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液化场地微型桩基地震响应数值仿真研究 摘要 微型桩( m i c r o p i l e ) 是一种具有承载力较高、施工便捷、布置形式灵活等特 点的新型桩型，广泛地用于筑物改造和加固及纠偏、防洪堤坝和塔基及边坡等 加固工程中，但其应用历史短，地震作用下的微型桩工作性状和桩土相互作用 机制尚未有统一的认识，特别是建于液化场地中的微型桩抗震性能问题。因此， 探讨液化场地中微型桩基的地震响应特征和桩土相互作用机制，对分析地震作 用下微型桩的变形性状和破坏机理，以及探索适于液化场地的微型桩抗震设计 理论，具有深远的学科意义和广阔的工程实践应用价值。 论文基于多重剪切机构塑性模型的f l i p g e n c n 有限元分析软件，构建了三 个不同倾斜度桩基数值仿真模型，探讨液化场地微型桩在自重条件和地震作用 下的工作性状，并对比分析了不同边界条件下土体加速度、桩身加速度、桩头 水平位移、桩身弯矩和土体孔隙水压力的变化规律，探索了不同边界条件和不 同输入波下，桩土相互作用机制。研究得出： 1 ) 自重条件下，微型桩的最大弯矩分别出现在距桩头和桩底约1 5 桩长处。 2 ) 地震作用下，微型桩桩身弯矩最大值出现在距桩头约1 3 桩长处。不同 倾角的微型桩模型在正弦波和地震波作用下的变化规律不同。桩头水平位移随 着微型桩的倾斜度增大而减小。 3 ) 土体加速度自地下向地表衰减，桩身加速度自桩端沿着桩身衰减，最后 在桩头放大。 4 ) 桩外可液化土层中超孔隙水压力增长幅度较桩间土的大，桩头和桩端 的桩土位移差较桩中部大，土体破坏主要发生在桩顶和桩底附近。 5 ) 侧向粘性边界条件同侧向铰接边界条件相比，具有加速度变化幅度和桩 头水平位移较大，但桩土位移差和桩身弯矩较小等特点。 研究结果和有关结论为微型桩基础的抗震设计提供理论依据和参考。 关键词：微型桩桩土相互作用液化超孔隙水压力有效应力 n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fs e i s m i cr e s p o n s e so f m i c r o p i l ef o u n d a t i o n si nl i q u e f i a b l es o i l s a b s t r a c t t h em i c r o p i l e ，w h i c hi so fh i g h e rb e a r i n gc a p a c i t y , c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n a n de a s i l ya r r a n g e m e n t ，i san e wt y p ep i l e r e c e n t l y , i tw a sw i d e l yu s e dt or e i n f o r c e o rr e m o d e lo rr e c t i f yt h es t r u c t u r e ，a n dt h ed a ma n dt h ef o u n d a t i o no ft o w e ra r o u n d t h ew o r l d b u tt h ea p p l i c a t i o nh i s t o r yo fm i c r o p i l ei ss h o r t ，a n dt h ep i l e - s o i l i n t e r a c t i o ni sm u c hc o m p l i c a t e d t h e r ei sn oa ni d e n t i c a li s s u ef o rs e i s m i cd e s i g no f m i c r o p i l e s ，e s p e c i a l l y t h es e i s m i c d e s i g no fm i e r o p i l ei nl i q u e f i a b l e s o i l s c o n s e q u e n t l y , t h e r e s e a r c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s o f s e i s m i c r e s p o n s e so fm i c r o p i l ef o u n d a t i o n si nl i q u e f i a b l es o i l si sg r e a ti m p o r t a n t b a s e do nt h ee f f e c t i v es t r e s sa n a l y s i sp r o g r a mf l i p g e n c n ，t h r e en u m e r i c a l s i m u l a t i o nm o d e l si nw h i c ht h ei n c l i n a t i o nd e g r e eo f m i c r o p i l ea r e0 。