沉箱碼頭砂土地震液化后地基承載力計(jì)算方法

孫 恒 矗

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000)

沉箱碼頭砂土地震液化后地基承載力計(jì)算方法

孫 恒 矗

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000)

依據(jù)Prandtl機(jī)構(gòu)，提出了砂土地震液化后港口碼頭地基承載力的計(jì)算方法，并對(duì)某沉箱碼頭地震后的地基承載力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：地震力作用下，砂土孔隙水壓力增大，對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)的水平力增大，彎矩增大，從而使沉箱結(jié)構(gòu)偏心距增大，地基水平及豎向承載力出現(xiàn)不足，最終沉箱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向海側(cè)的平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和沉降。

碼頭，砂土液化，失穩(wěn)機(jī)理，流體

20世紀(jì)的幾次地震中，港口碼頭遭受了嚴(yán)重的破壞，在地震作用下，沉箱碼頭結(jié)構(gòu)發(fā)生向海側(cè)的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及向下的沉降。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，港口碼頭破壞區(qū)域往往伴隨著砂土的大面積液化。

震害資料顯示：地震液化引起的地震大變形，其運(yùn)動(dòng)、變形性質(zhì)與粘性流相似。大量試驗(yàn)證實(shí)：只要有充分的時(shí)間，液化土體可以任意變形，無(wú)需施加任何外力；變形過(guò)程中，液化土體具有抵抗變形的粘性特征；液化土體變形前后，其體積不發(fā)生變化[1,2]。Hamada等[3]通過(guò)模擬1995年阪神重力式沉箱岸壁地震震害，結(jié)果表明：沉箱底部的置換砂與沉箱后部的置換砂孔壓比都沒(méi)有達(dá)到1，沉箱頂部的位移值接近于零。當(dāng)置換砂液化且孔壓比達(dá)到1時(shí)，沉箱頂部的位移值明顯增大，位移達(dá)到120 mm。

本文依據(jù)Prandtl機(jī)構(gòu)失穩(wěn)模型，提出了砂土地震液化后港口碼頭地基承載力的計(jì)算方法，以某港口碼頭為例進(jìn)行了地震后沉箱碼頭的地基承載力進(jìn)行分析。

1 沉箱失穩(wěn)的滑動(dòng)模型

地基失穩(wěn)的砂箱試驗(yàn)表明[4]：在傾斜荷載作用下，地基多發(fā)生單邊滑動(dòng)。采用Prandtl機(jī)構(gòu)失穩(wěn)模型[5]，如圖1所示。其滑移線由兩段直線及中間對(duì)數(shù)螺旋線組成。地基土為砂土，c=0。

P1α=P10etanφ(α-θ0)=

Pα=P1α+P2α。

其中，Pα為AE滑移段上的作用力，其方向和EA′平行。EA′上的作用力設(shè)為Pβ，其方向和EA平行，其大小和Pα以及相應(yīng)邊長(zhǎng)成比例，即：

由Pα，Pβ共同產(chǎn)生的垂直反力是：

Ry=Pαsinγ+Pβsinβ=2Pαsinγ。

由Pα，Pβ共同產(chǎn)生的水平反力是：

Rx=Pαcosγ-Pβcosβ=0。

AEA′上的垂直力Fy包含凝聚力的折算荷載，基礎(chǔ)荷載和三角形AEA′的重量，為：

AEA′上的水平力Fx為(Fx≥0)：

注意Fx≥0，如果Px-H>0，取Fx=Px-H，如果Px-H≤0，取Fx=0由此得兩個(gè)平衡方程：

(1)

(2)

2 水平力Px,彎矩M，豎向力Py的確定

對(duì)地下水位以下的地震后未液化的砂土土壓力采用水土分算，水壓力采用超孔隙水壓力。對(duì)液化砂土按流體處理。有以下計(jì)算公式：

1)水位線以上土體：沉箱結(jié)構(gòu)的水平壓力分布：

2)液化砂土：沉箱結(jié)構(gòu)的水平壓力分布：

3)液化砂土下面的飽和砂土;沉箱結(jié)構(gòu)的水平壓力分布：

4)超孔隙水壓力上升采用下式計(jì)算[6]：

其中，NL為某一剪應(yīng)力比下砂土達(dá)到初始液化的循環(huán)次數(shù)(由試驗(yàn)確定)；N為實(shí)際地震剪應(yīng)力作用的循環(huán)次數(shù)；α為定義超孔壓上升曲線形狀的常數(shù)，可由試驗(yàn)確定，一般取0.7。

