了樁基礎在液化場地的動態行為。臨界狀態邊界面塑性模型用來模擬土骨架，而一個完全耦合的（u-p）的方法來分析土壤位移和孔隙水壓力。另外，在本研究中考慮到液化過程滲透系數的變化和滲透系數與孔隙水壓力比值有關，樁基礎離心試驗的結果是要證明該模型在動態負載下，樁的能力和對樁基礎在此狀態下可靠性進行分析，然后，驗證模型被用于參數研究。參數的研究是通過改變樁長、輸入運動的頻率、樁頭的固定性、液化土層的相對密度和厚度進行的。三種不同的液化土層的土壤剖面被應用在本研究。在一般情況下，參數的研究表明：樁頭固定性，液化的土

2、層厚度和輸入運動的頻率這是大大影響液化場地樁基礎性能最重要的幾個參數。關鍵點先進的結構模型被用來模擬土壤和滲透率的變化通過模擬離心試驗驗證樁土模型的結論參數研究是為了確定樁基地震反應的靈敏度。關鍵詞液化樁基礎完全耦合的三維動態分析樁的動態行為1.紹介在地震荷載作用下樁基礎的狀態是廣泛影響結構性能的一個重要因素。設計程序用來評估地震荷載下樁的行為，然而應用這些程序很多情況所涉及的液化場地的因素是不確定的，因為上層建筑與周圍的土壤上施加不同的樁動態負載，所以樁在液化土層的性能比非液化土層的情況要復雜得多，隨著時間的推移而且由于周圍土壤的剛度和剪切強度逐漸減小，又由于土壤的非線性行為，也會引起孔隙水

3、壓力的產生。液化是造成地震損壞建筑設施最大的原因之一，這種在大地震中被損壞的樁基被大量報道出來，如1964年阿拉斯加，1989年洛馬-prieta，1995年兵庫県南部。液化土層中樁基的地震響應預測是困難的,而且有很多不確定性，涉及樁基礎上部結構相互作用的機制。然而，在近幾十年來各種各樣的離心機振動臺試驗和各種數值計算方法已被廣泛采用，以便更好的觀察液化地基中樁基礎的動態行為，這些研究可以分為三類:野外觀察、實驗測試和數值模擬。1.1實地觀察這些研究主要是調查樁破壞的表現形式和計算樁的側向位移的分布。1964年在niigata地震中許多樁基礎就未能阻止周圍土體的液化。根據hamada研究，在一

4、幢四層高的建筑物附近的地面移動約1.1 m，且直徑為35厘米長6-9米的混凝土樁最大側向位移為約70厘米。大量的橫向位移造成對樁基礎的液化和非液化層的界面造成嚴重損壞。mori等人在1993年北海道南西沖地震中進行挖掘調查，在豎井內部檢查的結果顯示樁遭受了嚴重破壞，他們得出結論認為損傷通常發生在三個不同的位置：即在樁頭（用于固定樁頭部分），在樁帽下面1-3米的深度和在液化層和非液化層的接觸面。這種觀察結果已經被其他人證實了，如立川、社本、和大西等人。1.2實驗室試驗wilson等人做的這些研究包括一些動態的離心機試驗和振動臺試驗樁及土壤和上層建筑對樁承平臺結構的地震反應的研究,在位于液化的土壤

5、中進行了一系列的單樁和群樁離心機測試,以觀察p-y樁嵌入液化砂的問題。此外,yao等人的離心機試驗結果表明:p-y曲線是高度依賴于隨時間而引起土壤的液化,在樁側阻力減少了而孔隙水壓力增加,即使在大的相對位移下也只有很少的樁側阻力影響。用于大型振動臺試驗的樁在土壤瞬時液化狀態之前，樁的設計非常重要，因為動態土壓力結論表明峰值響應就是在這種狀態下產生的。其他研究者如阿卜頓和dobry、suzuki、dungca、bhattacharya、田村和時松和han等人，還利用振動臺試驗研究了液化地基中樁基礎的動態行為。1.3數值模擬數值模擬工具的有效性，對于分析液化問題變得更加重要。但用于實驗的物理模型在

6、模擬方面突出潛在的缺點，由于二維和三維數值模擬是計算復雜和費時的，大多數研究人員和設計師更愿意使用基于有限元或有限差分方法和一維溫克勒方法對樁基進行抗震分析。香川、姚根上、藤井等人以及liyanapathriana和普樂施開發的這些方法，使得在對周圍土壤的液化分析處理過程中得以考慮。 miwa、liyanapathirana and poulos、chang等表明一維的方法大約是能夠預測液化地基中樁基礎的最大側向位移和最大彎矩的，然而很明顯溫克勒模型不能準確地模擬原型模型，因為彈簧和阻尼系數隨著時間改變的它是難以估計到精確值的，finn and fujita、klar、oka、uzuoka 、

