（岩土工程专业论文）锦屏水电站专用公路安宁河大桥桩土相互作用分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 捅要 本文针对地震荷载作用下桥梁基桩的桩一土相互作用问题，以锦 屏一、二级水电站对外交通专用公路安宁河大桥为例，建立了安宁 河大桥2 并墩桩基础的三维有限元模型。从基岩输入加速度时程作 用，在此基础上对桩及其周边岩土进行动力时程作用分析，探讨了 发生强震时的桩一土相互作用、地震时地面运动及上部结构对桩一土 相互作用体系的影响，建立了桩一墩一梁的平面模型，进行了结构力 学分析，将其计算出的结果与有限元数值计算结果进行了对比分析， 并对工程区地基土的震动液化进行了分析，得出一些具有参考价值 的结果。本文得出的主要认识以下： ( 1 ) 进行单桩的静力计算，分析了桩长三、桩径d 、弹性模量e 、 土的内摩擦角和粘聚力c 对沉降的影响。桩顶沉降随它们的值增加 而减小，但是到一定限度以后，他们的的继续增加对单桩的沉降影 响不大。 ( 2 ) 安宁河大桥2 # 墩桩基础在承受挂一3 0 0 的验算荷载时，桩顶 工后沉降为8 1 2 4 c m ，桩内最大轴向应力为1 9 2 5 m p a 。 ( 3 ) 在地震荷载作用下，安宁河大桥2 # 墩的桩基础最大水平位 移和最大水平加速度均出现在桩顶处，而土层的最大水平位移和最 大水平加速度出现在砂卵砾石层的上表面，经过响应时程曲线分析 可知，由于地层结构的原因，地震波在土层中被放大。砂卵砾石层 中的桩一土接触面上会出现负侧摩阻力，基岩中的桩一土接触面上则 出现正侧摩阻力。 ( 4 ) 通过对桩一柱一梁的联合分析，得出了整个体系的受力分布 和位移分布情况，可以为设计提供一些参考。 关键词 有限元；地震；反馈作用；时程分析；桩土相互作用体 系 西南交通大学硕士学位论文第| i 页 a b s tr a c t t h i sp a p e ra i m sa tt h ep i l e s o i li n t e r a c t i o np r o b l e mo nw h i c ht h e p i l e o ft h e b r i d g e i nt h e h i g h i n t e n s i t y a r e a t h ee n g i n e e r i n g b a c k g r o u n di sa nn i n gh eb r i d g e ，w h i c hb e l o n gt ot h es p e c i a lo u t w a r d r o a do f j i n gp i n g 1s t 一2 n dc l a s sw a t e r p o w e r s t a t i o n 0 nt h i s b a c k g r o u n d ，t h e 3 - df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa nn i n gh eb r i d g e s n o 2 p i e ri se s t a b l i s h e d t h ea c c e l e r a t i o nt i m eh i s t o r yw a si n p u t t e d f r o mt h er o c k t h em o s t l yc o n t e n t sa r et h e d y n a m i c st i m eh i s t o r y a n a l y s i so nt h ep i i ef b u n d a t i o na n dt h es o i la r o u n dt h ep i l e ，a n dt h e r e s e a r c ht o p i l e s o i l i n t e r a c t i o nu n d e rt h ee a r t h q u a k eb r e a k i n g ，t h e r e s e a r c ht ot h eg r o u n dm o t i o na n du p p e rc o n s t r u c t i o n s e f f 音c tt ot h e p i l e s o i li n t e r a c t i o ns y s t e mw a si n c l u d e d i na d d i t i o n ，e s t a b l i s h e da p l a n a rp i l e - p i e r b e a mm o d e l ，p r o c e e dt h e m e c h a n i c sa n a l y z e s ；t h e r e s u l tw i l lb ec o n t r a s t e dt ot h er e s u l to fa n s y s m o f e o v e r ，t h i sp a p e r h a st h ec a l c u l a t i o na n a l y z eo nt h el i q u e f i e dt op r o c e e dt ot h ev i b r a “o n o ft h ef b u n