地震液化诱发地面大位移及其对桩基影响的研究
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摘要
地震过程中由于饱和砂土液化诱发的小坡度地面侧向永久位移即地面大位移对结构的破坏，是液化区公路、铁路、桥梁、码头、堤坝、房屋、地下结构与生命线工程震害的主要形式之一，近十几年来，人们越来越重视对这种新的液化破坏形式的研究。由于砂土液化诱发地面大位移机理比较复杂，且对其研究历史较短，目前对这个问题的研究还不够深入。本文主要做了以下工作：
1、本文总结了以往地面大位移计算方法的不足，提出了计算砂土液化诱发地面大位移的一种新方法。通过对土体进行非线性地震反应分析，引入地震过程中饱和砂层中孔隙水压力生成的经验公式，利用这一公式在各时段内对土的抗剪强度进行修正，假定每一时段内土的应力-应变关系为刚塑性，求出该时段内的地面加速度时程和屈服加速度时程，然后根据Newmark刚性滑块的基本原理，计算地震过程中由液化产生的地面侧移值，并对影响地面大位移的各种可能因素进行了详细的研究。计算结果表明：与经验方法相比较，本文提出的计算地面大位移的方法在物理机制上更加合理，能够较真实地揭示地面大位移产生的规律，且计算结果与宏观震害现象十分吻合，具有较强的工程适用性。
2、本文运用ANSYS有限元分析软件，建立桩基在侧向力作用下的有限元计算模型，并通过工程算例验证该方法是正确的、可行的，在选取合理的单元大小，其计算结果与理论结果吻合较好；利用该计算模型考虑桩土共同工作的非线性关系，对土弹簧单元施加侧向位移模拟在液化侧扩地基中土体产生的侧向位移，对液化侧扩地基中的桩进行非线性有限元分析。计算结果表明地基的侧向位移是与液化有关的桩基震害的主要原因之一，在软硬交界处桩可能承受了超出桩本身极限抗弯能力的弯矩，容易发生弯剪破坏，在有液化侧扩地基中桩基的设计不能仅考虑上部结构震动的影响，地基的水平侧向位移对桩基的影响不容忽视。所得结果对今后桩基的抗震设计具有一定的指导意义。
3、本文根据地震液化诱发地面大位移产生的机理，针对自由场地、已建结构场地以及地面大位移对桩基破坏的特点，归纳总结了防治地面大位移的措施。
Catastrophic damages to structure can be made by lateral permanent displacement, namely large ground displacement, on gently sloping ground induced by liquefaction of saturated soil deposits during earthquake, which is the main type of seismic damages of highways , railways, bridges, docks, embankments, buildings, underground structures and lifeline engineering in liquefied area. In recent ten years, studies on the new type of failure made by liquefaction have been carried out. Because of the complex mechanism and the limited research, progress on this subject is quite limited. The paper is made up of three aspects:
1 , In this paper the disadvantages of calculation methods of large ground displacement are discussed, and the new method used to calculate the large ground displacement is presented. Nonlinear earthquake respond analysis of soil is carried out to obtain ground acceleration and yield acceleration time history, in which the law of pore pressure in saturated sand is used to revise the yield strength of soil and the strain-stress relationship of soil is assumed to be rigid plastic in every time-internal. Appling the model of Newmark's rigid slide block, the lateral displacement induced by liquefaction during earthquake is calculated and the possible factors which may influence the large ground displacement are well studied. The numerical results show that the method presented is more reasonable in physical mechanism than empirical methods, which can authentically disclose the mechanism of the large ground displacement and coincide with macroscopic earthquake damages.
