（岩土工程专业论文）地震作用下海洋环境码头桩土动力相互作用分析.pdf

摘要 桩基因其具有许多独特的功能，而日益广泛应用于高层建筑、重型厂房、桥梁、 近海工程等诸多领域，成为工程建设中很重要的一种基础类型。而在近海、近岸工程 结构设计中常遇到的问题就是土体与桩( 群桩) 的相互作用问题，传统的港工桩基设计 方法缺乏对桩一土相互作用问题的深入研究，使得有些码头工程竣工后不久就出现断 桩、裂桩，承台发生较大位移或整个码头差异沉降显著等现象。针对水域中码头桩基 的若干问题，本文对海洋环境下港湾码头结构物的桩士动力相互作用进行了理论上的 分析，阐述了码头结构物非线性桩一土动力响应分析的公式，讨论了海洋环境下港湾码 头结构物所受的海洋环境荷载及其荷载效应，并结合工程应用，进行了某海洋港湾码 头结构物的桩土动力相互作用的评估，得到反映海洋环境下桩土动力相互作用关系 的结果，本文所做的工作主要为： i ) 总结了世界范围内都普遍存在的码头桩基在地震激励下所表现出的各种各样 的破坏性状。对于桩的破坏而言，不论液化土或非液化土中的建筑桩基，桩头部位总 是出现大弯矩与剪力的危险部位，液化层界面更是出现大弯矩与剪力的危险部位，液 化层中部弯曲破坏的危险性较大。液化层问题类似于软弱土层交界处刚度突变所引起 的桩身应力问题，但在非液化土中此类问题遇到的机率较小。无侧扩的液化一般较有 侧扩的液化对桩的危害较轻，上部结构方面也是如此，而且软土与液化土因震动引起 的承载力与侧摩阻力下降可导致桩的过度下沉。在以上总结桩基的破坏性状后接着指 出桩基比天然地基具有更好的抗震性能，主要表现在：减轻结构震害、减小震陷、增 加抗震稳定性，在工程中采用合理、足够的桩基对工程本身而言，增强了其抗震安全 度。在全文数值分析码头结构力学性能之前，总结这些破坏性状对于理解和分析地震 激励下码头桩基的受力过程和破坏过程是非常有益的。 2 ) 在极端海洋环境条件下，系统地进行了理论上的总结，并且进行了码头桩土 相互作用国际国内规范，现行方法及分析理论的对比。并在此基础上提出码头桩土相 互作用的观点，这一新观点的提出，突破了原有的静极限承载能力的范畴，对于极端 海洋环境条件下结构动力理论的发展和完善有着重大的意义。在总结理论的基础上， 指出土。结构动力相互作用目前的发展水平与工程实用之间仍存在相当大的差距，理论 与实际之间也还有距离，这是由于土结构动力相互作用问题本身的复杂性，不同的计 算方法都引进了一些假设和进行了不同程度的简化，以致不同方法给出的结构和地基 反应存在有很大的差别，加之计算工作量大，试验验证也比较困难，所以在实际的抗 震设计中考虑桩土共同作用是有很大的研究意义的。 3 ) 然后对地震激励下极端海洋环境码头桩基士动力相互作用进行了分析研究， 模拟了桩一土动力相互作用，桩为埋置于土中的长梁，土的反力由一系列频率相关的非 线性弹簧和阻尼器进行模拟，并结合某海洋港湾码头的海域场地的数据，系统地研究 了结构桩土动力相互作用影响的范围和程度。海岸环境中的土层都或多或少的位于 海水中并和海水相饱和，当地震荷载旌加到土层上时，将会产生瞬时的相对于土层骨 架的孔隙流体运动，这将导致孔隙流体瞬时的再分布，这种再分布依赖于地震荷载的 大小、土的渗透性、压力梯度以及边界条件等。这种孔隙流体运动又影响了土层的动 力反应行为，加之土体上面的海水也会影响土的动力反应，所以海岸码头环境中土层 的动力反应是很复杂的。所以我们有必要发展一种有效的数值计算方法去分析码头海 洋环境饱和土的动力反应，并分析复杂的海洋环境条件对土、桩基动力反应的影响。 在理论分析的基础上进行数值分析可以揭示港口码头工程桩坡体系相互作用的规律， 研究结果可供码头工程设计参考，为码头桩一土动力相互作用在风浪、地震、冲击荷载、 温度、化学侵蚀等多种工作性状作用下的综合整体可靠度分析提供了实用的分析方 法。 4 ) 在上面理论分析的基础上，进行了地震激励下极端海洋环境码头桩一土相互作 用分析，结合大型有限元分析软件a n s y s 对极端海洋环境下码头结构进行了动力分 析，系统地考虑了场地土的不确定性及海洋环境的不确定性。并结合某港湾码头，应 用非线性理论和有限元理论，进行了极端海洋环境下海洋码头结构的动力响应分析。 并应用桩土动力相互作用理论，进行了极端海洋环境码头桩基一土动力相互作用研究， 分析结果表明：考虑结构桩一土相互作用后的地震结构响应将会比固端模型的结构晌 i t 应要来得小，地基土具有一定的抗振消能的作用是明显的。并且该码头桩。土的动力相 互作用在规范的允许范围之内，它在实际工程应用中是安全的、合理的和可行的。 5 ) 桩基由于其本身的优点得以在海洋码头结构中大量的运用，但是海洋码头结 构在海洋环境下受多方面的影响，土与桩体的相互作用关系很难清楚的表达，由于影 响因素的多样性及复杂性，以及它们与桩基性状之间的非线性和非确定关系，使得关 于桩基性状的各种理论解答还不能采用简便的表达式以反映其复杂多变的机理，尤其 是难于反映施工及环境因素对桩基性状的影响，而且如何发挥桩基的技术经济效益和 如何合理的确定桩的极限承载力，也是一个技术难度很大的问题。再加上影响海洋码 头桩基的因素很复杂，计算参数有很大的不确定性，有些涉及到三维甚至四维空间， 加上土的非线性本构关系，使得码头桩基的理论分析有了很大的困难。因此很有必要 研究能够反映这些因素的桩基性状的新的分析方法。由此在以上几章计算和分析基础 上进一步研究了地震激励下减少码头桩基破坏的控振方法及新技术研究进展，以寻求 极端海洋环境下的海洋码头结构桩土动力稳定的合理控制方法，减少在工程实际中由 于码头桩一土的破坏而引起的社会经济财产上的损失。在此基础上提出了地震作用下码 头桩土相互作用的神经网络控振方法，分析了地震作用下的海洋港湾码头桩一土结构， 同时，考虑场地土的不确定性和地震作用的随机性( 地震烈度、地震作用方向、不同 地震波) 、结构桩土相互作用等因素的影响。神经网络模型可以直接基于桩一土结构 的数据之上，建立一个输入和输出的桥梁，不用简化很难考虑的问题或者采取很多假 设以满足数值模型的需要。神经网络本身就是一种思维方式，它直接从输入的样本数 据得出结果，这些数据包括测出的桩体长度，直径，有效应力，剪力强度，桩体重量， 弹性模量，土的性状，水体性状，地震性状等。从这些直接可以采集的数据里经过神 经网络的分析计算，就可以得到桩体的抗载能力，中间省去了数学力学模型的建立或 选取这一最棘手的步骤，也省去了这一步骤中可能会有的诸多误差。 6 ) 在总结全文的基础上，提出了对笔者所从事领域的展望。因为码头在极端海 洋环境中受许多随时间和空间变化的随机载荷的影响，包括风、海浪、海流、海冰、 潮汐、地震，环境腐蚀、海洋生物附着、地基土冲刷和基础动力软化、材料老化、构 件缺陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤积累等不利因素，在如此恶劣的环境条 i l l 件下，如果在本文基础上进步引入可靠度的概念，对以上诸多因素进行随机性分析， 是一个值得研究的课题。