d a t i o ns o i lo ne n g i n e e r i n ga f e a g e t t i n gs o m ea p p l i e dw o r t h r e s u l t t h i st e x ti sm a i n l yd r a wt h e s ec o n c l u s i o n s ： ( 1 )p r o c e e d e dt h ec a l c u l a t i o no nt h es e t t l e m e n to fs i n g l ep i l e ， a n da n a l y s e dt h ei n f l u e n c et h a tp i l e sl e n g t h ( l ) ，p i l e sd i a m e t e r ( d ) ， n e x i b i l i t ym o d u l u s ( e ) ，s o i li n n e r f r i c t i o na n g e r ( 毋) a n dm u c o s i t y f o r c e ) t ot h es e t t l e m e n t t h es e t t l e m e n tw i l l i n c r e a s ew h e nt h e y i n c f e a s i n g ，b u tw h e nt h e yr e a c ht oc e r t a i nv a l u et h ei n n u r e n c eb e c o m e u n c e r t a i n ( 2 ) t h e r ea p p e r e da nu n e v e ns e t l e m e n ti nt h ef b u n d a t i o no fa n n i n gh eb “d g e sn o 2p i e rw i t ht h el o a do ft r a i l e r - 3 0 0 ，b e c a u s eo ft h e d i f f e r e n c er i g i d i t y t h el a r g e s ts e t l e m e n ti s8 1 2 4c m ，a n dt h el a r g e s t p r e s si s 1 9 2 5 m p a ( 3 ) t h el a r g e s th o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t i o n i nt h e p i l e s o i l i n t e f a c t i o n s y s t e ma p p e a r s o nt h e t o po f 多i l ew h e n t h e e a r t h q u a k eb r e a k i n g p a s s i n gb yt h ea n a l y s i st o t h e i rt i m i n gh i s t o r y c u r v e0 fr e s p o n dt ot h ee a r t h q u a k e ，t h e r ei sa ne n i a r g i n gf u n c t i o nt o e a r t h q u a k ew a v e ，b e c a u s et h et r a n s m i s s i o nc o e f 氍c i e n ts m a l l e rt h a nl ， t 1 es t r a t u m sc o n s t r u c t i o ns a t i s f y i n gt h ec o n d i t i o nt h a tp r o d u c i n g e a r t h q u a k ew a v ee n l a r g i n g t h e r ew i na p p e a rm i n u sf r i c t i o n0 nt h e 西南交通大学硕士学位论文第l ii 页 p i l e s o i l c o n t a c tf a c i e si nt h e g r a v e l ， a n dt _ 巴r ew i l l a p p e a rp l u s f r i c t i o n0 nt h ep i l e - s o i lc o n t a c tf a c i e si nt h er o c k ( 4 )p a s s i n gt ot h ea n a l y s i so np i l e p i l l a r b e a ms y s t e m ，h o wt h e f b r c ed i s t r i b u t e si nt h ew h 0 1 es y s t e mi sc o m p r e h e n d e d i tc a np r o v i d e s t h es o m eu s e f u l l yr e f e r r e n c e sf o rt h ed e s i g n k e y w o r d s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；e a r t h q u a k e ；t i m eh i s t o r ya n a l y s i s ； p i l e - s o i li n t e r a c t i o ns y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题依据和研究意义 第1 章前言 桩基础是一种古老的基础形式，目前，土木工程领域中应用十分广泛。 