黏土中防沉板—樁復(fù)合基礎(chǔ)地震反應(yīng)特性研究

關(guān)盛杰，孔德森, 2，王曉敏，鞏 越

(1. 山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2. 山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

當(dāng)前我國的海洋油氣資源開發(fā)正由淺海向深海發(fā)展[1]，深海的地質(zhì)條件不同于淺海，在一些工程實(shí)踐中，作用在基礎(chǔ)上的荷載往往超過典型尺寸防沉板的承載極限，為了克服防沉板應(yīng)用上的局限性，在防沉板下打入樁基礎(chǔ)組合成復(fù)合基礎(chǔ)，旨在不增加防沉板尺寸的前提下，依靠樁基礎(chǔ)將荷載傳遞到深層土體中，提高基礎(chǔ)的承載力，目前已經(jīng)在石油開采項(xiàng)目中進(jìn)行了工程實(shí)踐，隨后一些學(xué)者對其承載力進(jìn)行了初步研究。

Dimmock等[2]假設(shè)僅防沉板承擔(dān)豎向荷載，防沉板和樁共同抵抗彎矩，提出了簡化的下限設(shè)計(jì)方法，然而這種簡化的方法只適用于在設(shè)計(jì)的可行性驗(yàn)證階段初步估計(jì)復(fù)合基礎(chǔ)的承載力。Gaudin等[3]通過離心機(jī)試驗(yàn)研究了混合基礎(chǔ)的承載性能，確定了混合基礎(chǔ)的破壞方式。這些研究多是針對工程設(shè)計(jì)實(shí)例的靜力學(xué)分析驗(yàn)證[4-9]，作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其上部承擔(dān)著生產(chǎn)設(shè)備等主要結(jié)構(gòu)物，一旦發(fā)生地震，有可能造成破壞性后果，因此開展防沉板—樁復(fù)合基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)分析具有十分重要的意義。Zargar等[10]提出一種海上固定式平臺(tái)動(dòng)力反應(yīng)分析方法，在時(shí)域內(nèi)考慮了土體非線性、樁土界面不連續(xù)、土體輻射阻尼引起的能量耗散、結(jié)構(gòu)材料非線性和幾何非線性等因素的影響，并得出由于土體的非線性和輻射阻尼，使得平臺(tái)單元的位移更大，結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力降低。Hesar[11]針對地震荷載下跳線、跨管連接等復(fù)雜集群產(chǎn)生的系統(tǒng)效應(yīng)問題，介紹新的建模和模擬方法。段高松[12]研究了深海條件下輸入地震動(dòng)特性和場地條件對防沉板動(dòng)力反應(yīng)的影響，并對比分析了基礎(chǔ)埋深、上部荷載及長寬比對基礎(chǔ)震陷的影響。

由此可見，防沉板—樁復(fù)合基礎(chǔ)進(jìn)入工程應(yīng)用以來，有關(guān)的地震荷載下動(dòng)力反應(yīng)分析的研究極少，為了給工程抗震設(shè)計(jì)提供有益參考和指導(dǎo)，采用Flac3D快速拉格朗日有限差分軟件分別建立典型防沉板尺寸與不同樁長組合的復(fù)合基礎(chǔ)模型，對比分析不同樁長下的復(fù)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系在地震荷載下的反應(yīng)特性，對于完善防沉板—樁復(fù)合基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)理論和優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)形式具有重要意義。

1 計(jì)算模型建立

1.1 模型建立

以南海某深水防沉板工程為例，建立數(shù)值計(jì)算模型。參考已有的工程設(shè)計(jì)實(shí)例[13-14]，確定防沉板模型尺寸為10 m×5 m×0.2 m，角樁增設(shè)在防沉板四角，以“銷釘”方式連接來限制轉(zhuǎn)動(dòng)。借鑒海上能源部門常用樁基尺寸參數(shù)，本次模擬的樁基直徑0.6 m，長度取4 m、6 m、8 m，三種樁長下的復(fù)合基礎(chǔ)編號(hào)分別為HSF-Ⅰ、HSF-Ⅱ、HSF-Ⅲ，并分別定義1～4號(hào)樁的順序，防沉板—樁結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 防沉板—樁結(jié)構(gòu)體系平面圖Fig. 1 Plan of mudmat-pile structure system