参数和地震激励的随机性对土结构动力相互作用的影响，土 与结构动力学参数的不确定性和地震激励的随机性是众所周知的，其对结构响应的影 响也是很重要的，对于结构的地震响应有重要影响的土结构动力相互作用考虑各种随 机因素的影响也是必然的发展趋势。而且随着设计规范转向以概率方法为基础的分析 方法，以及土一结构动力相互作用在工程中的应用的推广，考虑随机因素对土一结构动 力相互作用影响的研究也将成为迫切需要解决的问题。 关键词：地震作用：桩、土计算分析；神经网络控振 i v a b s t r a c t p i l ei sav e r yi m p o r t a n ts t r u c n l r ew h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e sa n di th a sb e e nu s e di n h i g hb u i l d i n g , f a c t o r y , b r i d g e ，o f f s h o r e , e t c i nt h ei s s u eo fo f f s h o r es t r u c t u r et h em o s t i m p o r t a n tt h i n gi st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n s o i la n d p i l e i nt r a d i t i o n a ld e s i g n st h ei n t e r a c t i o n b e t w e e ns o i la n d p i l ei sv e r yl i m i t e dt ob ea n a l y z e dc o m p l e t e l ya n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n s o i la n dp i l ei sn o te a s yt ob ee x p r e s s e db ye q u a t i o n s ，s om a n y p i l e sh a v eb e e nf o u n dt o d e s t r o yv e r yq u i c k l ya n dv e r ys e r i o u s l y a n dw h e n t h e p i l ed e s t r o y e dp r o m p t l yt h es t r u c t u r e o fi t st o pw i l ll o s et h el o a d c a p a b i l i t yt oc o n t i n u es u s t a i n i n gt h el o a dp r e s s u r eo rs h e a rf o r c e f r o mt h et o ps t r u c t u r e t h i sp a p e rs t u d i e st h ep i l e s o i ld y n a m i c i n t e r a c t i o n , d y n a m i ci o a d s a n dl o a d sc o m b i n a t i o no ft h eo f f s h o r ep i l ei nt h eh a r s hs i t u a t i o no fr a n d o m e a r t h q u a k e a f i n i t ee l e m e n ts 1 删a n a l y s i so f p i l ef o u n d a t i o nb a s e do nt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sp r o c e d u r ei sp r e s e n t e d i nd e t a i l e d ，a l s oi td i s c u s s e ss o m e p r o b l e m so fa p p l i c a t i n g t h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sp r o c e d u r e t ot h e s t r u c 删a n a l y s i s i no c e a n e n g i n e e r i n g i t s h o w st h a tt h em e t h o du t i l i z i n gn o n l i n e a rp i l e - s o i li n t e r a c t i o ni sm o r e r e a s o n a b l ei nt h es t m c t u r a la n a l y s i so f p i l ef o u n d a t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri s s h o w na sf o l l o w s ： f i r s t ，w es u m m a r i z et h ev a r i a b l ed a m a g e so f p i l e si ns e i s m i ce n d r o n m e n t a sf o r p i l e ， t h et o po fi ti st h ep l a c ew h i c hi st h em o s te a s yp l a c et o d e s t r o yw h e t h e ri t i si nw a t e r e n v i r o n m e n to rn o - w a t e re n v i r o n m e n t t h el i q u e f a c t i o ni n t e r f a c ei st h ed a n g e r o u sp l a c e w h i c hh a v et h em o s tm o m e n to rs h e a rf o r c ea n dt h el i q u e f a c t i o ni n t e r f a c ep r o b l e mi sv e r y s i m i l a rt