随着我国经济的发展，交通运输在国民经济发展及社会生活中的作用也越来 越重要。而桥梁是交通运输系统的重要组成部分；地震则是一种破坏性很强 的地质灾害，如果桥梁在强震时遭到破坏，导致交通中断，不仅造成直接经 济损失，更严重的是影响震后的救灾工作，加剧地震灾害。 桥梁基桩在地震发生时的安全性是整个桥梁工程安全可靠的前提，而对 基桩及其周边土的相互作用进行动力响应分析能让我们对影响桥梁桩基在地 震时的安全性的因素做进一步了解，从而更好的去进行抗震设计，这也是保 证桥梁工程“小震不坏，大震不断”的前提。对于高烈度区的桥梁工程来说， 对地震时的桩一土相互作用的分析研究更是必不可少。 桩基础所受地震的动力来源于基岩的运动，通过桩周覆盖土层作用于桩 身，这种作用的结果表现为地震动荷载及其作用特性。一般认为，地震荷载 作用下，地基产生较大变形，因此需要考虑桩一土相互作用的非线性问题。 锦屏水电站对外交通专用公路为准二级公路，该公路始于漫水湾铁路转 运站，经安宁河、两河口、牦牛山、里庄、麻哈渡、磨房沟，接规划的雅砻 江大桥左岸桥头引道。设计路线桩号长6 2 3 4 0 l 【m 。路线为越岭线，沿线地形 及地质环境条件复杂。其中安宁河大桥跨越安宁河，覆盖层较厚，位于安宁 河断裂带。该断裂带在新生代以来，仍表现了强烈的新活动性，是一条具有 多期性和继承性活动特征的活跃断裂带，也是近代经常发生强震的断裂带。 该大桥桥址位于石棉一西昌强震带中南段，是地震基本烈度为8 9 度的地区， 属于我国少见的高烈度区，历史上有多次强震的记录。 结构的抗震已经有很长一段历史，但至今仍有不少问题尚未得到解决， 例如：只重视计算方法和计算模型而忽视了地震动的输入情况；而基础的抗 震研究自1 9 6 4 年日本新泻地震后彳。起步。本论文以安宁河大桥为依托，在前 人的研究基础上，通过对安宁河大桥桩基础与地基土在地震荷载下的动力相 互作用特性等进行分析，对高烈度区桥梁基桩的桩一土相互作用进行研究，以 期望得到对高烈度区类似桥梁具有参考作用的结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状概况 ， 目前，国内外对桩一土相互作用体系的动力响应分析主要有以下几类方 法：第一类，应用带有集中质量、弹簧及阻尼器的离散性模型，将桩及桩周 围参振土离散成质量集中的质点，各质点间由具有与桩材料性质相关的无质 量的弹性杆连接。桩一土相互作用则应用作用在集中质量上的弹簧和阻尼器来 模拟，这种离散性模型对桩周围土的性质随深度的变化及其非线性性质等也 可以通过规定弹簧的外力一变形特性而比较容易地引进模型中，但是考虑辐射 阻尼时将遇到如何确定土的等效参振质量及虚拟的阻尼器的困难。第二类， 基于二维弹性理论分析上的连续性模型。这种模型是将桩作为埋在弹性、各 向同性均质土层中的可挠屈杆来处理，其优点是能自动引入基础的惯性力效 应及阻尼；其缺点是不能直接计入桩侧土的性质随深度的变化，从而怎样考 虑等效地基土的性质是其困难。第三类是有限元法，这是一种随计算机的应 用而发展起来的新方法，在2 0 世纪5 0 年代起源于航空工程飞机结构的矩阵 分析l l j ，其基本步骤为：结构的离散化；选择位移插值函数；分析单元的力 学特性；集合所有单元的平衡方程建立整体结构的平衡方程；由平衡方程组 求解未知节点位移和计算单元应力。 有限元方法能够方便处理土的非均质及非线性问题，所以在处理基础问 题上具有较大优势并且应用十分广泛。 1 9 7 6 年唐山地震后，我国对桥梁抗震问题开始了更加深入全面的研究， 不久就制定了铁路及公路工程抗震设计规范。当前国际上具有代表性的桥梁 抗震设计规范有五个【2 】：欧洲规范( e c 8 ) 、美国a a s h t o 规范、美国加州 规范、新西兰规范和日本规范。前四个规范均采用极限状态法进行设计，而 日本规范仍采用容许应力法进行设计；其中欧洲规范吸收了最新的研究成果 而具有一定的超前性。 对于地震荷载作用下的桩一土相互作用体系动力响应分析，因连续性模型 能够直接引入惯性和辐射阻尼的优点而研究较多，这种模型的桩一土相互作用 时的地基土刚度系数主要有两种计算方法。其一，由j p e l l z i e n 等人利用 m i n d l i n 给出的在弹性半空间中任一点作用一法向集中力时，在此半空间体中 的任一点产生的位移公式而推导的静力刚度模拟法【4 6 】。m i n d l i n 公式给出了 一个单独集中水平力p 作用于各向同性均质弹性半空间面某一点( o ，o ，c ) 上 时，半空间内任一点的水平位移。这一公式可以用来描述整个弹性半空间上 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的静力特性，并可用来近似计算土的三维静力模量。