，1 5 。，2 5 。， r e s p e c t i v e l y , w e r ec o n s t r u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c e so fm i c r o p i l ei n l i q u e f i a b l e s o i l s s u b j e c t e d t os e i s m i cl o a d i n ga n ds e l f - w e i g h tl o a d i n g t h e p r i n c i p l e so fa c c e l e r a t i o n so fg r o u n da n dp i l e ，t h el a t e r a ld i s p l a c e m e n t s ，t h e b e n d i n gm o m e n t so f t h ep i l ea n dt h ee x p r e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei nt h eg r o u n dw i t h d i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r cd i s c u s s e d m o r e o v e r , t h ep i l e s o i li n t e r a c t i o n m e c h a n i s mi sf u r t h e ri n v e s t i g a t e d s o m ei n t e r e s t i n gr e s u l t sa r er e a c h e da ss h o w ni n t h ef o l l o w i n g ： 1 ) u n d e rs e l f - w e i g h tc o n d i t i o n ，t h em a x i m u mb e n d i n gm o m t so fm i c r o p i l e a p p e a rt w op e a kv a l u e sa tp o s to f1 5p i l el e n g t hf r o mp i l et o pa n df r o mp i l eb o t t o m ， r e s p e c t i v e l y 2 ) t h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n to ft h em i c r o p i l eo c c u r sa t1 3p i l el e n g t h f r o ms u r f a c e f o ri n p u ts i n ew a v ea n de a r t h q u a k ew a v e ，t h es e i s m i cr e s p o n s e so f m i c r o p i l eo fs a m ei n c l i n a t i o na n g l ea r ed i f f e r e n td u r i n ge a r t h q u a k e s t h eb i g g e rt h e i n c l i n a t i o nd e g r e eo fm i c r o p i l e ，t h es m a l l e rt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n ta tt h ep i l eh e a d i s 3 ) t h ea c c e l e r a t i o na m p l i t u d ei nt h eg r o u n dd e c r e a s e sw i t hd e c r e a s eo fb u r i e d d e p t h h o w e v e r , t h ea c c e l e r a t i o na m p l i t u d eo fp i l ef i r s t l yd e c r e a s e s ，t h e ni n c r e a s e w i t ht h ed e c r e a s eo ft h eb u r i e dd e p t h 4 1t h eg r o w t hv a l