本發(fā)明涉及一種考慮土體液化的樁基抗震分析方法，屬于巖土工程與樁基技術領域。

背景技術：

樁基礎因具有承載力大、穩(wěn)定性好、沉降值小等特點，在高層建筑、公路橋梁、港口碼頭等被廣泛應用，然而歷次震害調查表明，位于可液化地基土中的樁基往往在地震荷載下破壞嚴重，從而導致上部結構的倒塌和破壞。因此，可液化場地樁基的抗震性能成為巖土地震工程研究的熱點。

模型試驗作為評價可液化場地樁基抗震性能的重要手段，因成本高、耗時長等原因不能被廣泛應用。有限元、有限差分等數值方法已成為可液化場地樁基抗震分析的重要方法，但是因數值建模的復雜性，這些方法在實際工程應用中有很大的局限性。關于水平力作用下的樁身應力計算，我國多用m法，m法通過調整m值大小來考慮剛度的影響，但m法不能反映土層界面處的樁身受力情況，其原因為：在液化場地，地震對樁的作用相當于樁頂水平慣性力作用和土層運動作用之和，而m法只考慮了樁頂的水平慣性力而忽略地震時土層運動的影響。P-y曲線法雖然考慮了地基的非線性，但沒有考慮液化土體流動效應的影響，而且有時不能準確描述樁-土相互作用響應，如孔壓的發(fā)展以及土層的運動效應。液化土體有很強的率相關性和孔壓相關性，已有的方法沒有考慮到液化土體流動效應、孔壓發(fā)展對樁基反應的影響。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種可以高效進行液化場地樁基結構抗震性能評價，有效用于液化場地樁-土相互作用問題分析的考慮土體液化的樁基抗震分析方法。

本發(fā)明為了解決上述技術問題采用以下技術方案：本發(fā)明設計了一種考慮土體液化的樁基抗震分析方法，針對穿過可液化地基土的樁基，進行抗震穩(wěn)定性分析，包括如下步驟：

步驟001.針對可液化地基土，采用等效線性代替動力非線性特性，進行一維自由可液化場地地震反應分析，獲得可液化地基土液化時的剪應變時程γ，并對時間求一階導數，獲得可液化地基土液化時的剪應變率

步驟002.測定可液化地基土的有效圍壓σ_c，以及液化時的振動孔壓u，并根據可液化地基土的有效圍壓σ_c和密實度，確定可液化地基土的液化難易程度參數α_u；同時，獲得可液化地基土進入完全液化階段的表現黏度η₀₁；

步驟003.根據如下所示的孔壓觸變性流體本構模型：

獲得可液化地基土液化時作用于樁身的黏滯剪應力τ；

步驟004.根據可液化地基土液化時作用于樁身的黏滯剪應力τ，獲得可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的側向荷載ΔP，同時，獲得樁身的水平地震慣性力E；

步驟005.根據可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的側向荷載ΔP，與樁身的水平地震慣性力E的和，獲得可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的總側向荷載P；

步驟006.根據可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的總側向荷載P，獲得樁身彎矩和側向位移，實現樁基抗震穩(wěn)定性分析。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案：所述步驟002中，制備與可液化地基土具有相同密實度的可液化土體樣本，并針對該可液化土體樣本進行室內不排水循環(huán)三軸試驗,獲得該可液化土體樣本初始液化后的剪應力τ₀和剪應變率計算該液化土體樣本進入完全液化階段的表現黏度即獲得可液化地基土進入完全液化階段的表現黏度η₀₁。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案：所述步驟004中，根據可液化地基土液化時作用于樁身的黏滯剪應力τ，通過如下模型：

獲得可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的側向荷載ΔP，其中，d表示樁的直徑，L表示與液化地基土接觸的樁身長度，θ表示樁側某點和樁身截面圓心的連線與過樁截面圓心任一直線所構成的夾角。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案：所述步驟004中，通過如下模型：

E＝α_hξG_Eα/g

獲得樁身的水平地震慣性力E；其中，α_h表示地震荷載水平向加速度，ξ表示地震作用的效應折減系數，G_E表示樁基的重力，α表示地震慣性力動態(tài)分布系數，g表示重力加速度。

本發(fā)明所述一種考慮土體液化的樁基抗震分析方法采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發(fā)明所設計的考慮土體液化的樁基抗震分析方法，將液化地基土視為流體進行液化效應分析，建立了描述可液化地基土孔壓觸變性的流體力學本構模型，可液化地基土液化時作用于樁身結構的黏滯剪切力，主要由樁周土體的剪應變率和表征土體流體特性的表觀黏度決定，數學化的公式更加直觀；現有方法雖然考慮了樁頂的水平慣性力以及地基的非線性，但卻忽略了土層的運動效應，本發(fā)明所設計的考慮土體液化的樁基抗震分析方法，不僅考慮了孔壓發(fā)展對土層剛度的衰減作用，能夠很好地考慮土層剛度以及液化土體流動效應和孔壓發(fā)展的影響，這是傳統(tǒng)方法不具備的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明設計考慮土體液化的樁基抗震分析方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明中可液化地基土液化時作用于樁身的側向荷載計算簡圖；