其二，m n 0 v a k 等提出 的方法1 3 4 ) ：将地基土视为均质粘弹性半空间体，并假设粘滞性是与频率无关 的滞后型阻尼，建立线性粘弹性介质波动方程；当地基土受到激振时，根据 不同的情况取主要因素，诸如水平振动时忽略激振引起的垂直位移；垂直振 动忽略由其引起的水平位移，即将三维问题简化为二维问题；求解方程可得 地基土的刚度系数。第一种方法应用得较多，而第二种方法大多用于小应变 问题。 在应用有限元计算机软件进行桩一土相互作用的计算时，对桩一土相互作 用方式的模拟方面，一般也有两种模拟方法： 接触分析。接触问题是一种高度非线性行为，在有限元计算中存在 三个难点：一是求解问题之前，不知道接触区域、表面之间是接触的还是分 开的，还是突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其他因素而定；二是 大多数接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型可供选择，它们都是非线 性的，摩擦使问题的收敛性变得困难：另外一个难点就是如何解决接触刚度 问题以及穿透问题，接触刚度如果过大，就会导致穿透过大，往往造成计算 不收敛，接触刚度过小，有容易使结果偏离实际，这需要在计算过程中不断 进行试算，往往占用约5 0 的计算时间，甚至更多。在分析过程中涉及到两 个边界的接触问题，在a n s y s 有限元计算程序中，一般用t 鹕e 1 7 0 和 c a n t a l 7 3 或c o n l a l 7 4 来定义3 d 接触对模拟接触问题。 对桩土间的作用以弹簧模型来模拟。桩身采用六亟体8 节点单元 s o l i d 4 5 号实体单元；桩土间的作用力用弹簧单元来模拟，采用c 0 m b i n l 4 号单元；对于桩周表面的正、负摩擦力，采用表面效应单元s u r f l 5 4 来模拟。 第一种方法的缺点是计算比较复杂，其关键是接触刚度和穿透问题；优 点是考虑了土的非线性，所以计算结果比较精确，并且能够反应出土的变形、 受力等情况，所以应用比较广泛。 第二种方法的缺点是不能真实的反应土的受力及变形情况，这是因为没 有考虑土的非线性性，而是用线弹性的弹簧对土体进行模拟，得到的结果也 就理所当然的不尽人意；其优点是计算比较简单，如果考察对象主要是桩， 而对土的结果要求不高是可以采用此种方法。 目前，对于地震发生时的基础响应的动力分析也有几种方法： 静力理论 1 9 0 0 年，r 本大森房吉教授提出了静力理论【2 1 。静力理论不考虑建筑物 西南交通大学硕士研究生学位论文 第哩再 的动力特性，假设结构物为绝对刚性，地震时建筑物的运动与地面运动完全 一致，建筑物的最大加速度等于地面运动的最大加速度。建筑物所受的最大 地震荷载f 完全等于其质量与地面最大加速度的乘积，由于这种方法比较简 单，且这种方法设计的建筑物大多数经受了一般地震的考验，所以，它稍做 修改后至今仍被某些国家的抗震设计规范所采用。但是这种方法完全忽略了 结构本身动力特性的影响。因为只有当结构的基本固有周期比地面运动周期 小得多时，结构在地震时才有可能不产生变形而被视为刚体。所以静力理论 只适合于低矮的剐性较大的建筑。 反应谱理论 美国学者在2 0 世纪4 0 年代提出了计算地震力的反应谱理论【2 1 ，也称动 力法。它考虑了地震时地面的运动特性与结构自身的动力特性，是当前工程 设计应用最为广泛的抗震设计方法。反映谱理论是以单质点体系在实际地震 作用下的反应为基础来分析结构反应的方法。 。一4 1 y j ( t g t ) “” 玑4 5 删面 0 1 t s 3 t ( s ) 图卜1 水平地震影响系数 质量为珊的单质点体系在水平方向地面运动作用分量作用下质点绝对 加速度为口( n ，则质点所受的水平地震作用力为： 只r 产m 口( f )( 1 1 ) 式( 1 1 ) 表示在地震过程中，质点水平地震作用的大小与方向随时间t 变 化。抗震设计中通常只需要地震作用的最大值，其值可以表示为： f 兰所口一= ( 纾7 曲口一= 盯降7 ( 1 2 ) 其中，肛以g 为质点重量，g 为重力加速度，盯为水平地震影响系数。 我国学者根据国内外数百条地震记录的反应谱进行统计分析，建立了地 震响应系数a 与结构自振周期r 的关系曲线a ( 乃，如图1 1 所示【5 】。 一般认为竖向地震影响系数a ，( d 的曲线形状与水平地震响应系数大体 相同，可直接使用盯。( 乃曲线，数值上一般取。v - ( 1 2 1 3 ) 口。 直接动力分析理论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第颐 尽管反应谱理论分析方法在抗震计算中得到广泛应用，但在分析多质点 体系时，反应谱仅能给出各振型反应的最大值，而丢失了与最大值和振型组 合有关的重要信息，使得难以进行各振型最大值的组合。另外，在分析大跨 度柔性结构时，由于非线性因素的影晌，反映谱方法计算误差比较大。 随着电子计算机在工程中的广泛应用，将实际地震的加速度时程记录输 入结构计算模型，直接分析结构的地震反应已成为可能。该方法可直接获得 地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而计算各时刻竖向地 震作用和结构的地震内力，这种方法也称为时程分析法。 