u eo ft h ee x p r e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei sb i g g e ri nt h ep i l e g r o u p s t h a no u t s i d et h e p i l e sd u r i n ge a r t h q u a k e s t h ep i l e s o i l r e l a t i v e 2 插图清单 图1 1 研究思路图6 图2 1 渗流微分单元体9 图2 2 多重剪切机构模型1 2 图2 3f l i p 分析流程图 图3 1 模型a 示意图 图3 2 模型b 示意图 图3 3 模型c 示意图 图3 4 模型a 网格划分、控制节点和单元位置图 图3 5 模型b 网格划分、控制节点和单元位置图 图3 6 模型c 网格划分、控制节点和单元位置图 1 3 1 4 1 5 15 1 7 1 8 1 8 图3 7e l - c e n t r o 波时程图1 9 图3 8 正弦波时程图。2 0 图禾l 模型a 白重解析位移图( 单位：m ) 2 1 图4 2 模型b 自重解析位移图( 单位：m ) 2 2 图4 - 3 模型c 自重解析位移图( 单位：m ) 2 2 图4 - 4 土体节点n 1 、n 6 加速度时程图2 3 图4 - 5 土体加速度放大系数。2 4 图4 - 6 桩加速度放大系数。2 5 图4 7 桩身最大水平位移2 6 图4 - 8 桩土相对位移差：2 7 图4 _ 9 桩身最大弯矩包络图 图4 - 1 0 桩顶最大位移时刻对应桩身弯矩 图4 _ 1 l 超孔隙水压力时程曲线 图4 一1 2 孔压比时程曲线 2 8 2 8 2 9 3 ( 图4 1 3 加速度放大系数3 1 图4 1 4 桩身最大水平位移。3 2 图4 - 1 5 桩土相对位移差。3 3 图4 1 6 桩身弯矩。3 3 图4 - 1 7e 4 单元超孔隙水压力时程曲线3 4 图4 1 8e 4 单元孔压比3 4 图4 1 9 土体加速度时程图3 5 图4 2 0 桩身加速度时程图。3 6 图4 - 2 1 土体加速度放大系数。3 6 图4 2 2 桩身加速度放大系数。3 7 图4 - 2 3 桩身最大水平位移。3 8 图4 2 4 桩身弯矩图。3 8 图 2 5e 2 、e 4 单元超孔隙水压力时程3 9 图4 2 6e 2 、e 4 单元孔压比4 0 图4 _ 2 7 加速度放大系数4 1 图4 - 2 8 残余变形图( 单位：m ) 一4 2 图4 - 2 9 位移矢量图( 单位：m ) 4 3 2 表格清单 表3 1 土层物理参数 表3 2 桩模型物理参数 表3 3 土节点序号、编号及纵坐标 表3 - 4 桩节点序号、编号及纵坐标。 表3 5 孔隙水单元序号、编号及纵坐标。 表3 - 6 桩一土相互作用单元序号、编号及纵坐标 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒匿王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位做作者签名：韩宝彳 签字日期：2 9 p 7 年嗍日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒罂王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁 王些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：? 夕气以 签字日期：加石碑，硐局 电话： 邮编： 山叩 堡 日 争，车月 ： 忙 鹳 矿 睹 扫 文 期 沦 日 位 字 学 签 1 1 概述 第一章绪论 微型桩( m i e r o p i l e ) - - 般指桩径在7 0 3 0 0 r a m ，长细比较大( 一般大于3 0 ) ，采 用钻孔、强配筋和压力注浆工艺施工的小直径桩【l 】，又称树根桩( r o o t p i l e ) 。它具 有的主要优点有：施工机具小，适用于狭窄的施工作业区；对土层适应性强；施 工振动、噪音小，在环境公害受到严格控制的市区作业尤其适用；桩位布置形式 灵活，可以布置成斜桩：采用二次注浆，与同体积灌注桩相比，承载力较高；可 承受交替荷载，技术安全可靠；具有较高的单桩极限承载力；具有很大的表面摩 阻力等，故微型桩常被广泛应用于旧房改造、房屋加固、古建筑加固纠偏、防洪 堤坝加固、建( 构) 筑物加固防震、铁塔等抵抗交替荷载的基础、边坡加固、水池 底板的抗浮等工程中 微型桩由意大利的l i z z i 在上个世纪5 0 年代提出，由f o n d e d i l e 公司首先开发 利用【2 】最初被用于加固在二战中受到破坏的历史性建筑物和纪念碑。