2, Using ANSYS, a finite element analysis model is established to deal with pile-soil interaction under lateral load, and the model is proved to be correct and realizable. With the reasonable size of element, the results can well coincide with theoretical results. Using the model, nonlinear finite analysis of pile in lateral spreading ground is carried out, in which the nonlinear relationship of pile-soil interaction is considered and lateral displacement is subjected to soil springs to simulate the ground displacement in lateral spreading ground. The numerical results show that the lateral ground displacement is one of factors that cause pile failures in liquefied ground. At the soft-hard interface, pile may overbear the ultimate moment which leads to bending and shearing failures. Therefore, except the effect of large inertial loads from superstructure, the influence of the lateral ground displacement on
pile foundation cannot be neglected in a seismic design of pile foundation in lateral spreading ground.
3. According to the mechanism of large ground displacement, different measures of ground improvement against large ground displacement suited to different conditions are concluded.
1、本文总结了以往地面大位移计算方法的不足，提出了计算砂土液化诱发地面大位移的一种新方法。通过对土体进行非线性地震反应分析，引入地震过程中饱和砂层中孔隙水压力生成的经验公式，利用这一公式在各时段内对土的抗剪强度进行修正，假定每一时段内土的应力-应变关系为刚塑性，求出该时段内的地面加速度时程和屈服加速度时程，然后根据Newmark刚性滑块的基本原理，计算地震过程中由液化产生的地面侧移值，并对影响地面大位移的各种可能因素进行了详细的研究。计算结果表明：与经验方法相比较，本文提出的计算地面大位移的方法在物理机制上更加合理，能够较真实地揭示地面大位移产生的规律，且计算结果与宏观震害现象十分吻合，具有较强的工程适用性。
2、本文运用ANSYS有限元分析软件，建立桩基在侧向力作用下的有限元计算模型，并通过工程算例验证该方法是正确的、可行的，在选取合理的单元大小，其计算结果与理论结果吻合较好；利用该计算模型考虑桩土共同工作的非线性关系，对土弹簧单元施加侧向位移模拟在液化侧扩地基中土体产生的侧向位移，对液化侧扩地基中的桩进行非线性有限元分析。计算结果表明地基的侧向位移是与液化有关的桩基震害的主要原因之一，在软硬交界处桩可能承受了超出桩本身极限抗弯能力的弯矩，容易发生弯剪破坏，在有液化侧扩地基中桩基的设计不能仅考虑上部结构震动的影响，地基的水平侧向位移对桩基的影响不容忽视。所得结果对今后桩基的抗震设计具有一定的指导意义。
3、本文根据地震液化诱发地面大位移产生的机理，针对自由场地、已建结构场地以及地面大位移对桩基破坏的特点，归纳总结了防治地面大位移的措施。
Catastrophic damages to structure can be made by lateral permanent displacement, namely large ground displacement, on gently sloping ground induced by liquefaction of saturated soil deposits during earthquake, which is the main type of seismic damages of highways , railways, bridges, docks, embankments, buildings, underground structures and lifeline engineering in liquefied area. In recent ten years, studies on the new type of failure made by liquefaction have been carried out. Because of the complex mechanism and the limited research, progress on this subject is quite limited. The paper is made up of three aspects:
1 , In this paper the disadvantages of calculation methods of large ground displacement are discussed, and the new method used to calculate the large ground displacement is presented. Nonlinear earthquake respond analysis of soil is carried out to obtain ground acceleration and yield acceleration time history, in which the law of pore pressure in saturated sand is used to revise the yield strength of soil and the strain-stress relationship of soil is assumed to be rigid plastic in every time-internal. Appling the model of Newmark's rigid slide block, the lateral displacement induced by liquefaction during earthquake is calculated and the possible factors which may influence the large ground displacement are well studied. The numerical results show that the method presented is more reasonable in physical mechanism than empirical methods, which can authentically disclose the mechanism of the large ground displacement and coincide with macroscopic earthquake damages.