復(fù)合基礎(chǔ)材料為理想彈性的高強(qiáng)鋼材，彈性模量E=206 GPa，泊松比ν=0.3，密度7 850 kg/m3。地震荷載作用下，復(fù)合基礎(chǔ)與土相互振動(dòng)激發(fā)的應(yīng)力波傳輸?shù)竭吔绾髸?huì)反射，從而影響計(jì)算精度，合理選擇模型尺寸可以減小邊界效應(yīng)的影響。借鑒曹維科[15]的研究經(jīng)驗(yàn)，選取土體計(jì)算模型長50 m、寬25 m、深20 m。Flac3D的基本原理是通過求解運(yùn)動(dòng)方程來解決準(zhǔn)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，這兩類問題都涉及到阻尼問題，只不過對于靜力學(xué)問題需要設(shè)置更多的阻尼來使得模型快速達(dá)到收斂狀態(tài)，對于動(dòng)力學(xué)問題，只要選擇合適的阻尼形式和阻尼參數(shù)即可描述土體和復(fù)合基礎(chǔ)在地震荷載下的動(dòng)力特性，因此土體選擇Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。土體彈性模量E=48 MPa，泊松比ν=0.3，體積模量K=E/3(1-2ν)、剪切模量G=E/2(1+ν)，土體參數(shù)及作用在基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)荷載列于表1，設(shè)計(jì)荷載作用方向如圖1所示。

表1 土體參數(shù)及設(shè)計(jì)荷載

1.2 阻尼的確定

Flac3D提供了三種阻尼形式，其中，瑞麗阻尼動(dòng)力計(jì)算時(shí)間步過小，計(jì)算負(fù)擔(dān)太重；軟件內(nèi)置的滯后阻尼采用幾個(gè)連續(xù)的函數(shù)來表征模量的衰減，阻尼系數(shù)獲取困難；局部阻尼的原理是通過在震動(dòng)過程中改變節(jié)點(diǎn)質(zhì)量達(dá)到體系的快速收斂，當(dāng)節(jié)點(diǎn)速度改變時(shí)即增加質(zhì)量，當(dāng)節(jié)點(diǎn)速度達(dá)到最大值或最小值時(shí)減小節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，整個(gè)過程中損失的能量ΔW與最大瞬時(shí)應(yīng)變能W的比值與頻率無關(guān)而與臨界阻尼比D相關(guān)，因此可得如下方程：

αL=πD

(1)

式中：αL為局部阻尼系數(shù)，D為臨界阻尼比。

由此可見，局部阻尼系數(shù)獲取方便，不需要設(shè)置額外的參數(shù)。且對于Mohr-Coulomb材料而言，塑性流動(dòng)可以耗散大量能量，選取額外的阻尼對于計(jì)算結(jié)果并不是那么至關(guān)重要[16]。因此本模型選擇局部阻尼，對于巖土類材料，臨界阻尼比D一般取2%～5%，參考前人的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)[17]，臨界阻尼比取5%，局部阻尼為0.157 1。

1.3 邊界條件

數(shù)值計(jì)算模型動(dòng)力邊界選擇自由場邊界，其原理如圖2所示，在模型的邊界處分別設(shè)置切向和法向阻尼器以吸收邊界處的反射波，模擬無限邊界模型效果，自由場模型包括四個(gè)側(cè)面以及四個(gè)角點(diǎn)處的自由場網(wǎng)格，側(cè)面網(wǎng)格與主體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間是一一對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。主體網(wǎng)格的側(cè)向邊界通過阻尼器與自由場網(wǎng)格耦合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了邊界條件的模擬，如果地面沒有結(jié)構(gòu)物，主體網(wǎng)格和自由場網(wǎng)格一起移動(dòng)，側(cè)向阻尼器將不會(huì)產(chǎn)生作用，當(dāng)?shù)孛娲嬖诮Y(jié)構(gòu)物時(shí)，側(cè)向阻尼器將發(fā)揮類似于安靜邊界的效果，吸收結(jié)構(gòu)物震動(dòng)產(chǎn)生的二次波。自由場網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格的邊界上，所施加的力按照下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

圖2 自由場網(wǎng)格與主體網(wǎng)格示意Fig. 2 Schematic diagram of free field grid and main grid