近几年国内外对横向荷载作用下的桩一土体系动力响应分析的研究不 少，但是专门针对高烈度区桥梁桩基础在地震荷载下的桩一土相互作用的系统 研究却不多，并且由于土的非线性，很多问题是见仁见智的，仍然存在许多 可供研究讨论的地方。如何使计算简单而且能得到尽量准确的结果是值得探 讨的问题a 本文以锦屏水电站安宁河大桥为例，针对地震荷载下的桩一土相互 作用的问题，从建模到参数的选取和三维有限元计算均进行了系统的分析研 究，并且通过理论计算，对有限元程序的计算结果进行比较。 1 3 论文的研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 针对强震作用下的桥梁基桩桩一土相互作用问题，本论文以锦屏水电站对 外交通专用公路漫水湾至罩庄段的安宁河大桥为工程实例，根据规范以及前 人的研究成果，选取具有代表性的2 # 墩的桩基础为研究对象，利用a n s y s 程 序建立桩一土相互作用的三维有限元模型，对桩及其周边地基土进行离散，并 输入适当的地震波，对安宁河大桥基桩的桩一土体系进行系统的静力、动力分 析，掌握地震发生时的桩及周边地基土的受力及变形性能，对其中的控制因 素进行深入讨论，对桩一土相互作用体系进行时程反应分析，以讨论发生强震 时的桩一土的相互作用情况。其主要内容包括： 静荷载作用下的桩一土体系性能研究 地震波的输入方式的分析 地震发生时桥梁桩基础的变形及受力性能的研究 地基土的液化特性研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 2 技术路线 本文以实际工程为背景，以有限元计算为主要手段，对安宁河大桥的桩 基础进行系统的地震响应分析，主要思路如下： ( 1 ) 通过前期对桥址区的钻孔勘测，获得场地土层的重要土力学参数及 基本性状特征，根据设计资料，获得桥梁以及桩基础的形式、大小、荷载等 数据； ( 2 ) 建立桩一土物理力学模型及有限元模型： ( 3 ) 对静荷载作用下的桩一土体系进行计算； ( 4 ) 选择合适地震波波形并分析地震波的输入方式； ( 5 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对桩一土体系的动力特性进行分析； ( 6 ) 对桩一土体系进行动力时程分析； ( 7 ) 对该地区的地基土进行液化判别； ( 8 ) 对计算结果进行综合分析。 预计取得成果是获得在地震荷载下的桩身和土体的变形和应力分布，并 得出它们的动力响应情况。从而获得地震荷载下的桩一土相互作用关系和各参 数对桩一土体系动力响应的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章工程概况及地质环境概况 2 1 工程概况 锦屏级水电站对外交通专用公路设计标准为准二级公路，但是由于其主 要功能是负责锦屏水电站坝区建设的物资运输工作，其中包括建设原材料以 及大型设备，这就要求相当高的承载能力。这条公路的建设对水电站的建设 工作起着极为重要的作用，也间接的影响着西部的经济建设进程。安宁河大 桥位于四川省西昌市漫水湾镇，全长1 7 8 米，为4 4 0 的预应力t 型梁桥， 右岸连接西昌卫星发射基地军方专用公路，左岸连接成昆铁路漫水湾火车站 ( 新建铁路公路转运站) ，是锦屏一、二级水电站对外交通的枢纽设计荷载 为汽车4 0 级，验算荷载为挂车3 0 0 级，属于特种荷载。安宁河大桥位于四 川省凉山州西昌市冕宁县漫水湾镇，其交通位置图如图2 一l 所示，桥梁纵断 面图如图2 2 所示。 图2 1 安宁河大桥工程所在地及交通位置图 在本文计算分析的过程中选取安宁河大桥2 # 墩的桩基础为计算对象，其 结构形式为单桩单柱式结构( 见图2 2 ) 所用混凝土等级为c 3 0 ，其详细尺寸 及桩的类型见表2 一l 。 及桩的类型见表2 一l 。 表2 一l2 # 墩尺寸及类型表 桩径( c m )桩长( c m )柱径( c m )柱长( c m )桩类型 1 8 03 0 0 01 6 01 0 0 0摩擦端承桩 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 总体来说，工程区的高烈度、深覆盖层是此工程的难点，另外，由于锦 屏水电站对外交通专用公路在水电站建设期间担负着大件运输的任务，所以 在承载力上的要求非常高，这也是本工程的另外一个特点。 纺，1 睦奉一1 一i f r r - l t ，f 悄一一一斗h 引 l l 二二= 一一j j i z jl 篁s 上3 遥l ： z ! q 一 图2 2 安宁河大桥2 群墩构造图 2 2 工程环境地质条件概况 安宁河大桥工程处于南北向的安宁河上。安宁河发源于冕宁县北部拖乌山 南麓，向南流经大桥镇、冕宁县城、泸沽镇、专用公路起点漫水湾、西昌市、 德昌及米易县，在桐子林与雅砻江汇合，流域呈树枝状，支流发育而短小，河 床坡降大。安宁河流域地处青藏高原东侧边缘地带，属于川西高原气候区， 主要受高空西风环流和西南季风影响，干、湿季分明。流域旱季日照多，湿 广_矧1r11il刮刽叫1l1l|引lijl刮刮吲10 e a 叫- 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 度小，日温差大雨季日照少、湿度较大、日温差小。 2 2 1 环境地质条件概况 安宁河流域呈典型高山宽谷小平原地貌景观。