荷载作用下可液化地基中桩基础的动态行为毕业论文外文翻译.doc

石家庄铁道大学毕业设计附 录荷载作用下可液化地基中桩基础的动态行为摘 要在本文中，用一个完全耦合的三维动态分析研究了桩基础在液化场地的动态行为。临界状态边界面塑性模型用来模拟土骨架，而一个完全耦合的（U-P）的方法来分析土壤位移和孔隙水压力。另外，在本研究中考虑到液化过程渗透系数的变化和渗透系数与孔隙水压力比值有关，桩基础离心试验的结果是要证明该模型在动态负载下，桩的能力和对桩基础在此状态下可靠性进行分析，然后，验证模型被用于参数研究。参数的研究是通过改变桩长、输入运动的频率、桩头的固定性、液化土层的相对密度和厚度进行的。三种不同的液化土层的土壤剖面被应用在本研究。在一般情况下，参数的研究表明：桩头固定性，液化的土层厚度和输入运动的频率这是大大影响液化场地桩基础性能最重要的几个参数。关键点先进的结构模型被用来模拟土壤和渗透率的变化通过模拟离心试验验证桩土模型的结论参数研究是为了确定桩基地震反应的灵敏度。关键词液化桩基础完全耦合的三维动态分析桩的动态行为1.绍介在地震荷载作用下桩基础的状态是广泛影响结构性能的一个重要因素。设计程序用来评估地震荷载下桩的行为，然而应用这些程序很多情况所涉及的液化场地的因素是不确定的，因为上层建筑与周围的土壤上施加不同的桩动态负载，所以桩在液化土层的性能比非液化土层的情况要复杂得多，随着时间的推移而且由于周围土壤的刚度和剪切强度逐渐减小，又由于土壤的非线性行为，也会引起孔隙水压力的产生。液化是造成地震损坏建筑设施最大的原因之一，这种在大地震中被损坏的桩基被大量报道出来，如1964年阿拉斯加，1989年洛马-Prieta，1995年兵库県南部。液化土层中桩基的地震响应预测是困难的,而且有很多不确定性，涉及桩基础上部结构相互作用的机制。然而，在近几十年来各种各样的离心机振动台试验和各种数值计算方法已被广泛采用，以便更好的观察液化地基中桩基础的动态行为，这些研究可以分为三类:野外观察、实验测试和数值模拟。1.1实地观察这些研究主要是调查桩破坏的表现形式和计算桩的侧向位移的分布。1964年在Niigata地震中许多桩基础就未能阻止周围土体的液化。根据Hamada研究，在一幢四层高的建筑物附近的地面移动约1.1 m，且直径为35厘米长6-9米的混凝土桩最大侧向位移为约70厘米。大量的横向位移造成对桩基础的液化和非液化层的界面造成严重损坏。Mori等人在1993年北海道南西冲地震中进行挖掘调查，在竖井内部检查的结果显示桩遭受了严重破坏，他们得出结论认为损伤通常发生在三个不同的位置：即在桩头（用于固定桩头部分），在桩帽下面1-3米的深度和在液化层和非液化层的接触面。这种观察结果已经被其他人证实了，如立川、社本、和大西等人。1.2实验室试验Wilson等人做的这些研究包括一些动态的离心机试验和振动台试验桩及土壤和上层建筑对桩承平台结构的地震反应的研究,在位于液化的土壤中进行了一系列的单桩和群桩离心机测试,以观察p-y桩嵌入液化砂的问题。此外,yao等人的离心机试验结果表明:p-y曲线是高度依赖于随时间而引起土壤的液化,在桩侧阻力减少了而孔隙水压力增加,即使在大的相对位移下也只有很少的桩侧阻力影响。用于大型振动台试验的桩在土壤瞬时液化状态之前，桩的设计非常重要，因为动态土压力结论表明峰值响应就是在这种状态下产生的。其他研究者如阿卜顿和Dobry、Suzuki、Dungca、Bhattacharya、田村和时松和Han等人，还利用振动台试验研究了液化地基中桩基础的动态行为。1.3数值模拟数值模拟工具的有效性，对于分析液化问题变得更加重要。但用于实验的物理模型在模拟方面突出潜在的缺点，由于二维和三维数值模拟是计算复杂和费时的，大多数研究人员和设计师更愿意使用基于有限元或有限差分方法和一维温克勒方法对桩基进行抗震分析。香川、姚根上、藤井等人以及Liyanapathriana和普乐施开发的这些方法，使得在对周围土壤的液化分析处理过程中得以考虑。 Miwa、Liyanapathirana and Poulos、Chang等表明一维的方法大约是能够预测液化地基中桩基础的最大侧向位移和最大弯矩的，然而很明显温克勒模型不能准确地模拟原型模型，因为弹簧和阻尼系数随着时间改变的它是难以估计到精确值的，Finn and Fujita、Klar、Oka、Uzuoka 、 Cheng and Jeremic 、Comodromos等人，用三维有限元方法来模拟桩在液化土层中的状态，这些模型具有不同的预测精度和确定性。