ot h es t r a i np r o b l e mi np i l e a f t e rs u m m a r i z i n gt h ev a r i a b l ed a m a g e so f p i l e si n s e i s m i cw ed e n o t e dt h a tt h ep i l ei sab e t t e rs t r u c t u r et os u s t a i ni ns e i s m i ce n v i r o n m e n tt h a n t h en a t u r a lb a s e m e n t t h a ti sb e c a u s et h ep i l ec a nl e s s e nt h e d a m a g ed e g r e ea n d i n c r e a s et h e s a f e t yo fs t r u c t u r e o nt h eo t h e rh a n d ，i ti s a s l oag o o dw a yt os u n u n a r i z et h ev a r i a b l e d a m a g e so f p i l e s i ns e i s m i ca tf i r s ta n dt h e nb e g i nt h en u m e r i c a la n a l y s i so f i t s e c o n d l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c ho ns o i l 一咖c “u ed y n a m i c i n t e r a c t i o nm e t i c u l o u s l y , a n da l s ot h ed e v e l o p m e n t p r o c e s sa n dh i s t o r yo fr e s e a r c ho nt h e d y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i l a n ds t m c n 盯ei ss u m m a r i z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tr e s e a r c hm e t h o d sa n dt h e i r a p p l i c a b l es c o p e a r ea l s od i s c u s s e d i nt h e p a s t v a n a l y s i so ft h eh i s t o r i cm e t h o d ，i ti sc r u c i a lt od e f m et h e a n a l y t i c a lw i d t ho ft h es o i l e l e m e n t si nt h ed i r e c t i o nn o r m a lt ot h ea n a l y t i c a lp l a n e t h i si sg e n e r a l l yd e f i n e da sb e i n g i d e n t i c a li nt h el e n g t ht ot h ew i d t ho ft h ef o o t i n gi nt h ed i r e c t i o nn o r m a lt ot h ea n a l y t i c a l p l a n e h o w e v e r , t h e r ei s l i t t l e k n o w l e d g ea b o u tw h e t h e rt h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h e h i s t o r i cm e t h o d a n a l y s i s a r eo v e r e s t i m a t e do r u n d e r e s t i m a t e d ，c o m p a r i n gw i t h t h o s e o b t a i n e df r o mt h ea p p l i c a b l ev a l u e s s oi nt h i sp a p e ran e w m e t h o d o l o g yc o n s i d e r i n gt h e s o i l p i l ed y n a m i c i n t e r a c t i o nf o rs e aw a f th a sb e e ni m p o s e d t h i r d l y , t h ed y n a m i ci n t e r a c t i o no fs o i l - s t r u c t u r ei nt h eh a r s hs i t u a t i o no fr a n d o m e a r t h q u a k e h a sb e e ns t u d i e d s ot h i s p a p e rp r e s e n t s ap r a c t i c a ln u m e r i c a lm e t h o do f e v a l u a t i n gt h en o n l i n e a rs e i s m i cr e s p o n s eo fp i l e s as o i l p i l e - s t r u c t u r es y s t e mi sm o d e l e d u s i n gs i m p l eb e a m s p r i n gm o d e l l a t e r a ls p r i n g sa n ds h e a rs p r i n g sa r eu s e d a ss o i ls p r i n g s w h i c hc o n n e c tt h ep i l ew i t hs u r r o u n d i n gs o i l t ot a k e g r o u pe f f e c t sa m o n gp i l e s i n t o a c c o u n t ，t h es t i f f n e s so ft h es p r i n g si se v a l u a t e df r o mt h es o i ls t i f f n e s sm a