地貌上属侵蚀山地，间 夹冲洪积小平原，高程较高处可见残存的夷平面。 区域地层以锦屏山一小金河断裂为界，东侧属盐源地层分区，出露地层 有震旦系和志留系到三叠系。主要为一套滨一浅海相碎屑岩，碳酸盐岩及酸性 和基性火山岩建造。西侧属马尔康地层分区，出露的地层有前震旦系江浪群 ( 里伍群) ，下志留统，上石炭统，上二叠统和中一上三叠统。其岩性较复杂， 主要有石英岩、片岩、炭质硅质板岩、硅质岩、硅质条带结晶灰岩、大理岩、 绿片岩、变质玄武岩、杂砂岩、砾岩、黑色砂板岩等。白果湾组的炭质板岩 夹变质砂岩，泥盆系的灰质白云岩或白云质灰岩，震旦系的结晶白云岩。 在桥址区，表层为第四系冲积含砂土漂卵砾石和含漂砂卵砾石土夹砂， 局部地段存在含砾砂层透镜体和含粉砂层透镜体，覆盖层0 7 0 m ，下为强风 化石英闪长岩，强风化层厚度约2 0 m 。 2 2 2 区域现今构造活动与地震 大桥工程区位于石棉一西昌强震带的中西部及西缘，历史上有多次强震的 记录。其所在的安宁河断裂带是比较活跃的断裂带，也是近代经常发震的断 裂带。根据2 0 0 1 年出版的中国地震动参数区划图，沙坝以东及安宁河附 近地带的地震水平蜂值加速度为o 3 0 9 ，特征周期o 4 0 s 。 2 3 工程区地层特征 在勘测过程中，在大桥的0 # 桥台、1 # 、2 # 、3 # 桥墩处进行了钻孔勘测。 通过对钻孔资料的分析，可以将2 号墩的桩基础位置桩长范围内的地层加以 分层编号，为了在合理的范围内简化计算，将土层简化为水平成层分布。具 体分层及各项参数取值情况见表2 2 。 表2 22 # 墩桩基础地层分层 编号名称 深度范围c ( m p a ) 曲( 。) p ( g c m 3 )岛( m p a ) l 砂卵砾石o m 1 5 mo2 52 1 54 0 2 石英闪长岩 1 5 m 7 0 m1 53 82 6 21 5 0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 4 场地土类型划分 根据地震区划分析，该桥址区地震水平峰值加速度为0 3 0 9 ，特征周期 o 4 0 s ，根据等效剪切波速和覆盖层厚度可以判断场地类型为i 类场地，属于 9 度区。从图2 2 给出的安宁河大桥桥址区的地质纵断面图中可以看出，覆 盖层较厚，局部达到7 0 m ，并且存在饱和砂土层，必须对其地基土进行液化 判别。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 赌噬 刊姆 拯学 扣乜i 器 氍悼备 蒜旨鞋 竞器量 园田 啮 啦鞋 繇蒸 是定 螺螺 辐辐 州州 幡峨 哥日 较撼 囝圈 匝露 爨昧峰耍磊鞋一、l一 母嚣蝌隧每再宴习j删 。呷曲一 0 9 兮io 由曲h 弧举g球博蒜似一口晦嘲一噌。一 蝌略晕区蕊勰谰岱翠繁k 捌 函值鉴悉蟮捌蜷长度n舷n由匝 区 昶半密球悼陲。 川=挚嘏譬f峨蘸啦扣f；川刊习 o i o 吣曲一。离一 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章桩一土相互作用的静力分析 3 1 静载作用下的桩一土相互作用的有限元分析原理 有限元方法是一种将复杂的对象进行合理的离散，应用力学理论和计算 机技术解决复杂问题的数值分析方法，对于众多难以获得解析解问题的分析 具有明显的优点，在科学研究和工程计算中得到广泛的应用。随着有限元法 的逐渐成熟，目前已经出现了许多大型有限元软件a n s y s 就是其中一种， 该软件的优点在于，具有较高的可靠性、十分方便的前后处理以及高效齐全 的算法组合，并且可以模拟各种非线性材料性质，包括塑性、超弹性、粘塑 性、粘弹性等。本文利用a n s y s 提供的d n i c k e 卜p m g e r 材料模型来模拟土体 及岩石材料。 3 1 1 有限元法理论 一有限元理论 ( 1 ) 平衡方程 m 】 口) + ， = 0 ( 3 1 ) 其中：阻】是微分算子； 厂) 是体积向量， ，) = 五，矗，五) ，五，矗，五分别为单位体积的体积 力在x 、y 、z 方向的分量。 口 = 口x ，口y ，盯z ，r l y ，7y z ，r z x ) 7 ，口x ，口”口z ，r x y ，r y z ，f z x 为应力分 量。 ( 2 ) 几何方程 在微小位移和微小变形的情况下，略去位移导数的高阶项，反映应变一 位移关系的几何方程为： r ) = 【q ( “) 其中，( 】是微分算子，且陋】= 口】7 ( 3 ) 物理方程 对于各向同性线弹性材料，反映应力一应变关系的物理方程为 一) = 【d 】 s ) 其中 d 】为弹性矩阵。 二d m c k e r p r a g e r 弹塑性本构模型 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度 远大于受拉屈服强度，且材料受剪时，颗粒都会膨胀，常用的v c m - m i s e s 屈 服准则不适合这类材料。在土力学中，常用的屈服准则有m a h r - c o u l o m b 准则， 另一个能更准确的描述这类材料的强度准则为d m c k e r - p r a g e r 屈服准则，使 用d m c k e r - p r a g e r 屈服准则的材料简称为d p 材料。在岩石、土壤的有限元分 析中，采用d p 材料可得到较为精确的结果。