7、 cheng and jeremic 、comodromos等人，用三維有限元方法來模擬樁在液化土層中的狀態，這些模型具有不同的預測精度和確定性。在某些論文中完全耦合的方法（u-p或u-p-u方法）已經被采用，而在其他非耦合方式中已經習慣了分開計算土骨架位移和孔隙水壓力的產生。根據本研究在該領域三維模型能夠模擬大部分現象，觀察比一維模型更加準確。 總的來說，考慮到先前的研究在嵌入可液化場地樁基的性能可以得出結論：這些研究中有明顯缺乏了解的機制。此外，應當指出在先前的研究中土壤滲透性液化過程的變化并沒有被考慮在建模當中。然而，它通常表明土壤滲透性的改變是液化的過程。因此，在本研究中它的目的是把滲

8、透率變化考慮在模擬土壤和樁結構中。本文提出的方法采用了完全耦合的三維動態分析與精心校準的本構模型和數值驗證方法，以模擬樁嵌入液化土中更準確的動態行為。2.數值計算公式在這項研究中,由zienkiewicz和shiomi提出了u-p完全耦合的計算公式，可用于土骨架建模和孔隙流體。u-p公式觀察土骨架的運動（u）和孔隙水壓力的變化（p），此公式也適用于動力問題，其中高頻振蕩并不適用，比如在地震荷載作用下的土層。使用有限元法對空間離散化，u-p公式如下：.其中m為質量矩陣，u為固體位移向量，b是應變 - 位移矩陣，為有效應力張量，q表示離散梯度算子的耦合運動和流動方程，p為孔隙水壓力向量，s是壓縮性

9、矩陣，h是滲透性基質。向量f（s）和f（p）包括體積力，外部載荷和流體通量的影響。 上述方程的數值積分使用newmark算法,執行和實施這些程序使用opensees框架,這是一個面向對象的有限元分析程序。模擬地震工程（opensees）開放式系統是一種用于結構和巖土工程系統地震反應的仿真軟件，全面持續發展的軟件。在這項研究中，一些來自ucd計算力學的工具元素和材料模型可這采用個軟件。所采用的元素和材料模型在下面的章節中討論。3.砂土本構模型材料模型是液化土動態行為的數值模擬中最重要的部分之一。用全面的本構模型，具有不循環和循環荷載排水或不排水飽和砂土的行為模型的模擬能力，促進了在涉及液化問題的

10、精確建模。因此，本研究通過dafalias和manzari開發的一個臨界狀態的兩表面塑性使用模型。這種模型的最顯著的特點是它可以利用對同一土壤和一組廣泛孔隙比和初始應力狀態材料參數的能力。但應該注意的是，初始應力狀態，孔隙比和材料進化裝載的所有階段（見參考文獻關于材料模型的詳細信息） 。這種模式擁有15個參數其功能分為6大類。這些參數由內華達州沙shahir 校準和地球科技公司使用在velacs項目的過程中進行測試。經過校準的參數列于下表。功能參數參數指標值彈性g0150.00.05臨界狀態m1.14c0.78c0.027e00.830.45屈服面m0.02塑膠模h09.7ch1.02nb2.

11、56膨脹性a00.81nd1.05纖維 - 剪脹zmax5.0cz800.04.在液化土壤滲透率的變化許多研究表明,由于土骨架的結構變化引起液化現象滲透系數會顯著增加。發生液化時土壤顆粒失去接觸和聯系,而這種變化創造了額外的水通路。在一些調查據報道中這類新而且較大的流動通路的產生降低了孔隙形狀因子和曲折參數，液化過程中增大滲透性并因此導致滲透系數顯著增加。arulanandan和sybico基于測量電阻的變化與飽和砂沉積在液化離心機中測試,得出的結論是：“動態滲透率的飽和砂土在液化時比它的初始值增加了6 - 7倍。”jafarzadeh and yanagisawa由飽和砂柱的振動臺模型試驗所

12、排出的水的體積測量表明，在激發時平均滲透系數是56倍于其靜態值。 manzari和arulanandan利用可變滲透性在他們的數值模擬中，在他們的研究中，超孔隙水壓力和沉降預測是令人滿意的但橫向位移并沒有模擬得相當好。balakrishnan使用10倍增加滲透系數的數值模型，用調整后的結果與離心模擬試驗測量土壤液化時比較。同時根據taiebat等人和shahir pak使用常量值的滲透系數在數值分析結果相比,土壤沉降測量值要小得多。shahir和pak得出結論：在觀測數值模型的滲透率變化，捕獲孔隙壓力和沉降在可液化土體中的反應是必要的。因此，在這項研究中，滲透系數的變化，已使用由shahir和 pak建議的方法，其中提出了滲透系數和超孔隙水壓力比（ru）有直接的關系被考慮在液化層的數值模擬中。這種關系如下： (1)(在pwp建立階段) (=1)（