第一个工 程应用实例是对那不勒斯a a n g i i u l l i 学校建筑的加固，当时l i z z i 采用的微型桩桩 径1 0 0 m m ，桩长1 3 m ，钻孔注浆成桩，注浆体为粗砂、水泥和水。微型桩在火山 灰和砂土中进行的第一次试桩试验和随后在多种土质中进行的现场试验里表现 出了优异的承载能力。随着微型桩技术得到接受，它在欧洲乃至世界范围内的应 用也得以迅速发展。例如，1 9 6 2 年f o n d e d i l e 公司把微型桩技术介绍到英国，将其 用于历史性建筑物的加固。1 9 6 5 年德国采用了类似的技术用于地下交通建设。同 一对期，微型桩还被应用于米兰地铁的部分建设1 9 8 3 年德国还为微型桩制订了 独立的技术规范( d i n 4 1 2 8 ) 。1 9 9 3 年法国土木工程应用研究和试验所( i r e x ) 在国 家土木工程学院的f r a n c o i ss c h l o s s e r 教授和岩土力学教育研究中心的r o g e r f r a m e 博士的技术指导下，开展了一项由国家公共劳动联盟( f n t p ) 支持的名为 “f o r e v e r ”的五年国家计划研究。这项针对微型桩的研究包括理论研究、数值 模拟、室内试验( 离心机试验) 、现场试验等，主要目的是促进微型桩在建( 构) 筑 物深基础、边坡稳定、堤岸加固、现有构筑物的加固、挡土墙以及浅基础中的应 用。从1 9 9 3 年开始，b r u c e 等人在美国联邦高速公路管理委员会( f f i w a ) 的资助下 在西北大学国家岩土试验基地( n g e s ) 用不同的注浆压力施工了1 1 根桩长1 3 到1 6 英尺不等的微型单桩，对其中的7 根单桩进行了抗压荷载试验，3 根单桩进行了抗 拔载荷试验，研究了单桩的承载能力，与传统的计算理论进行了比较，并进一步 提出了微型桩设计的群桩效应问题。h o 等人对不同倾角和不同排数的微型桩加 强砂性土质边坡稳定性的问题进行了模型试验，认为当小桩垂直于滑移剪切面时 能提供边坡最大的稳定性。t h o m p s o n 等人对压力注桨下的三根不同桩长的微型 桩单桩进行了现场抗压和抗拔载荷试验，对微型桩承载力特性进行了研究。 国内同济大学于1 9 8 0 年进行了1 5 0 m m x l 5 0 m m x 4 0 0 0 m m 的微型桩成桩试验 研究【3 1 ；1 9 8 1 年，为对苏州虎丘塔纠倾，进行了微型桩的室内外试验研究【4 】；1 9 8 3 年在上海新卫机器厂与上海勘察院在现场做了一系列微型桩的载荷试验，对竖 桩、斜桩、单桩、群桩、长桩和短桩的性能进行了试验研究；1 9 8 5 年正式使用微 型桩于上海东湖宾馆加层工程中【5 ”。随后上海市隧道设计院对延安东路越江隧 道的盾构穿越黄浦江后到达浦西，向市中心推进时，沿线的外滩原天文台、纺织 品仓库和针织品仓库等建筑先后采用了树根桩托换加固，取得了有益的实践经验 和良好的经济效益。中华人民共和国行业标准建筑地基处理技术规范 ( j g j 7 9 9 1 1 【7 】在第十一章“托换法”中列入了树根桩的内容，上海市标准地基 处理技术规范( d b j 0 8 4 0 9 4 ) t 引，将树根桩列为第十章，对树根桩的设计、施工 和质量检验都作了具体的规定，在我国的上海、北京、云南、湖南、广东和西安 黄土地区都有很多工程实例和论文发表。 随着微型桩技术在国内的迅速发展，这项技术已经不局限于传统的基础加固 和边坡治理，还被应用到软土地基杆塔基础中目前，输电线路中杆塔基础的主 要型式是扩展式基础。扩展式基础设计计算方法简单，但是基础的方量和开挖工 程量大、占地面积大，施工机具笨重，搬运困难。同时由于高压送电线路跨越区 域长，会遇到各种各样的地质条件，需要根据不同的地质和施工条件采用不同的 基础形式。对于跨越地段大部分为软土地基、地基承载力较低、地下水位较高的 地区，若按常规杆塔基础进行设计和施工，势必会造成工程造价的提高，且不能 充分刊用原状地基特性。而且杆塔基础在使用过程中会受到由风荷载、导线张力 所引起的上拔荷载和水平荷载等各种荷载形式的作用。于是需要开发其它能满足 复杂地质条件和承受复杂荷载形式的新型基础。靳彩等人通过在送电线路中的现 场原型试验证明采用微型桩斜桩基础能够很好的适合杆塔基础的受力特点，特别 是在抵抗上拔水平力联合作用时具有明显的优越性，但是采用的桩基础同样存 在施工不方便等缺点。陈仁朋等人在软土地基中进行的大量微型桩单桩和群桩现 场原型试验表明将微型桩基础应用于软土地基杆塔基础中，能在充分满足秆塔基 础沉降和稳定性的前提下，达到杆塔基础施工安全、方便、工期短、占地而积小、 造价合理的目的。由于微型桩在国内应用的历史比较短，对它的施工工艺、变形 特性和承载能力等方而还没有充分的认识，也没有一个成熟的计算理论，在设计 中大多采用的是普通大直径桩的设计方法；以及地震作用下，处于饱和砂土中的 微型桩的承载力性状及砂土液化稳定问题等。