相应的等效应力表达式为： 1 三 吒= 3 盯。+ 【圭 s ) 1 ，】 s 】2 ( 3 - 4 ) 其中：一平均应力或静水压力； f s 偏差应力； 材料常数； 【肘卜m i s e s 屈服准则中的【m 】。 材料常数口表达式如式3 5 ： 卢：下堡! 唑一 ( 3 5 ) 3 ( 3 一s i 扔 其中：毋为内摩擦角。 材料的屈服参数定义为： 民：兽! ! ! l( 3 6 ) q 2 顶商 u 曲j 其中：c 为粘聚力。 屈服准则的表达式如式3 7 ： 1 1 f = 3 盯，+ s 7 幻 s 】2 一盯， ( 3 7 ) d m c k e 卜p m g e r 屈服准则是对m a l l r c o u l o m b 准则予以近似，用以修正 v o n m i s e s 屈服准则，即在v o n m i s e s 表达式中包含一个附加项。其流动准则 既可以使用相关流动准则，也可以使用不相关流动准则，其屈服面并不随着 材料的逐渐屈服而改变，因此没有强化准则，然而其屈服强度随着侧限压力 ( 静水压力) 的增加而相应的增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。另外， 此种材料考虑了由于屈服引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响。 对d p 材料，当材料参数给定以后，其屈服面为一圆周面。此圆锥面是 六角形的m a 廿c o u l o m b 屈服面的外切锥面，如图3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图3 1d r i l c k e r - p r a 鼯r 屈服面和m o h r - c o u l o m b 屈服面 3 1 2 桩一土相互作用分析物理模型建立 静力分析时，将桩材料考虑为线弹性，土体材料分别考虑为线弹性和弹 塑性两种。考虑土体材料的非线性时，可采用d p 材料。土层简化为水平成 层分布。在混凝土材料和土体材料两种材料性质相差很远的介质的界面处， 当应力水平超过一定限制时，其位移的连续性就会受到破坏，就会发生相对 滑移或者分离，在一定载荷条件下，界面又会在张开后重新闭合。本文利用 a n s y s 的接触单元实现接触分析，采用接触单元c o n t a l 7 3 和目标单元 t 鹕e 1 7 0 定义的接触对，相互作用面对应的桩表面为目标面，对应的土体面 为接触面，以s 0 1 i d 6 5 单元对桩身进行有限元离散，并按照o 2 的配筋率进 行强化，采用s o l i d 4 5 块体单元对计算范围内的土体进行离散，以c o m b i n l 4 弹簧单元模拟边界。 3 1 3 桩一土接触面 相互作用问题一直是近几十年来比较受关注的土木工程问题之一。一般 可以把这类问题分为四类： ( 1 ) 土中各组成部分相互之间的相互作用问题； ( 2 ) 土体与其中的复合体的相互作用问题： ( 3 ) 土体与其中或者相邻的结构体的相互作用问题； ( 4 ) 地基与上部结构之间的相互作用问题。 而土与结构的共同作用中又可分为两种情况：第一种是土与结构之间只 有力的传递，没有相对位移，也就没有错动和拉开，可以看成是两种材料组 成的连续体，进行有限元计算时不存在任何问题，计算方法比较成熟。第二 种是土与结构之间发生相对位移，从整体上来说是不连续的，进行有限元计 算时。就要设置接触面单元来处理这种不连续性。对于桩一土的相互作用问题 显然属于后者，所以本文建立了有效的接触单元和目标单元，能较好的模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 接触面上的剪应力的传递和错动变形的发展。 桩一土界面是埋设在土中的桩周土接触的形态特征，桩一土界面的主要特 性取决于桩表面的粗糙程度。土与桩之间的相互作用，一直是岩土工程领域 中的一个重要研究内容。正如在桩基研究中，离开了对桩和桩周土之间的相 互作用的研究，就不可能深入了解桩侧摩阻力的发挥和作用机理。接触面单 元的引入对模拟土体与结构的相互作用取得了很好的效果，并得到了广泛的 应用。 、 ， 接触单元目标单元 法向 图3 2 目标面和接触面单元截面图 本文采用a n s y s 程序中的接触单元模拟桩土接触面上的非线性作用， 将桩表面取为目标面，土体与桩接触的面取为接触面，在目标面和接触面上 分别生成目标单元1 缸g e l 7 0 和接触单元c o n t a l 7 3 ，并将接触面与目标面上的 对应节点力分解为法向力( 压力) 以和切向力( 摩擦力) 只，其表达式分别 为： c = 。( “。j 一。，一) ( 3 8 ) 只= 七，( “，j 一“，一“o ) ( 3 - 9 ) 式中，吒为法向接触刚度， 。为节点i 的法向位移，“。j 为节点，的法向位 移，为初始间隙，t ，为切向接触刚度，“，为节点i 的切向位移，”。，为节 点，的切向位移，为初始滑移。图3 - 2 分别为目标面单元和接触面单元。 当接触面处于紧密接触状态时，1 只i j 只i ，这里为摩擦系数：当接触 面之间处于相对滑动状态时，k l = 防i ，当节点之间的距离超出了接触范围， 即接触面相互分离时，法向刚度t = o 。