圖3 自由場邊界示意Fig. 3 Free field boundary diagram

1.4 接觸面設(shè)置

采用“移來移去法” 建立接觸面，圖4為接觸面示意圖。Flac3D接觸面是由庫倫滑動(dòng)、拉伸強(qiáng)度和剪切黏結(jié)來描述的，接觸面單元的本構(gòu)模型如圖5所示，在每一個(gè)計(jì)算時(shí)步中，會(huì)計(jì)算出接觸面單元節(jié)點(diǎn)和所連接的目標(biāo)表面的法向變形絕對值和相對剪切速度，根據(jù)接觸面本構(gòu)模型，利用這兩個(gè)值可求出接觸面間法向力和剪切力矢量[18]。接觸面的法向彈簧剛度kn、剪切彈簧剛度ks、黏聚力c和摩擦角φ的取值參考文獻(xiàn)[17-18]，各參數(shù)列于表2。

圖4 接觸面示意Fig. 4 Schematic diagram of the interface

圖5 接觸面本構(gòu)模型Fig. 5 Constitutive model of the interface

表2 防沉板和樁基礎(chǔ)接觸面參數(shù)

1.5 地震波的選取與輸入

選擇EL Centro地震波作為本次模擬的動(dòng)荷載，加速度時(shí)程曲線如圖6所示，在0～2.14 s內(nèi)加速度達(dá)到峰值0.35g，5 s之后加速度逐漸減小，較大的加速度主要集中在0～5 s范圍內(nèi)，因此動(dòng)力計(jì)算至5 s結(jié)束。地震波中的高頻波段對模型網(wǎng)格的最小尺寸有重要影響，過小的網(wǎng)格會(huì)直接限制了計(jì)算效率，因此采用Flac3D內(nèi)置的Dynamic Input Wizard功能模塊過濾掉地震波的高頻部分，同時(shí)對計(jì)算結(jié)果又不會(huì)造成顯著影響。濾波完成后，對速度時(shí)程曲線和位移時(shí)程曲線進(jìn)行基線平衡，避免動(dòng)力計(jì)算結(jié)束時(shí)模型內(nèi)部仍有殘余的速度與位移。土體模型底部為基巖，彈性模量E=1.28 GPa，泊松比ν=0.29，屬于剛性基礎(chǔ)，可不設(shè)置安靜邊界條件，直接將加速度施加在模型底面[19]，計(jì)算深度為20 m。

圖6 EL Centro地震波加速度時(shí)程曲線Fig. 6 Time-history curve of EL Centro wave acceleration

1.6 算例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證自由場邊界和地震波輸入方式的合理性，選取50 m×25 m×20 m土體模型進(jìn)行計(jì)算，模型底部為1 m厚的巖石，上部為土體，土體、基巖力學(xué)參數(shù)同前。采用線彈性本構(gòu)模型，四周為自由場邊界，在底部施加剪切脈沖波：

(3)

式中：v為施加的脈沖波速度，t為動(dòng)力時(shí)間。

剪切波在土體中的傳播速度按照下式計(jì)算，脈沖波由底部傳輸?shù)巾敳克璧臅r(shí)間為0.185 8 s。

式中：Cs為剪切波波速，其余參數(shù)意義同前。

算例計(jì)算時(shí)間為1 s，分別監(jiān)測模型底部、頂部的速度，其速度時(shí)程曲線如圖7所示，脈沖波從模型底部向上傳播，在0.1 s時(shí)底部速度達(dá)到峰值0.05 m/s，約經(jīng)過0.181 3 s傳播到模型頂部，在0.293 2 s處頂部速度達(dá)到峰值，頂部因是自由界面脈沖波向下反射，從而速度峰值放大了2倍。在0.2 s之后，底部速度為零，頂部約在0.7 s出現(xiàn)第二個(gè)峰值，其原因?yàn)槊}沖波傳播到基巖與土體分界面時(shí)發(fā)生反射，反射的脈沖波向上傳播再次到達(dá)頂部。由此可見，設(shè)置自由場邊界并以速度的方式施加地震波是合理的，具有較高精度。

圖7 模型底部、頂部的速度時(shí)程曲線 Fig. 7 The velocity time history curve at the bottom and top of the model

2 動(dòng)力反應(yīng)特性對比分析

2.1 復(fù)合基礎(chǔ)加速度時(shí)程曲線對比分析

圖8是三種復(fù)合基礎(chǔ)位于防沉板中心點(diǎn)處的加速度時(shí)程曲線，對比發(fā)現(xiàn)，三種復(fù)合基礎(chǔ)的加速度時(shí)程曲線變化規(guī)律基本一致，加速度峰值約為輸入地震波加速度峰值的4倍，且峰值加速度均為瞬時(shí)加速度，說明地震波在向上傳播的過程中被放大；瞬時(shí)加速度存在的原因?yàn)橥馏w底部存在模量較大的巖石[19]。