在某些论文中完全耦合的方法（U-P或U-P-U方法）已经被采用，而在其他非耦合方式中已经习惯了分开计算土骨架位移和孔隙水压力的产生。根据本研究在该领域三维模型能够模拟大部分现象，观察比一维模型更加准确。 总的来说，考虑到先前的研究在嵌入可液化场地桩基的性能可以得出结论：这些研究中有明显缺乏了解的机制。此外，应当指出在先前的研究中土壤渗透性液化过程的变化并没有被考虑在建模当中。然而，它通常表明土壤渗透性的改变是液化的过程。因此，在本研究中它的目的是把渗透率变化考虑在模拟土壤和桩结构中。本文提出的方法采用了完全耦合的三维动态分析与精心校准的本构模型和数值验证方法，以模拟桩嵌入液化土中更准确的动态行为。2.数值计算公式在这项研究中,由Zienkiewicz和Shiomi提出了U-P完全耦合的计算公式，可用于土骨架建模和孔隙流体。U-P公式观察土骨架的运动（U）和孔隙水压力的变化（P），此公式也适用于动力问题，其中高频振荡并不适用，比如在地震荷载作用下的土层。使用有限元法对空间离散化，u-P公式如下：其中M为质量矩阵，U为固体位移向量，B是应变 - 位移矩阵，为有效应力张量，Q表示离散梯度算子的耦合运动和流动方程，P为孔隙水压力向量，S是压缩性矩阵，H是渗透性基质。向量F（S）和f（P）包括体积力，外部载荷和流体通量的影响。 上述方程的数值积分使用Newmark算法,执行和实施这些程序使用OpenSees框架,这是一个面向对象的有限元分析程序。模拟地震工程（OpenSees）开放式系统是一种用于结构和岩土工程系统地震反应的仿真软件，全面持续发展的软件。在这项研究中，一些来自UCD计算力学的工具元素和材料模型可这采用个软件。所采用的元素和材料模型在下面的章节中讨论。3.砂土本构模型材料模型是液化土动态行为的数值模拟中最重要的部分之一。用全面的本构模型，具有不循环和循环荷载排水或不排水饱和砂土的行为模型的模拟能力，促进了在涉及液化问题的精确建模。因此，本研究通过Dafalias和Manzari开发的一个临界状态的两表面塑性使用模型。这种模型的最显着的特点是它可以利用对同一土壤和一组广泛孔隙比和初始应力状态材料参数的能力。但应该注意的是，初始应力状态，孔隙比和材料进化装载的所有阶段（见参考文献关于材料模型的详细信息） 。这种模式拥有15个参数其功能分为6大类。这些参数由内华达州沙Shahir 校准和地球科技公司使用在VELACS项目的过程中进行测试。经过校准的参数列于下表。功能参数参数指标值弹性G0150.00.05临界状态M1.14c0.78c0.027e00.830.45屈服面m0.02塑胶模h09.7ch1.02nb2.56膨胀性A00.81nd1.05纤维 - 剪胀zmax5.0cz800.04.在液化土壤渗透率的变化许多研究表明,由于土骨架的结构变化引起液化现象渗透系数会显著增加。发生液化时土壤颗粒失去接触和联系,而这种变化创造了额外的水通路。在一些调查据报道中这类新而且较大的流动通路的产生降低了孔隙形状因子和曲折参数，液化过程中增大渗透性并因此导致渗透系数显著增加。Arulanandan和Sybico基于测量电阻的变化与饱和砂沉积在液化离心机中测试,得出的结论是：“动态渗透率的饱和砂土在液化时比它的初始值增加了6 - 7倍。”Jafarzadeh and Yanagisawa由饱和砂柱的振动台模型试验所排出的水的体积测量表明，在激发时平均渗透系数是56倍于其静态值。 Manzari和Arulanandan利用可变渗透性在他们的数值模拟中，在他们的研究中，超孔隙水压力和沉降预测是令人满意的但横向位移并没有模拟得相当好。Balakrishnan使用10倍增加渗透系数的数值模型，用调整后的结果与离心模拟试验测量土壤液化时比较。同时根据Taiebat等人和Shahir Pak使用常量值的渗透系数在数值分析结果相比,土壤沉降测量值要小得多。Shahir和Pak得出结论：在观测数值模型的渗透率变化，捕获孔隙压力和沉降在可液化土体中的反应是必要的。因此，在这项研究中，渗透系数的变化，已使用由Shahir和 Pak建议的方法，其中提出了渗透系数和超孔隙水压力比（RU）有直接的关系被考虑在液化层的数值模拟中。这种关系如下： (1)(在PWP建立阶段) (=1)（