2, Using ANSYS, a finite element analysis model is established to deal with pile-soil interaction under lateral load, and the model is proved to be correct and realizable. With the reasonable size of element, the results can well coincide with theoretical results. Using the model, nonlinear finite analysis of pile in lateral spreading ground is carried out, in which the nonlinear relationship of pile-soil interaction is considered and lateral displacement is subjected to soil springs to simulate the ground displacement in lateral spreading ground. The numerical results show that the lateral ground displacement is one of factors that cause pile failures in liquefied ground. At the soft-hard interface, pile may overbear the ultimate moment which leads to bending and shearing failures. Therefore, except the effect of large inertial loads from superstructure, the influence of the lateral ground displacement on
pile foundation cannot be neglected in a seismic design of pile foundation in lateral spreading ground.
3. According to the mechanism of large ground displacement, different measures of ground improvement against large ground displacement suited to different conditions are concluded.
引文
[1] 谢定义 土动力学．西安交通大学出版社．1988
[2] 何君毅、林祥都 工程结构非线性问题的数值解法．国防工业出版社．1994
[3] 刘惠珊、张在明 地震区的场地与地基基础．中国建筑工业出版社．1994
[4] 中国振动工程学会、土动力学专业委员会编著 土动力学工程应用实例与分析．中国建筑工业出版社．1998
[5] 丁金粟等 土力学及基础工程 地震出版社 1992
[6] [美]Braja M.Das著 土动力学原理 浙江大学出版社 1984
[7] 俞载道 结构动力学基础 同济大学出版社 1987
[8] 王松涛等 现代抗震设计方法 北京：中国建筑工业出版社 1997
[9] 钱家欢等 土工原理与计算 北京：中国水利水电出版社 1980
[10] 刘惠珊等 液化引起地面大位移对工程的影响及研究现状．特种结构．Vol 14 1997．2
[11] 张健民 地震液化后地基侧向变形对桩基础的影响．第八届土力学及岩土工程学术会议论文集．1999
[12] 景立平 砂土液化诱发地面侧移地面分析．地震工程与工程振动．Vol 16 1996．2
[13] 徐志英、周建 土坝地震孔隙水压力产生、扩散和消散的三维动力分析．地震工程与工程振动．Vol 5 1985．12
[14] 徐志英 沈珠江 地震液化的有效应力二维动力分析方法
[15] 赵剑明等 研究液化的三维动力非线性有限元法．Vol 30 1997．12
[16] 王天颂等 地震荷载作用下饱和砂层孔隙水压力的增长与消散．岩土工程学报．Vol 5 1983．8
[17] 刘汉龙 土体地震永久变形分析述评 水利水电科技进展 Vol．15 No．4 1995．8
[18] 刘汉龙 高玉峰 朱伟 地震液化区分布范围对地面大位移的影响 河海大学学报 Vol．29 No．5 2001．9
[19] 刘汉龙等 多功能静动三轴仪研制及在液化后大变形中的应用 大坝观测与土工测试 Vol．25 No．5 2001．5
[20] 刘惠珊1995年阪神大地震的液化特点．工程抗震．Vol 1 2001．3
[21] 山幸满著 桩结构物的计算方法和计算实例．中国铁道出版社．1984．9
[22] 卢世深 林亚超 编译 桩基础的计算和分析 人民交通出版社 1987．3
[23] 黄强编著 桩基工程若干热点技术问题．中国建材工业出版社．1996．9
[24] 刘汉龙、陆绍俊1995年日本阪神大地震及其震害[A]土动力学理论与实践[M]．大连理工大学出版社．1998．550～555
[25] 高玉峰、刘汉龙、朱伟地震液化引起地面大位移研究进展 岩土力学 Vol 21 No．3 2000．9
[26] 孪茂田、林皋、杨庆 岩土地震工程与土动力学若干最新进展评述[A] 土动力学理论与实践[M]大连：大连理工大学出版社．1998．20～46