圖8 不同樁長下復(fù)合基礎(chǔ)的加速度時(shí)程曲線Fig. 8 Acceleration time-history curve of composite foundation under different pile lengths

與模型底部輸入的地震波相比，三種復(fù)合基礎(chǔ)頂部加速度達(dá)到峰值時(shí)間有一定延遲，輸入地震波在2.14 s處達(dá)到峰值，而樁長為4 m、6 m、8 m的復(fù)合基礎(chǔ)頂部到達(dá)峰值加速度的時(shí)間分別為2.18 s、2.15 s、2.14 s，樁基礎(chǔ)越長，復(fù)合基礎(chǔ)頂部到達(dá)峰值加速的延遲越小，其原因是在土層參數(shù)和震源能量相同的情況下，刺入土層的樁越長，震動(dòng)能量越早的傳播到復(fù)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系中。在黏土場地上，土層對高頻地震波具有過濾作用[17, 19]，而防沉板幾何中心點(diǎn)處的加速度時(shí)程曲線高頻部分多于輸入地震波，原因?yàn)槎鄠€(gè)樁基礎(chǔ)之間的震動(dòng)響應(yīng)相互影響所致。三種復(fù)合基礎(chǔ)頂部的加速度放大系數(shù)分別為4.129、3.585、3.332，隨著樁長的增加，防沉板頂部加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，但減小的幅度隨著樁長增加而降低，說明在地震荷載作用下，增加樁長可以一定程度提高復(fù)合基礎(chǔ)的抗震性能；針對南海該特定工程，簡單的增加樁長對于提高復(fù)合基礎(chǔ)抗震性能意義不大，應(yīng)當(dāng)將樁長控制在6 m以內(nèi)比較合理。

2.2 復(fù)合基礎(chǔ)位移時(shí)程曲線對比分析

圖9是三種復(fù)合基礎(chǔ)在防沉板幾何中心點(diǎn)處的x向絕對位移曲線，三種復(fù)合基礎(chǔ)的位移響應(yīng)趨勢基本一致，其絕對位移值大小順序在不同時(shí)域呈現(xiàn)不同規(guī)律。仔細(xì)對比發(fā)現(xiàn)，由于土體的滯后性，復(fù)合基礎(chǔ)的位移響應(yīng)幾乎總是滯后于輸入地震波位移。HSF-Ⅰ、HSF-Ⅲ兩者的x位移響應(yīng)一致性較高，在水平移動(dòng)方向轉(zhuǎn)變處幾乎總是產(chǎn)生更多的附加位移，其原因?yàn)椋簭?fù)合基礎(chǔ)受到三維組合荷載作用，在地震荷載作用下，當(dāng)樁長為4 m時(shí)，樁基礎(chǔ)的嵌固作用較弱，復(fù)合基礎(chǔ)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了附加的x位移，該現(xiàn)象可從圖11復(fù)合基礎(chǔ)z向位移時(shí)程曲線得到驗(yàn)證，HSF-Ⅰ的z位移上下波動(dòng)，說明復(fù)合基礎(chǔ)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)；當(dāng)樁長為8 m時(shí)，樁長的增加不僅使得震動(dòng)能量快速傳播到復(fù)合基礎(chǔ)(圖8所示)，而且HSF-Ⅲ高度增加且樁土模量差較大，HSF-Ⅲ基礎(chǔ)搖振劇烈。

圖9 復(fù)合基礎(chǔ)x向絕對位移時(shí)程曲線Fig. 9 x displacement time history curve of composite foundation

為了量化三種復(fù)合基礎(chǔ)的位移響應(yīng)，以HSF-Ⅰ的位移為基準(zhǔn)，分別將HSF-Ⅱ、HSF-Ⅲ的位移與之作差，如圖10所示，Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ分別表示樁長為6 m、8 m時(shí)與樁長為4 m時(shí)復(fù)合基礎(chǔ)的x向相對位移差，在0～1.68 s，相對位移差在1 mm以內(nèi)，在1.68 s之后，隨著地震波加速度的增大，相對位移差逐漸增大。對比分析發(fā)現(xiàn)，與Ⅰ-Ⅲ曲線相比，Ⅰ-Ⅱ曲線的震動(dòng)波幅較大，與樁長6 m的復(fù)合基礎(chǔ)相比，當(dāng)樁長為8 m時(shí)，復(fù)合基礎(chǔ)在x方向的位移響應(yīng)值減小約3～4 mm，說明復(fù)合基礎(chǔ)在x向的位移響應(yīng)值對樁長敏感，存在最優(yōu)的樁長可使得復(fù)合基礎(chǔ)水平搖擺程度最低。