因此，有必要对微型桩进行进一步 的试验研究，以分析微型桩的荷载传递规律和变形性状，为微型桩的设计提供参 考。 1 2 国内外微型桩研究现状 1 2 1 单桩承载力与变形试验研究 为了获得微型桩的设计参数，一般在每个工程中都要开展现场试验。试验研 究的结果表明，微型桩的承载力以抗压为主，承受压力的能力比承受拉力的能力 要高出约1 倍【9 】。原因是由于配筋微型桩，在受拉方向上，彳艮小的变形就会使混凝 土开裂而失去承载能力，由钢筋来承受拉应力；受压时，混凝土不会立即破坏，可 以和钢筋共同承受压应力。在某岩溶地区采用微型桩进行了加固建筑物的工程 试验【l o 】。试验在微型桩钻孔内放入外径1 7 8 m m 、壁厚1 2 2 m m 、长度3 1 m 的套管， 在下部放入4 6 m 长的钢筋，钢筋与套管有1 5 m 的重合，再注入混凝土，现场试验结 果显示出微型桩有较大的承载力，说明用它来加固建筑物能明显提高其承载力。 r i c h a r dj f i n n o 儿】等用高压注浆法制作的微型桩，试验分析其抗压、抗拉性 能以及合理的计算方法。研究把微型桩分为两种桩型。即端头扩大的微型桩 ( m e t ) 和压浆注入土体的微型桩( w c g ) 。试验分析结果认为用桩侧摩阻力和 桩端阻力来计算的桩的承载力公式【1 2 】比较符合试验结果： q = q + q 。= i a d l f , + a p 助， ( 1 ) 式中，g 和g 分别为微型桩的桩侧和桩端阻力p ，工，4 ，分别为桩径、桩长和桩 身横截面面积；五为桩侧单位摩阻力，根据旁压仪极限压力p ，和土的类型来确定；后 为经验系数，对于砂砾土取为1 2 ；根据有效摩擦角计算承载力公式【1 2 】的方法， q = n l t a n 妒7 q( 2 ) 式中，毋7 为土的有效内摩擦角；捍为影响因子。与钻孔方法、微型桩直径、土体 应力、土性参数以及注浆压力有关，在钻孔直径为1 0 0 m m 左右 时，n = 4 0 0 6 0 0 k n m ( 砂砾土) ，n = 1 3 0 1 6 5 k n m ( 中细砂) 。 对于微型桩的抗拔承载力，d a v i de w e a t h e r b y 等结合地基抗震要求进行了 一些试验【l3 1 ，试验地基由1 7 m 厚的高液限粉质粘- k ( c h ) 和8 2 m 厚的低液限粉质 粘土( c l ) ，以及下面的砂砾土组成。试验微型桩直径2 0 3 m m ，长1 9 8 m ，套管为 1 9 4 m m 1 2 1 7 m m ，长度为3 6 6 m ，套管内加入钢筋，在钢筋放入后1 2 1 8 h 进行二次 注浆，注浆压力为2 6 7 m p a 。微型桩在最大拉力1 7 7 9 k n 时的最大位移为2 1 m m ，残 余位移为1 0 7 m m ，拉力小于1 5 6 0 k n 以前，微型桩的蠕变位移呈现出线性增长的 性质。在桩体的同一位置，套管上的应变略小于钢筋上的应变。 杨永浩【1 4 在软土地基上做了微型桩试验。根据试验结果，并结合地基士性参 数分析认为，微型桩在软粘土中的承载力可以按桩侧摩阻力与桩端阻力之和来 计算， 月 p = 励二( k f 7 , h it a n # , + ，q ) + a r 】 ( 3 ) 式中，d 为桩的标准直径( 即钻孔直径； 。为f 层土体的厚度；k i 为f 层土体的侧压 力系数：毋沩f 层土的内摩擦角；c i 为i 层土的内聚力值；j ，沩i 层土的重度；a 为桩 的截面积；【用为桩底层土的容许承载力。 根据试验结果，对于摩擦型和端承型微型桩受到轴心压力时都没有发现压 弯失稳现象，因而认为可以不用考虑微型桩失稳问题。王建平在饱和黄土地基做 微型桩试验【”】1 1 6 】时，微型桩的桩径为1 5 0 m m ，纵向主筋为3 0 1 4 ，箍筋为0 6 2 5 0 。 从试验结果认为，桩顶沉降在0 0 3 d ( d 为桩径) 时对应的桩顶荷载作为微型桩的极 限荷载( 极限荷载在7 5 1 5 0 k n ，一般在1 4 0 k n ，试验结果取为1 4 0 k n ) ，而把桩顶沉 降在0 0 1 d 所对应的桩顶荷载作为微型桩的极限荷载是偏于保守的；从试验结果 看，微型桩的破坏是桩身的破坏，在破坏时桩端阻力仍然很小，因而认为微型桩是 摩擦型桩：微型桩的破坏主要发生在桩项。t a r e k f 和h a i d e r 等d t 对于嵌岩微型桩 结合工程做了试验，试验微型桩套管直径2 5 0 m m ，注浆管直径2 0 0 m m ，微型桩嵌入 基岩3 m ，基岩面到微型桩桩顶是7 6 m 厚的粉质砂土，试验表明，微型桩的极限抗 压、抗拉承载力分别为2 4 5 0 k n 和1 7 1 5 k n 。 微型桩用于加固边坡的应用研究，c l o - - u n i v e r s i t yo fm a s s a c h u s e t t s 等采 用模型试验的方法【”】，在试验土体内设置不同倾角的杆状结构物，以模拟微型桩 的加固作用，进行剪切试验与土体内不加入任何结构物的试验作对比分析。