[27] 刘惠珊、翁鹿年、王承春 近年地震中的液化侧向扩展与岸坡坍塌[A]第三界全国动力学学术论文集[C]上海：同济大学出版社．1990．429～434
[28]刘惠珊 桩基抗震设计探讨——日本阪神大地震的启示 工程抗震 Vol 3 2000．9
[29]刘惠珊 桩基震害及原因分析——日本阪神大地震的启示 1999．3
[30]李鹏程、刘惠珊等 地震地面大位移对埋地管线影响的有限元分析 工业建筑 Vol 30 No．6 2000
[31]刘惠珊，李鹏程，徐凤萍 地下生命线工程防御地震液化产生的地面大位移的对策 工程抗震 1998
[32]张健民 水平地基液化后大变形对桩基础的影响．建筑结构学报 Vol．22 No．5 2001．10
[33]张建民 地震液化后地基大变形的实用预测方法 第八届土力学及岩土工程学术会议论文集．1999
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[35]赵心铭 余跃心 液化引起的地面侧向扩展研究现状及评述 华北水利水电学院学报 Vol．21 No．4 2000．12
[36]周云东 刘汉龙等 砂土地震液化后大位移室内实验研究探讨 地震工程与工程振动 Vol．22 No．1 2002．2
[37]刘惠珊 地基基础震害及处理措施 建筑科学 Vol．18 No．1 2002．2
[38]陈跃庆 吕西林 几次大地震中地基基础震害的启示[J] 工程抗震 2001．6
[39]刘惠珊 现行抗震规范中液化土中桩基计算方法的讨论 1994．4
[40]刘惠珊 乔太平 可液化中桩基础设计计算方法的探讨 工业建筑 1983．4
[41]刘惠珊 陈克景 乔太平 液化土中多桩基础设计改进的探讨 全国第三界土动力学术会议论文集 1990
[42]徐凤萍 地面大位移时地下钢管的反映分析 钢结构 Vol．14 No．43 1999．1
[43]陈精一 蔡国忠编著 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南 中国铁道出版社 2001．5
[44]王国强主编 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践 西北工业大学出版社 2000．4
[45]美国ANSYS公司北京办事处ANSYS入门手册 1998
[46]美国ANSYS公司北京办事处ANSYS高级技术分析指南 1998
[47]美国ANSYS公司北京办事处ANSYS非线性分析指南 1998
[48]王勋成，邵敏 有限单元法基本原理核数值方法 北京：清华大学出版社 1995
[49]龙驭球 有限元分析的概念和应用 北京：人们教育出版社 1978
[50]王勇 黄炎生编著 结构分析的计算机方法 华南理工大学出版社 2001
[51]罗安定 编著 工程结构数值分析方法与程序设计 天津大学出版社 1995
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[53]《建筑抗震设计规范》(GB5001-2001)
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[55]《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)
[56]王余庆，孙建生，挤密桩法与地面压重的抗液化效果，岩土工程学报，第7卷，第4期，
1985年7月。
[57] 汪闻韶，土的动力强度和液化特性，中国电力出版社，1997年。
[58] 顾卫华，王余庆，砾石排水桩与地面压重的抗液化效果，岩土工程学报，第11卷，第2期，1989年3月。
[59] 王士凤，王余庆，建筑物可液化砂基用砾石排水桩法抗震加固的试验研究，冶金建筑科学总院，1984年。
[60] 陈国兴 对我国六种抗震设计规范中液化判别规定的综述和建议 南京建筑工程学院学报 Vol．2 No．33 1995
[61] 刘汉龙，余湘娟 土动力学与岩土地震工程研究进展 河海大学学报 Vol．22 No．1 1999
[62] 张志涌等 精通MATLAB5.3 北京航空航天大学出版社 2000
[63] Hamada. Study on liquefaction induced permanent ground displacements, Association for the Development of earthquake prediction 1986
[64] Bartlett S F .Yould T L Empirical prediction of liquefaction induced lateral spread[J] of Geotech. Engrg. ASCE. 1995. 121(4): 316-329
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[72] M. H. Baziar, R. Dobry, Evaluation of lateral ground deformation using sliding block model, Earthquake engineering Tenth Conference, 1992
[73] M. H. Baziar et al. Engineering evaluation of permanent ground deformation dued to seismically induced liquefaction, March 24,1992,Technical Report NCEER_92_00.
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