以此作为控制方程包含在有限元分析 形成的矩阵方程组中，可将该矩阵方程组中的方程表达为： k k 目“j = 疋 ( 1 墨量) ( 3 - 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 上式可采用n e 咖n r a p h s o n 法求解，用一系列线性近似值逐渐收敛于实 际值的非线性解。对于静力非线性问题，可以采用弧长法来控制收敛。 利用n 删o n 。r a p h s o n 法，刚度矩阵和荷载向量每次迭代后都可以更新。 n e 叭o n r 且p h s o n 法方程如下： k 。k u ，= 沪 一 f “l 一 ( 3 - 1 1 ) 其中： i 丘。l 是根据第i 1 次迭代的变形形状得到的刚度矩阵； u l 是位移向量增量， u 。= u ) 一 q 一。) ； 虹 是当前迭代的位移向量； p 是外荷载向量： 妒8l 是基于，1 次迭代位移的n e 吼o n - 勋p h s o n 存储载荷。 每个子荷载的划分和最大平衡迭代均可根据实际需要自行定义，平衡迭 代进行到收敛或达到最大平衡迭代数限制为止。对所有非线性分析都可以通 过回复力 f - 妒8 一。或两次迭代之间的位移增量l ( 厂 ，i 来检查收敛情况a 本 文采用自动时间步长来获得精确的收敛解。 3 2 静载作用下桩一土相互作用的数值计算 3 2 1 计算模型的建立 本文采用s o i i d 6 5 混凝土单元对桩体进行有限元离散，采用s o l i d 4 5 单元 对土体进行有限元离散，由于这两种单元均为8 节点块体单元，每个节点具 有三个方向( x ，y z ) 的自由度，所以不存在节点自由度的不连续问题，并且 适用于线弹性材料和弹塑性d p 材料模型。对于静力分析，可以采用引入虚 边界的方法，使之处于离结构足够远的地方，根据圣维南原理，虚边界的引 入对体系的影响可忽略不计。这样土体就变成了有限域，对其模拟就可同于 对结构的模拟，能直接对由结构和土组成的整个体系进行离散分析。考虑到 模拟土体的真实性，土体深度设为2 倍桩长，宽度取为5 倍桩直径。为了降 低自由度、减少计算时间，建模时利用对称性原理，可以取1 4 桩一土作用体 系模型进行计算，在对称面上加上对称边界条件。 目前，常用的钢筋混凝土结构的有限元计算模型有三种：第一种是把钢 筋和混凝土各自划分为足够小的单元，两者之间的粘接和滑移用连接单元来 模拟，这种计算模型称为分离式模型；第二种是把钢筋和混凝土包含在一种 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 单元中，分别计算钢筋和混凝土对单元刚度矩阵的贡献，这种计算模型称为 组合式模型；第三种也是把钢筋和混凝土包含在一种单元中，和组合模型不 同的是它统一考虑钢筋和混凝土的作用，这种计算模型称为整体式模型。本 文采用的是组合式计算模型。 对于接触界面，采用a n s y s 程序中的接触单元模拟桩一土接触面上的非 线性作用，将桩表面取为目标面，土体与桩接触的面取为接触面，在目标面 和接触面上分别生成目标单元t a 唱e 1 7 0 和接触单元c o n t a l 7 3 。 土体按水平成层分布来简化考虑。经过简化处理后的2 # 墩的桩基础桩一 土相互作用有限元的模型如图3 3 所示。 图3 3 桩一土相互作用有限元模型图3 4 挂车一3 0 0 的简化模型 3 2 2 荷载计算 进行单桩受力性能计算前首先要确定荷载的大小，除了上部结构的 重量外，还要考虑汽车荷载。 ( 1 ) 汽车荷载 按照设计的验算荷载为挂车3 0 0 ，属于特种荷载，按照厂矿道路设计 规范，挂车3 0 0 的简化模型如图3 4 所示。 由于安宁河大桥的结构形式为预应力t 型梁桥，在计算桩的受力时，可 以简化为简支粱计算，当桥梁受到挂车3 0 0 的荷载时，其简化模型如图3 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 7 3 5 k n7 3 5 洲7 3 5 k n73 5 洲 1 2 mj 姻】j1 2 m t_t l ! 塑上! ! ! 。 ! 塑 - j ! 蚋 ； 图3 5 安宁河大桥受挂车3 0 0 验算荷载示意图 由于挂车荷载为移动荷载，在移动荷载的作用下，结构上的各种量值均 将随荷载的位置的变化而变化，而设计或者进行验算时必须先求出各种量值 的最大值，以作为设计或者验算的依据。为此，必须先确定使某一量值发生 最大值的荷载位置，即最不利荷载位置。在本次计算中，要确定的是对安宁 河大桥2 撑桥墩的桩基础产生最大压力的最不利荷载位置。为此，必须首先做 出2 撑桥墩的反力r 的影响线，其影响线如图3 6 所示。 图3 6 安宁河大桥2 舟墩的反力影响线图 由于荷载为几个集中荷载，在做出影响线以后，可以初步判断出对于2 撑 桥墩来说的最不利荷载位置为图3 8 和图3 9 所示的荷载位置。 p ln 如p 4 r 影响线r 彤响线 图3 7 最不利荷载位置之一图3 8 最不利荷载位置之二 图3 7 中，鼻= p 2 = b = 只= 7 3 5 五，y i = o 8 7 ，y 2 = o 9 ，y 3 = l ， y 4 = o 9 7a 此时，丑= 置y 。= 7 3 5 ( o 8 7 + o 9 + 1 + o 9 7 ) = 2 7 4 8 9 ，。 图3 - 8 中，e = p 2 = 只