微型 桩的正向倾斜，逆向倾斜和竖直布置组合，可以很好地提高土体的表观内聚力， 而单独的正向倾斜或逆向倾斜布置模拟微型桩时土体的表观内聚力比竖直布置 时要t j x 1 9 。 1 2 2 群桩承载力与变形试验研究 对于群桩的承载力与变形试验研究所做的工作相对较少。a b e n s l i m a n e 和 i j u r a n 等对微型桩基础在群桩工作条件下的受力变形情况做了总结【2 们，指出微 型桩群桩承载时，其群桩效应与通常情况下的群桩基础是不同的；在平均每个单 桩都达到设计荷载的群桩荷载作用下，群桩的沉降比相应单桩的沉降要小，而且 微型桩网状布置比非网状布置沉降更小，表现出网状布置时承载力更大；文献【2 l j 引用v e s i c 在砂土中的试验结果，在微型桩桩间距为( 2 - 3 ) d ( d 为微型桩直径) 时，群 桩效率系数达到最大，其数值变化于1 3 2 0 ；压力注浆可以提高微型桩的群桩效 率系数。 文献【2 1 1 中，引用l i z z i 的室内试验结果指出，对于微型桩的桩间距为( 2 - 7 ) d 的 群桩，轴向承载力超过群桩中单桩承载力之和的3 0 ，非网状群桩的承载力超过 相应数量直桩承载力之和的6 8 ，网状群桩( 树根桩) 的承载力则超过相应直桩承 载力之和的2 2 2 ，这些结果与法国“f o r e v e r ”课题组的研究结果一致。 1 2 3 动荷载作用下微型桩的承载力性状 动荷载作用下微型桩单桩和群桩的特点。c l h o - u n i v e r s i t yo f m a s s a c h u s e t t s 应用离心模型试验来探讨微型桩的承载力性状f 2 2 1 。试验在疏松到 4 中密干燥砂土中对微型桩模拟地震荷载作用下的性状进行研究，试验结果得出 微型桩在周期荷载作用下主要表现出柔性性质，在模拟地震周期荷载作用下，微 型桩单桩和群桩的变形表现出自由表面运动的特点；微型桩系统的基频受微型 桩布置方式的影响，在最大输入加速度0 3 9 时，单桩的基频为5 1 8 h z ，网状群桩 在倾角为1 0 。时的基频为1 0 1 5 h z ，在倾角为3 0 。时的基频为1 1 9 h z ：试验数据 表现出微型桩“正的”群桩效应，在相同平均单桩振动荷载作用下，微型桩群桩 比单桩有较小的弯矩和位移，微型桩群桩表现出更好的承载性能：网状群桩( 树 根桩) 具有更强的抵抗地震荷载的能力，在同样的振动荷载作用下，网状群桩同 直桩群桩相比有更小的弯矩和承台位移。 1 3 主要研究内容和组织结构 1 3 1 主要研究内容及研究方法 本文基于有效应力分析方法来研究微型桩土体系在自重条件和地震作用过 程中的工作性状。 1 3 1 1 研究方法： 本文应用动力有效应力分析方法，建立了三个微型桩土相互作用有限元模 型，在地震及振动作用下液化土体中桩土的动力响应特征，分析不同微型桩土 体系之间的相互作用规律，并通过对比分析总结出微型桩的受力特点及地基土 的破坏机理。具体研究思路见图2 2 。 1 3 1 2 研究的主要内容 ( 1 ) 确定土体及桩体相互作用体系的本构模型 本文建立土体及桩体相互作用体系的本构模型基于t o w h a t a 提出的多重剪 切机构模型及边界面理论该模型能够模拟考虑各向异性固结周期特性的主应 力轴方向偏移的影响。边界面理论具有允许塑性变形在边界面内产生，应力 应变关系即使是在很大的超固结情况下也是平滑曲线等优点。用边界面弹塑性 模拟多重剪切机构塑性模型中虚拟单剪机构，能够较好的建立有效应力路径， 从而较好地模拟微型桩土体系在自重和地震作用下工作性状。 ( 2 ) 建立微型桩土相互作用的模型 利用基于多重剪切机构模型开发的岩土专业软件f l i p g e n c n ，构建三个微 型桩模型，即微型桩与竖直方向夹角分别成0 。、1 5 。和2 5 。的模型。在建立 有限元模型时，考虑了土的非均质和各向异性。在进行有限元单元格划分时， 考虑了非线性桩土作用，保持了单元格之间的具有非线性反复计算的连贯性。 在进行土体和桩的参数时，采用了文献参数。并考虑了不同边界条件，以对侧 向铰接、侧向粘性和底部固定边界条件的计算结果作对比分析。 ( 3 ) 地震响应数值仿真 首先分析了自重条件下微型桩土体系的变形，进而输入了实测地震波和理 论正弦波来研究地震作用下微型桩土体系的地震响应特征。输入地震波采用 e l c e n t r o 波；输入正弦波频率均为2 h z ，峰值大小分别为o 1 9 、0 2 9 和0 3 9 。 对比分析不同输入波不同深度处土体加速度、桩加速度、桩身水平位移、桩身 弯矩、桩土位移差以及地下水位以下土体孔隙水压力的变化规律等问题。 图1 1 研究思路图 1 3 2 论文组织结构 本文共分五章，第一章绪论，概述微型桩的研究背景和研究现状，阐述了 微型桩研究、设计和应用中存在的一些问题，简单介绍了主要研究工作和文章 组织结构。 