5)Py，M的計(jì)算。Py即沉箱自重及沉箱下三角形土體自重、M可用對(duì)計(jì)算模型底部一點(diǎn)取距算出。對(duì)彎矩影響的處理方法如下：先由彎矩M與豎向力P的大小求出偏心距e，然后再采用Meyerhof，Hansen，Vesic等人提出的等效面積法對(duì)偏心荷載進(jìn)行處理。對(duì)條形基礎(chǔ)，具體做法是用基礎(chǔ)的有效寬度b=a-2c代替原來(lái)的寬度a，然后再按基礎(chǔ)寬度為b的無(wú)偏心荷載情況進(jìn)行分析[7]。

3 計(jì)算實(shí)例

某港口沉箱碼頭的地質(zhì)情況如圖2所示，沉箱寬15 m，高20 m。天然地基為中粗砂，沉箱碼頭底部挖除7 m中粗砂后回填拋石，沉箱后回填中砂及中粗砂。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，各土層的參數(shù)為：回填中砂：γ=19.6 kN/m3，φ=30°，h=10 m；回填中粗砂：γ=20.0 kN/m3，φ=34°，h=10 m；中粗砂：γ=20.4 kN/m3,φ=40°，h=30 m。在0.1g地震荷載作用下，Px=2 130 kN，M=11 726 kN·m,Py=5 280 kN,e=3.35 m,b=5.3 m。由地基土提供的承載力Rx+H=1 168.3 kN,Ry-ΔG=35 183.4 kN。地基水平承載力已經(jīng)不足。

在0.2g地震荷載作用下，Px=2 839.2 kN，M=28 291 kN·m,Py=5 280 kN,e=5.26 m,b=1.28 m。由地基土提供的承載力Rx+H=1 168.3 kN,Ry-ΔG=6 022.9 kN。水平承載力已經(jīng)不足，由于偏心繼續(xù)增大，豎向承載力也出現(xiàn)了大幅度減小。沉箱已經(jīng)發(fā)生了向海側(cè)的地基失穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于Prandtl機(jī)構(gòu)地基失穩(wěn)模型，提出了沉箱碼頭砂土地震后地基承載力的計(jì)算方法。對(duì)某沉箱碼頭砂土地震液化后地基的極限承載力進(jìn)行分析，結(jié)果表明：1)地震力作用下，砂土孔隙水壓力增大，液化砂土具有流體的特征，對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)的水平力增大，彎矩增大。從而使沉箱結(jié)構(gòu)偏心距增大，地基水平承載力出現(xiàn)不足，地基豎向承載力也大幅度減小。最終沉箱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向海側(cè)的平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和沉降。2)該法簡(jiǎn)單易行，可為港口碼頭砂土地震后的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)提供參考數(shù)據(jù)。

[1] I.Towhata. Development of Geotechnical Earthquake Engineering in Japan[C].16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering Rotterdam. Millpress Science Publishers，2005：251-291.

[2] 龍?zhí)煊澹淘龌?流體力學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[3] Hamada M, Sato H, Kawakami T. A Consideration of the Mechanism for Liquefaction Related Large Ground Displacement. Proceedings 5th Japan-U.S.Workshop on Earthquake Resistant Design of Lifeline Facilities and Countermeasures for Soil Liquefaction, National Center for Earthquake Engineering Research, Technical Report NCEER-96-0012.1996:217-232.

[4] 胡中雄.土力學(xué)與環(huán)境土工學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[5] 金問(wèn)魯.實(shí)用土力學(xué)及地基處理實(shí)例[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1993：57-59.

[6] Seed H B, Booker J R . Stabilization of Potentially Liquefiable Sand Deposits Using Gravel Drains, Journal of the Geotechnical Engineering Division ,ASCE,GT7.1977.

[7] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1994.

Sandy soil seismic liquefaction instability mechanism of the caisson wharf structure

Sun Hengchu

(GuangzhouBranch,BeijingInstituteofArchitecturalDesign，Guangzhou510000，China)

Based on Prandtl institutions, puts forward the foundation bearing capacity calculation method of wharf structure after earthquake liquefaction， and the foundation bearing capacity of a caisson wharf structure after the earthquake are analyzed. The result shows that under the action of earthquake, sandy soil pore water pressure increases, the horizontal force of caisson structure increases, bending distance increase. To make the caisson structure eccentricity increases, vertical bearing capacity of the foundation level and insufficient. Eventually the caisson structure appeared to the translation, rotation, and deposition of the sea side.

caisson wharf, sandy soil seismic, instability mechanism, liquefaction

1009-6825(2015)16-0044-03

2015-03-27

孫恒矗(1981- )，男，碩士，工程師

TU470

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