圖10 復(fù)合基礎(chǔ)x向相對位移時(shí)程曲線Fig. 10 x displacement time history curve of composite foundation

圖11是三種復(fù)合基礎(chǔ)在防沉板幾何中心點(diǎn)處的z方向位移時(shí)程曲線，對比分析發(fā)現(xiàn)三種復(fù)合基礎(chǔ)在z方向的位移響應(yīng)規(guī)律基本相同，復(fù)合基礎(chǔ)在地震荷載作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)的附加沉降，即震陷[12]。在0～1.6 s，由于地震波加速度較小，土體的地震響應(yīng)較小，復(fù)合基礎(chǔ)的z向位移增加緩慢，在1.6～2.14 s，隨著地震波加速度增大，復(fù)合基礎(chǔ)的z向位移響應(yīng)值快速增加，在2.14 s地震波加速度達(dá)到峰值，樁長為6 m、8 m的復(fù)合基礎(chǔ)的附加沉降約達(dá)到11 mm，而樁長為4 m的復(fù)合基礎(chǔ)豎向位移有較大波動(dòng)。地震波峰值過后，三種復(fù)合基礎(chǔ)的z向位移仍有所增加，但增長幅度不大，說明基礎(chǔ)震陷在地震波加速度達(dá)到峰值時(shí)已基本完成，峰值過后不規(guī)則荷載所引起的附加沉降只占很小的部分。對比研究發(fā)現(xiàn)，HSF-Ⅱ的震陷量同比最小，z向絕對位移與樁長不具單調(diào)關(guān)系，其原因?yàn)椋篐SF-Ⅰ由于樁長較小而震動(dòng)劇烈，對下部土體擾動(dòng)影響較大，從而產(chǎn)生較多沉降；HSF-Ⅲ除了上述搖振現(xiàn)象劇烈外，還由于其樁基較長，樁基礎(chǔ)分擔(dān)了更多的外加荷載，當(dāng)持力層受到持續(xù)擾動(dòng)時(shí)，樁基下沉產(chǎn)生更多的豎向位移。

圖11 復(fù)合基礎(chǔ)z向位移時(shí)程曲線Fig. 11 Time-history curve of z-direction displacement of composite foundation

2.3 土體動(dòng)力反應(yīng)特性分析

為了研究地震荷載作用下復(fù)合基礎(chǔ)—土體系相互作用規(guī)律，分析土體的加速度數(shù)值響應(yīng)差異，分別在近場、遠(yuǎn)場及不同埋深處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)方位如圖12所示。三種復(fù)合基礎(chǔ)不同埋深處內(nèi)場、近場及遠(yuǎn)場土體的加速度時(shí)程曲線如圖13所示，加速的峰值列于表3。

圖12 監(jiān)測點(diǎn)布置Fig. 12 The arrangement of monitoring location

表3 不同位置處土體加速度峰值

圖13(a)、(b)、(c)分別為內(nèi)場、近場及遠(yuǎn)場地表土體加速度時(shí)程曲線，對比圖13(d)、(e)埋深4 m處的加速度時(shí)程曲線發(fā)現(xiàn)，地表處的加速度峰值均大于輸入地震波和埋深4 m處土體的加速度峰值，說明地震波在傳輸過程中被不斷放大，這與上述結(jié)論一致；受防沉板震動(dòng)的影響，三種復(fù)合基礎(chǔ)內(nèi)場地表土體加速度峰值分別為15.56 m/s2、13.04 m/s2和12.56 m/s2，明顯大于近場及遠(yuǎn)場地表土體；并且防沉板、土體模量相差較大，內(nèi)場地表土體加速度峰值大于防沉板幾何中心處。不同樁長下，遠(yuǎn)場地表處土體的加速度峰值均大于近場土體，其原因是樁基礎(chǔ)的嵌固作用把防沉板頂部震動(dòng)能量傳輸?shù)搅松顚油馏w，從而距離復(fù)合基礎(chǔ)較近的近場土體的震動(dòng)受到抑制，遠(yuǎn)場土體因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)，能量傳播不受限，所以加速度峰值較大。在埋深4 m處，不同樁長復(fù)合基礎(chǔ)內(nèi)場土體的加速度峰值分別為8.57 m/s2、6.98 m/s2、7.39 m/s2，對于遠(yuǎn)場土體處這一數(shù)值分別為9.36 m/s2、7.87 m/s2、8.07 m/s2，遠(yuǎn)場土體的加速度峰值均大于內(nèi)場土體；并且當(dāng)樁長為6 m時(shí)，復(fù)合基礎(chǔ)的內(nèi)場和遠(yuǎn)場土體加速度峰值均最小，原因考慮為HSF-Ⅱ的對周圍土體擾動(dòng)較小，再次驗(yàn)證上述結(jié)論。