第二章介绍非线性有效应力分析理论、饱和砂土液化机理及f l i p g e n c n 有 效应力分析程序。 第三章介绍微型桩土体系有限元模型的建立。介绍有限元模型输出节点和 输出单元及研究对象。简单介绍了研究所采用输入波情况。 第四章介绍有限元模型在自重条件和地震条件下的变化特征。研究输入地 6 震波和正弦波作用下，不同深度处土体加速度、桩身加速度、桩身水平位移、 桩身弯矩、桩土位移差、地下水位以下土体液化程度和孔隙水压力变化等。第 五章对本文的主要研究工作进行全面总结，并针对该课题提出了今后有待深入 研究的问题。 7 第二章非线性有效应力分析理论及程序f l i p g e n c n 简介 本章首先介绍非线性有效应力理论和饱和砂土的液化机理，接着介绍了土 体的本构模型，最后介绍了f 1 i p g e n c n 程序分析流程。 2 1 非线性有效应力理论 2 1 i 有效应力原理 有效应力原理是太沙基于1 9 2 5 年提出的，其主要内容可归纳为如下两点： ( 1 ) 饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两 部分，其间关系总满足： 盯=盯+“(2-1) 式中，盯为作用在土中任意面上的总应力( 白重应力与附加应力) ；仃7 为有效应 力，作用于同一平面的土骨架上，也称粒间应力；，为孔隙水压力，作用于同 平面的孔隙水上，性质与普通静水压力相同。 ( 2 ) 土的变形( 压缩) 与强度的变化都只取决于有效应力的变化。 由文献【2 3 。5 1 可知，在动荷载作用下，有效应力原理表示为同一点某时刻的 总应力盯等于该时刻其土骨架所承担的有效应力仃：。与孔隙水压力只，之和，即 a ( f ) 2 叫( f ) + 鼻f ) ( 2 - 2 ) 对于p m 在不排水情况下，应为只，= 只+ 只。在部分排水情况下，应为 昂) = p o + 丑1 ) 爰盎= 只+ 最卜) 残余+ 只( 。训+ b ( 卜叫) ( 2 - 3 ) 式中，p d 为初始孔隙水压力；p g 为振动孔隙水压力；pc f ) 为t 时刻的残余孔隙 水压力；p 似n 为f 一厶r 时刻的残余孔隙水压力：名p a p 为厶f 时间内的振动水压 力增量；a p t o - 。t o 为厶f 时间内扩散和消散的孔隙水压力增量。 如果p o = o ，则上式为： 艺笺：会2 筹+ z 化x g 竺 c 2 4 ， 只) = 鼻，) & 女+ c l j - a 。，。，j 一 因此，这里有效应力原理应理解为： ：爱：；：+ + z x 只p , ：会孟： c z s ， 巳m = l ，j + 鼻，) 黼h ) 脚+ 异“- 蚋，j 2 1 2 达西定律 由文献e 2 3 2 5 ，假定在土体的振动过程中渗流符合达西定律，则有 ( 2 6 ) 在动荷载作用下，由于孔隙水压力是不断变化的，因而达西定律中的水头势应理 解为上一时步末的单元内残余真实孔隙水压力凡4 一，加上本时段厶呐由振动引起的 孔隙水压力增量足。卜。，这个水头势才是本时步开始时的总水头势，由它引起厶t 时段内孔隙水压力在不同单元间的扩散和消散，因此在动荷载作用过程中的每时刻f ， 上述的达西定律可以写为： = 专甄等世 一丢坠等型 ( 2 - 7 ) 式中，t ，b 分别为五y 方向渗流系数；以为水的重度；以，毋分别为五y 方向的渗流速 度。 2 1 3 连续性条件 根据饱和土体的连续性，单位时间单元土体的压缩量应等于流过单元体表面的流 量变化之和【2 6 1 。渗流微分单元体如1 至t 2 - 1 所示。 y 0 图2 1 渗流微分单元体 萌向总排水量为： ( g ，+ 誓凼) 咖l g ，方1 _ 誓出方 防向总排水量为： ( 以+ 警咖) 出x l - q , x 出l = 暑如方 因此，该微分单元体总的排水量为： 9 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 坠反益砂 t一以一以 一 一 盟撕+ 堕姗 c 卵 设微分单元体的体积变化速率为警，矗为体积应变，根据连续条件： 盟+ 盟：笙 o x 砂 o t ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 又 矗= - ( 孚+ 安) = t + (212)ox 卵 因此，连续性方程可表示为： 誓+ 誓= 昙c t 圳 协 2 1 4 阻尼公式 通常是根据实测资料，由振动过程整体的能量消耗来决定阻尼的近似值。为 了计算方便，通常由刚度矩阵和质量矩阵的线性组合来计算，即所谓的瑞利阻 尼： 【c r = 叫m 】+ 所置r ( 2 1 4 ) 【m 】为单元质量矩阵，【k 】为单元刚度矩阵。 其中，口= 兄峨卢= 2 ( 2 - 1 5 ) 式中，为系统的基频， 为阻尼比。 