t r i xo ft h ep i l e s c a l c u l a t e db yt h et h i nl a y e re l e m e n tm e t h o d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h en o n l i n e a r i t yo ft h ep i l e d e c r e a s e st h es e i s m i c r e s p o n s e s o ft h e p i l e ，b u t d o e sn o ta f f e c tt h o s eo ft h ew a f t s i g n i f i c a n t l y o nt h eo t h e rh a n dt h es o i li ns e ai sm u c h o rl e s ss a t u r a t e dw i t ht h ew a t e r a r o u n di ta n dt h i sw i l ll e a dt ot h er e d i s t r i b u t i o no f a p e r t u r e f l u i dm o v e m e n t t h e r e d i s t r i b u t i o ni sb a s e do nt h es e i s m i cl o a d ，s o i ls e e p a g e ，p r e s s u r eg r a d i e n ta n db o u n d a r y c o n d i t i o n s ，e t c t h ea p e r t u r ef l u i dm o v e m e n tw i l la l s oa f f e c tt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fs o i l l a y e r a n di tw i l ll e a dt ot h em o r ec o m p l i c a t e l yd y n a m i cp r o p e r t i e s eo fs o i l s s oi ti s n e c e s s a r yf o ru st od e v e l o pa ne f f e c t i v e l yn u m e r i c a lm e t h o dt oa n a l y z et h es o i lp r o p e r t i e s i nt h es e ae n v i r o n m e n ta n d t h r o u g ht h en u m e r i c a la n a l y s i so fp i l ei ns e aw e c a nu n d e r s t a n d t h ed a m a g er u l eo fp i l ei ns e ae n v i r o n m e n t t h ea n a l y s i sr e s u l t sc a nb eab a s i ck n o w l e d g e t ot h ee n g i n e e r i n gd e s i g n a t i o na n dt h el a t e rr e s e a r c ho f s o i l p i l ei n t e r a c t i o n f o u r t h l y ，t h i sp a p e ra l s o u s e st h ea n s y s a n a l y s i sp r o c e d u r es o f t w a r et os t u d yt h e d y n a m i c i n t e r a c t i o no fs o i l s t r u c t u r ei nt h eh a r s bs i t u a t i o no fr a n d o me a r t h q u a k e t h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o di sap o w e r f u ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt o o lf o rs o l v i n gm a n yl a r g ec i v i la n d h y d r a u l i ce n g i n e e r i n gs y s t e ma n dt h i sm e t h o dc a na d j u s tt ot h ec o m p l e xs t r u c t u r es h a p e ， b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，l o a d i n gc o n d i t i o n s ，s o i ln o n l i n e a rp r o p e r t i e sa n do t h e rc o n d i t i o n s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fp i l eg r o u p su s i n gt h ea n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a v eb e e n o b t a i n e db yu s i n gt h ep r e v i o u s l yp u b l i s h e df i e l dd a t u m b e t t e rn u m e r i c a lp r e d i c t i o no ft h e v l d i s t r i b u t i o n so fs h e a rf o r c e sa n db e n dm o m e n tw i t h i nt h e p i l eg r o u p h a sa l s ob e e no b t a i n e d w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no f m a n y s t o c h a s t i cp a r a m e t e r ss u c ha st h es o i lp r o p e r t i e so f s e aw a r f , s e i s m