2.4 樁身內(nèi)力對比分析

動(dòng)力時(shí)域內(nèi)各樁樁頂與防沉板連接處的彎矩變化如圖14所示，對比分析發(fā)現(xiàn)，不同樁長下樁—板連接處的彎矩變化規(guī)律基本一致。在靜荷載作用下，位于荷載作用方向前端的1號(hào)樁、4號(hào)樁樁頂彎矩均大于2號(hào)、3號(hào)樁；由于樁長增加，荷載作用力臂變長，HSF-Ⅱ和HSF-Ⅲ的樁頂彎矩均大于HSF-Ⅰ。在地震荷載作用下，三種復(fù)合基礎(chǔ)的樁頂彎矩最大處均為1號(hào)樁與防沉板連接處，選取荷載時(shí)程為2 s時(shí)結(jié)果進(jìn)行分析，三種樁長下復(fù)合基礎(chǔ)的樁頂彎矩分別為249 kN·m、427 kN·m、525 kN·m，相較于HSF-Ⅰ，HSF-Ⅱ、HSF-Ⅲ的1號(hào)樁樁頂彎矩增加了71.48%、110.84%，因此對于長樁復(fù)合基礎(chǔ)，應(yīng)該在樁—防沉板連接處增設(shè)加固裝置。

圖14 動(dòng)力時(shí)域內(nèi)樁頂彎矩Fig. 14 Bending moment of pile top in dynamic time domain

3 結(jié) 語

基于Flac3D有限差分軟件，建立了防沉板—樁復(fù)合基礎(chǔ)模型，土體選擇Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型底部輸入EL Centro地震波，分析了南海某工程中不同樁長的復(fù)合基礎(chǔ)在動(dòng)力時(shí)域的地震反應(yīng)特性，結(jié)論如下：

1) 隨著樁長的增加，防沉板頂部加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢，減小的幅度隨著樁長增加而降低，在該工程背景下，應(yīng)當(dāng)將樁長控制在6 m內(nèi)比較經(jīng)濟(jì)合理。

2) 地震荷載作用下，復(fù)合基礎(chǔ)在x方向的位移響應(yīng)值對樁長敏感，當(dāng)樁長為6 m時(shí)復(fù)合基礎(chǔ)水平振動(dòng)程度最弱；隨著地震波加速的增加，復(fù)合基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生震陷，加速度峰值過后，沉降基本穩(wěn)定，z向絕對位移與樁長不具單調(diào)關(guān)系，樁長為6 m時(shí)震陷量同比最小。

3) 由于樁基礎(chǔ)的嵌固作用，距離復(fù)合基礎(chǔ)較近的土體加速度響應(yīng)值小于遠(yuǎn)場土體。當(dāng)樁長為6 m時(shí)，復(fù)合基礎(chǔ)對周圍土體擾動(dòng)最小。

4) 地震荷載作用下，樁基礎(chǔ)與防沉板連接處彎矩值會(huì)增大，此處容易產(chǎn)生破壞。

當(dāng)土體為飽和狀態(tài)時(shí)，在地震荷載作用下，土體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，從而對土體的強(qiáng)度和剛度、防沉板—樁復(fù)合基礎(chǔ)與土的接觸剛度等產(chǎn)生較大影響，因此，后續(xù)可考慮飽和黏土的孔隙水壓力變化規(guī)律，開展防沉板—樁復(fù)合基礎(chǔ)與土相互作用的流固耦合分析，以研究飽和黏土超孔隙水壓力的變化對防沉板—樁復(fù)合基礎(chǔ)地震反應(yīng)特性的影響，從而為該區(qū)域工程建設(shè)提供理論參考。