2 i 5 振动固结控制微分方程组 将公式( 2 - 2 ) 代入公式( 2 - 3 ) 中，然后代入公式( 2 - 9 ) 中，所得式子再 代入公式( 2 - 1 ) 中，最后与公式( 2 - 2 ) 、公式( 2 - 1 0 ) 、公式( 2 - 1 1 ) 而得到 的连续性方程联立，即可得到地基土单元土体在动荷载作用下考虑孔隙水压力 产生、扩散和消散的二维振动固结控制微分方程组： 巨等+ 丘等鹕圳意一警一e + x = p e 怕，) ( 2 - 1 6 ) ( 丘+ e ) 茜+ 互爹+ 置筹一警，+ y 刊挚+ 巳) c z 哪) t 争+ 争= 言c 罢+ 考， c z 一s ， l o 式中，t = z k ，t = 告。 2 2 饱和砂土液化机理 地震作用下饱和砂土会失去承载力，使砂粒处于悬浮状态而产生液化【”j 。地震时 剪切波由下卧土层向上传播，并在土体中引起交变应力，从而产生振动孔隙水压力。 这是饱和砂土液化的主要原因f 2 扪。在交变应力作用下，土粒的接触点处会产生新的应 力，当这种应力达到一定的数值时，就会破坏土粒问原来的联结和结构状态，使砂粒 之间彼此脱离接触，此时，原先由砂粒通过接触点传播的应力，就要传给孔隙中的水 来承担，从而引起孔隙水压力的增加。随着应力循环次数的增加，孔隙水压力因逐渐 积累而上升一方面，孔隙水在一定振动孔隙水压力作用下力图向上排出；另一方面， 土颗粒在自重作用下又力图向下沉落，致使在结构破坏的瞬间或一定时间内，土粒向 下沉落受到孔隙水向上排出的阻碍，使土粒处于局部或全部悬浮状态，抗剪强度局部 或全部地消失，土即出现不同程度的变形或完全液化由以上分析不难看出，在地震 作用下，饱和砂土发生液化必须同时具备两个基本条件：( 1 ) 振动强度足以使土体结构 破坏。这主要取决于地震运动的强度和持续时间、土体结构的强度、上覆土层压力大 小等：( 2 ) 土体结构破坏后，振动孔隙水压力随应力循环次数的增加而逐渐上升，其大 小最终足以使饱和砂土出现局部或全部消失抗剪能力。振动孔隙水压力上升与否及上 升幅度受诸多因素的影响，如：土体在振动过程中发生剪胀还是剪缩；土体排水条件 好坏等等。 另外，人们对评定砂土液化的可能性进行了大量研究，提出了一系列的评 定方法，如l 搐界孔隙比法、震动稳定密度法、临界标贯击数法等【2 ”，及近几年 汪明武等人提出的最优化法、可靠分析法、混合遗传算法等【2 舢3 5 】。这些方法为 我们判断砂土的液化提供了依据，也为本文液化场地微型桩基的研究提供了帮 助。 2 3f 1i p g e n c n 有效应力分析程序简介 f l i p g e n c n 为汪明武教授汉化研制的有效应力分析程序，核心程序是由i a i 等针对可液化场地开发的有效应力分析方法，可分析研究震动液化作用下地基 应力一应变特性，该软件在分析日本阪神淡路等大地震对岸壁和堤岸等建筑物 的破坏中取得良好的效果，计算结果与地震实测结果基本吻合3 乒”】。下面介绍 该程序采用的土体本构模型。 2 3 1 土体本构模型 程序土体模型采用由t o w h a t a 等提出的多重剪切机构塑性模型，其能够模 拟考虑各向异性固结周期特性的主应力轴方向偏移的影响。多重机构的概念是 由m a s t u o k a 4 0 , 4 11 和a u b r y 4 2 1 提出来的。k a b i l a m a n y 和i s h i h a r a 4 3 ，4 4 1 、p r o v e s t 4 5 1 、 p a s t e r 和c h e n 等【4 6 1 、i a i 等【4 7 。4 9 1 采用多机构概念分别建立了多种新颖地描述循 环加载条件下土动力本构特性的塑性模型，将土体复杂的机理分解为体积机理 和一系列简单的剪切机理，建立了种考虑主应力轴方向偏移的影响和液化时 剪切大变形的多重剪切机构模型【4 ，模型如图2 2 。 当外力施加在模型的中心，则模型周围发生弹性变形和中心点发生移动。 假设此外力代表剪切力，中心点的位移代表剪切平面上剪切应变，则土的剪切 变形就可以得到。基于这样的假设，在水平方向和竖直方向上的应力不相同 ( t 一以，2 ) 和在水平面上的剪切应力气，被称为应力分量。同理，不同的应变， 他一e h ) 2 ，和剪切应变，心，2 被用作应交分量。每一个弹簧模量都服从双曲线 模型，即 弘桶 q 1 ” 。1 + i 置_ ，i e 和分别代表了在p 方向上的外力和变形，屯是原始刚度，乃是强度。 m a s i n g s 准则介绍了在循环荷载下的处理方法。 图2 - 2 多重剪切机构模型 f 引起的位移 目 ( 0 一口i v z h 一最) ，2 f 一矗) ，2 l 锄 - j r p ，一“) ，2 1 【，t 2j t o w h a t a 5 0 】依据有关理论，推导出了破坏面上偏应力方程式， 盟2 = 隔2 2 瑙 v 。lj 7 利用m o h r c o u l o m b 准则，得出了破坏面上偏应力和摩擦角的关系， _