i cp r o p e r t i e s ，e t c a n dt h e nw ea n a l y z et h e d y n a m i cn o n l i n e a rs e i s m i cp i l e s o i l i n t e r a c t i o ni ns e aw a f ta sa ne x a m p l et oa p p l yt h es o f t w a r eo fa n s y s t ot h ea s s e s s m e n to f t h ed y n a m i ci n t e r a c t i o no fs o i l s t r u c t u r ei nt h eh a r s hs i t u a t i o no f r a n d o m e a r t h q u a k e a n dt h e nw ed e n o t e dt h a tt h es o i l p i l ei n t e r a c t i o ni st o od i f f i c u l tt ob ee x p r e s s e di n e q u a t i o n sb e c a u s et h en o n l i n e a ri n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n dp i l e i ti sa l s oad i f f i c u l t p r o b l e m t od e c i d et h es u s t a i n a b l el o a da n dh o wt ot a k et h ef u l la d v a n t a g eo f p i l e t h e c a u s e t oa f f e c tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n dp i l ei s v e r yd i f f i c u l ta n di t i sa l s on o te a s yt o d e c i d et h ep a r a m e t e r so fs o i l s ot h i sp a p e ra l s os t u d i e st h ew a yo fs e i s m i cc o n t r o l l i n g m e t h o di nt h eh a r s hs i t u a t i o no fr a n d o me a r t h q u a k e b e c a u s et h e e a r t h q u a k ec a n t b e p r e d i c t e dw em u s tl e a r nh o w t ol i v ew i t ht h e m s ob a s e do nt h er e s e a r c ho fc o n t r o l l i n g m e t h o d ，t h en e w n e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l i n gm e t h o dh a sb e e nd i s c u s s e da n da ne n g i n e e r i n g s a m p l eu s i n gt h en e u r a ln e t w o r km e t h o dh a sa l s ob e e nl i s t e d i nt h i sm e t h o dt h er a n d o m v a r i a b l e st h a tm a i n l 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r t i e s ，e t c w ec a ng e tt h ep i l el o a df r o mt h o s ed a t u ma n di t c a n s a v eo u rm u c ht i m et ot h i n ko u to t h e ra n a l y s i sm o d e lo rn u m e r i c a lm e t h o d l a s t l y , t h et r e n d si nt h ef u t u r eo f t h i sr e s e a r c ho ns o i l s t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o na r e p r o s p e c t e d t h ep i l e i ns e aw i l lb ea f f e c t e db ym a n yf a c t o r ss u c ha sw i n d ，w a v e ，f l u i d ， s e i s m i c ，e n v i r o n m e n t a lc h e m i c a ld e s t r o y , s e ao r g a n i s m s ，s o i ld e s t r o y , m a t e r i a lc h a n g e ， e t c s oi ti sn e c e s s a r yt oa p p l ys a f e t yd e g r e et ot h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n d p i l eb a s i n g o nt h es t o c h a s t i ca n a l y s i s t h i si sb e c a u s et h ed e t e r m i n i s t r i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a nn o t b eu s e df o rp r a c t i c a lr a n d o mc h a r a c t e r i s t i c ，s ot h es t o c h a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a n e x t e n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt ot h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d