圖3是本發(fā)明中樁-土相互作用簡化分析模型。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

對于可液化地基土中的樁基，在樁-土相對位移相同的情況下，作用于樁身上的側向荷載未必相同，其原因在于持續(xù)的地震動荷載作用下土體孔壓的積累?，F有的可液化場地樁-土相互作用簡化分析方法雖然考慮了孔壓發(fā)展對土體剛度的衰減作用，但并未考慮到液化地基土流動效應以及表觀黏度的影響。本發(fā)明建立可液化地基土孔壓觸變性流體本構模型，將液化地基土視為流體進行液化效應分析，以具有一定黏滯性的流體與樁相對運動產生的黏滯剪切力代替樁側土壓力，并通過擬靜力計算方法分析樁-土相互作用。

如圖1所示，本發(fā)明設計了一種考慮土體液化的樁基抗震分析方法，針對穿過可液化地基土的樁基，進行抗震穩(wěn)定性分析，在實際應用過程當中，具體包括如下步驟：

步驟001.針對可液化地基土，采用等效線性代替動力非線性特性，通過PROSHAKE軟件進行一維自由可液化場地地震反應分析，獲得可液化地基土液化時的剪應變時程γ，并對時間求一階導數，獲得可液化地基土液化時的剪應變率

步驟002.測定可液化地基土的有效圍壓σ_c以及液化時的振動孔壓u，并根據可液化地基土的有效圍壓σ_c和密實度，確定可液化地基土的液化難易程度參數α_u；同時，獲得可液化地基土進入完全液化階段的表現黏度η₀₁。

其中，對于可液化地基土進入完全液化階段的表現黏度η₀₁，具體采用如下方法獲得：制備與可液化地基土具有相同密實度的可液化土體樣本，并針對該可液化土體樣本進行室內不排水循環(huán)三軸試驗,獲得該可液化土體樣本初始液化后的剪應力τ₀和剪應變率計算該液化土體樣本進入完全液化階段的表現黏度即獲得可液化地基土進入完全液化階段的表現黏度η₀₁。

步驟003.根據如下所示的孔壓觸變性流體本構模型：

獲得可液化地基土液化時作用于樁身的黏滯剪應力τ。

如圖2所示，樁身與液化地基土的相互作用過程中，黏滯剪應力作用于樁基四周，且受土層流動效應的影響，但背土面樁受到的黏滯剪應力比迎土面方向要小，為便于分析和簡化計算，做如下假定：1)液化地基土為理想線性流體；2)液化地基土的運動為不可壓縮的無旋運動；3)液化地基土流動時產生的黏滯剪應力沿樁周切向均勻分布，則基于如圖2所示針對樁基的荷載作用方式，執(zhí)行如下步驟004。

步驟004.根據可液化地基土液化時作用于樁身的黏滯剪應力τ，通過如下模型：

獲得可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的側向荷載ΔP，其中，d表示樁的直徑，L表示與液化地基土相接觸的樁身長度，θ表示樁側某點和樁身截面圓心的連線與過樁截面圓心任一直線所構成的夾角。

為了探究樁的動力反應，把樁視為歐拉-伯努利梁，其假定：1)變形前垂直梁中心線的平剖面變形后仍然為平面；2)變形后橫截面的平面仍與變形后的軸線相垂直?；谏鲜黾俣ǎM行樁-土相互作用分析，簡化分析模型如圖3所示，對樁基進行地震作用分析，得到沿樁身高度的水平地震慣性力。

即同時，通過如下模型：

E＝α_hξG_Eα/g

獲得樁身的水平地震慣性力E；其中，α_h表示地震荷載水平向加速度，ξ表示地震作用的效應折減系數，G_E表示樁基的重力，α表示地震慣性力動態(tài)分布系數，g表示重力加速度。

步驟005.根據可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的側向荷載ΔP，與樁身的水平地震慣性力E的和，獲得可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的總側向荷載P。

步驟006.根據可液化地基土液化時作用其所接觸樁身段的總側向荷載P，獲得樁身彎矩和側向位移，實現樁基抗震穩(wěn)定性分析。

上述技術方案所設計的考慮土體液化的樁基抗震分析方法，將液化地基土視為流體進行液化效應分析，建立了描述可液化地基土孔壓觸變性的流體力學本構模型，可液化地基土液化時作用于樁身結構的黏滯剪切力，主要由樁周土體的剪應變率和表征土體流體特性的表觀黏度決定，數學化的公式更加直觀；現有方法雖然考慮了樁頂的水平慣性力以及地基的非線性，但卻忽略了土層的運動效應，本發(fā)明所設計的考慮土體液化的樁基抗震分析方法，不僅考慮了孔壓發(fā)展對土層剛度的衰減作用，能夠很好地考慮土層剛度以及液化土體流動效應和孔壓發(fā)展的影響，這是傳統(tǒng)方法不具備的。

上面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。