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建筑抗震中单桩摩阻力动力效应分析

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郭春彭振斌

摘要：研究了地震发生时单桩摩阻力动力.为揭示摩擦桩与土体在考虑基本地震荷载作用下的耦合响应规律，采用拉格朗日数值分析方法建立桩与土体计算模型，通过施加地震荷载，分析桩周摩阻力、桩体轴力以及土体的变形在不同地震历时下的情况，得到：1）桩周负摩阻力从桩顶向下呈先增大后减小的态势，在桩长0.35倍范围内出现负摩阻力；2）由于地震荷载的作用，桩侧摩阻力和轴力均不断变化，当地震时间为3s时，桩侧摩阻力和轴力达到最大值；3）随着地震的持续进行，桩体和土体之间的相对位移的变化导致中性点位置发生往复变化；4）由于地震荷载的作用，土体的位移明显增大.在地震历时0～10s范围内，地表沉降迅速增大；在地震历时10～15s时，地震沉降增加的速度明显减慢；当地震历时持续到15～20s时，地表沉降逐渐减小.

关键词：桩；土；负摩阻力；动力效应

：TU457：A

在土木工程建设中桩基础被广泛使用＼[1-3＼]，当桩打入土体中时，其将与土体产生相互作用，而由于土和桩之间相互作用的复杂性，因此，许多学者针对桩土之间的作用模型进行了研究＼[4-5＼]，如Masouleh和Fakharian＼[6＼]建立了桩土在动力作用下波传播数值模型；袁灯平等＼[7＼]对比了常用的负摩阻力的计算方法；沈苾文＼[8＼]利用荷载传递微分计算方法建立了桩土相互作用模型；徐兵和曹国福＼[9＼]通过监测计算发现负摩阻力一般出现在0.2～0.4倍桩长范围内.这些研究主要采用理论或试验的方法，但对于理论模型，需进行桩土相互作用条件的假设，而不同的研究人员根据各自认识的不同，将会建立不同的假设，因此得到的结果往往只能反映桩土相互作用的某一方面内容.若采用现场试验方法，则可得到当时条件下的桩土相互影响情况，如变形和应力，却无法进行桩土相互作用的多因素研究，从而使现场试验结果的应用受到一定局限.因此，需探寻新的途径对该问题进行研究.近年来，由于数值模拟技术的快速发展，数值分析方法被广泛应用于岩土工程＼[10-13＼].该方法借助经典弹塑性力学理论，将实际岩土工程问题划分为大量的微元体弹塑性求解问题，无需对桩侧摩阻力或者桩土相互作用条件进行假设，能够模拟桩土相互作用过程中的力学和变形特征.在桩打入土体后，若土体的沉降小于桩体的沉降，则土体对桩产生竖直向上的支撑力，即正摩阻力；若土体的沉降大于桩体的沉降，则土体将对桩体产生竖直向下的拉拽力，即负摩阻力.正摩阻力与负摩阻力的分界点称为中性点＼[14-16＼]，以往一般研究静力荷载下桩周的摩阻力分布情况，而动荷载作用下桩周摩阻力将产生往复变化，土体的变形也随时间而变化，但这方面的研究目前还较少，因此，本文以某工程实例欠固结土中桩受力情况为工程背景，拟采用数值分析方法，探讨在地震荷载作用下，不同历时情况的桩周摩阻力、桩体轴力和土体变形情况.

1模型建立

1.1桩土相互作用的数值模型

采用拉格朗日元数值计算方法建立桩土相互作用模型，如图1所示.模型长、宽、高分别为80m，80m，80m，模型共64000个单元，68921个节点.分为桩未打入的情况和桩打入后的情况.模型上部为20m厚的欠固结土，下部为60m厚的固结土，由于欠固结土的存在将对桩产生负摩阻力.在计算过程中，将桩分为等长的微段，对这些微段进行弹塑性分析，最后通过积分得到桩整体的应力应变响应.在计算桩土接触面的应力和变形时，首先计算各个节点的速度，然后通过差分方法计算对应的应力.具体计算公式如下：

1.2计算参数与边界条件

采用MohrCoulomb准则描述岩土体的本构情况，在模型中施加自重应力场，桩顶设置500t的轴向荷载.由于选取的计算状态是地震来临瞬间模型的反应，因此计算参数仍然选取静参数.数值计算采用如下土体参数：欠固结土容重19.0kN/m3，变形模量13.5MPa，泊松比0.42，黏结力25kPa，内摩擦角15.5°；固结土容重19.3kN/m3，变形模量30MPa，泊松比0.39，黏结力30kPa，内摩擦角19.0°.单桩的设计参数为：桩体混凝土为C25，桩直径1.2m，桩长45.0m，弹性模量为25.0GPa，泊松比为0.2，桩土界面内摩擦角为14°，黏结力为22.5kPa.将模型的边界条件设置为两个部分，静力边界条件和动力边界条件；在开始动力计算时去除底面静力约束，施加动力黏滞边界，以吸收地震波，同时在侧面也施加动力吸收边界.

根据地微振测试结果，加速度时程曲线如图2（a）所示，场地土卓越周期T为0.238～0.313s，因此，模型场地土卓越周期采用0.3s，属二类工程场地，地基阻尼比取0.05，欠固结土取0.1.在x和y方向设置相同的地震波峰值加速度，而