t h es t o c h a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o dc a nc o n s i d e rt h er a n d o mv a r i a b l e sw h i c ha r ea s s o c i a t e dw i t hs o i lp r o p e r t i e s ， i c h a n g e a b l el o a d s ，g e o m e t r i c c o n d i t i o n s t h es t o c h a s i t i c p r o p e r t i e s o f p a r a m e t e r s a n d s e i s m i c sw i l la f f e c tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n dp i l ea n dt h es t o c h a s t i cm e t h o di s a t r e n dt oa n a l y z et h ep r o b l e mo fp i l e s o i ld y n a m i ci n t e r a c t i o n b u to nt h eo t h e rh a n di t i s d i f f i c u l tt ou n d e r s t a n dc o m p l e t e l ya l lp r o p e r t i e so ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n s o i la n dp i l e ，s o t h ea p p l i c a t i o no ft h es t o c h a s t i cm e t h o d t ot h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n dp i l ei sj u s to n t h e w a y a n dt h e r ea r em u c h w o r kf o ru st od ol a t e r k e y w o r d s ：e a r t h q u a k e ；p i l e s o i l i n t e r a c t i o n ；n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l i n g v m 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、 造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此而产生的法律责任和 法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名)岔铁 口牟年月g 日 第1 章绪论 【摘要】本章详细地阐述r 海洋环境下码头结构桩土动力分析的研究意义、研究现状以及基本理论，指出在 国际和国内开展码头桩土动力相互作用的必要性，并简述了作者在此领域所开展的主要研究工作和主要成果。 【关键词1码头结构；柱土动力分析；研究意义；研究现状；论文成果 1 1课题背景 随着水域资源的开发和空间利用规模的不断扩大，与之相适应的近海工程、近湖 工程、近河工程、近江工程进入近3 0 年来发展最迅速的工程的行列。与江、河、湖、 海相适应的码头也是发展很快，它适用于软土地基的浅水域，也可用于水深较大的深 水域，结构形式也出现了多样性，如高桩码头、岛式码头、板式码头等等。在进行码 头建筑物和结构物的外力分析时，要考虑各种动力因素的随机特性，在结构计算中也 要考虑相应的动态问题，在基础设计中还要考虑周期性的荷载作用和土壤的不定性， 以及在材料选择上考虑经济耐用性等，这都是十分必要的。因为水域工程耗资巨大， 一旦发生事故，后果将非常严重，所以对其进行安全、严格的设诗、论证和检验是必 不可少的。 码头所处的海洋环境十分的复杂和恶劣，承受着许多随时间和空间变化的随机载 荷，包括风、海浪、海流、海冰和潮汐以及地震等等，在如此恶劣的环境条件下，环 境腐蚀、海洋生物附着、地基土冲刷和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损 伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤积累等不利因素都将导致码头结构构件和整体抗力的 衰减，并影响结构的服役安全度和耐久性。由于对海洋环境的复杂性和随机性以及码 头结构的损伤积累和服役安全度认识不充分，历史上曾有多次发生在地震作用下的码 头事故，造成了重大的经济损失和不良的社会影响。 桩基因其具有许多独特的功能，而曰益广泛应用于高层建筑、重型厂房、桥梁、 近海工程等诸多领域，成为工程建设中很重要的一种基础类型。而在近海、近岸工程 结构设计中常遇到的问题就是土体与桩( 群桩) 的相互作用问题，传统的港工桩基设计 方法缺乏对桩土相互作用问题的深入研究，使得有些码头工程竣工后不久就出现断 桩、裂桩，承台发生较大位移或整个码头差异沉降显著等现象。而现有的抗震计算理 论大多采用刚性地基的假定( 假定地震时建筑物基础的运动与其邻近自由场地一致) ， 而在实际地震时，上部结构的惯性力通过基础反馈给地基，致使地基发生局部变形。如 果这部分变形比由地震波产生的地基变形小得多，则刚性地基假定是合理的。否则， 由于基础相对于地基的平移和转动，将使上部结构的实际运动和按刚性地基假定计算 的结果之间产生很大差别。所以对于处在柔性地基上的刚性建筑物，如海洋码头、海 洋平台等，在计算地震反应时必须考虑地基与结构的动力相互作用。事实上大量的研究 结果表明，考虑土结构动力相互作用后，结构的地震作用一般来说都将减小，但结构 的位移和由p 。效应产生的附加力将增加。这样一来，似乎考虑土一结构动力相互作 用后求得的地震作用一定会减小，而不考虑相互作用，即按传统的刚性地基假定计算 出的地震作用进行抗震设计总是偏于安全的。其实这一结论并不总是正确的，因为有 时考虑土一结构动力相互作用后求得的地震作用反而大，可见，目前的研究尤其缺乏对 地震作用下港工桩基设计的分析，因此积极开展地震作用下港工桩基设计计算方法方 面的深入研究是很有必要的1 1 j 。 、 由此，本文也就拟在前人研究工作的基础上，对地震激励下海洋环境码头桩一土动 力相互作用关系进行一些分析和总结。 1 1 1 国际研究背景 土结构相互作用s o i l s t r u c t u r