地震作用下桩基础的受力特性与分析

文摘：桩基础是地震作用破坏影响最大的结构之一，对地震作用下桩基础受力特性进行深入的研究与分析，是预防地震灾害损失的有效途径。本文对桩基础在地震作用下的受力机理进行分析和研究。

关健词：地震;桩土作用;桩基础;特性分析

桩基础是承受较大荷载建筑物所普遍应用的基础结构，它有着承载力高、稳定性好、沉降量小、机械化程度高、适应性强等优点。但是近几年来地震灾害频繁，桩基础的地震反应直接影响到建筑物的安全性，对人们的生命财产也有着重要的影响。目前，采用有限元的计算方法可以模拟任意土层剖面，进行三维效应研究是一项较为有效的技术。

1地震中桩基础破坏的特性分析

1.1地震时桩基础的桩头部分由于受弯矩及剪力作用达到最大，容易产生严重破坏，在承台和桩连接处是地震的主要破害部位。产生破坏原因的可能性表现在：

1.1.1施工时桩头所埋入承台中的钢筋太少或者锚固的长度不够;

1.1.2施工时将钢筋的焊接接头设在了桩头部位，当剪力过大时容易导致接头处的钢筋发生断裂，产生桩头相对于承台的滑移;

1.1.3施工时桩头埋于承台的长度不足或者根本没有埋入，致使桩头与承台间出现施工缝，使抗剪力强度减弱。

1.2地震水平作用下桩基础的受力分析

1.2.1弯矩：地震水平作用力可导致桩基受弯，在基桩与承台的连接面及桩顶部位所受的弯矩最大;

1.2.2剪力：在地震的水平作用之下，建筑物的上部结构主要承受的是剪力作用。剪力能够通过承台以同样的大小传递至地下的桩基础上面;

1.2.3竖向轴力：地震发生时，除了地震横波会在水平方向产生振动之外，地震的竖向振动也会对结构产生竖向作用。

2基于有限元的桩基础地震受力模拟分析

2.1有限元分析方法的特点

有限元分析是指用较为简单的问题来代替复杂的问题来求解，它将求解域看成是由许有限元的，小的互连子域组成，并对每一单元假定一个较为简单的近似解，然后推导求出这个域总的结构平稳条件，从而得到问题的解。有限元不仅计算精度高，且能适应各种较为复杂的形状。近年来随着计算机技术的不断发展，有限元计算分析方法因为其方便性、实用性和有效性被越来越广泛的应用于结构工程的强度分析计算中。有限元方法与其它的求解方法根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。有限元将函数定义在简单几何形状的单元域上，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其它近似方法的特点之一。

2.2地震作用下桩-土动力相互作用下桩基础的受力分析

2.2.1分析模型及验证

现有的研究证明了在一定的条件下可将桩-土简化成二维模型，可采用有限元模型中的土体二维平面应变单元、桩的二维梁单元、桩-土间设置成界面单元。人工模型的土体底部采用固定边界、两侧采用自由边界，其中自由边界与桩边的距离为桩径的10倍。在分析过程中考虑到重力的作用，弹塑性分析中桩和土体都可采用基于Drucker2Prager屈服准则的弹塑性本构模型。阴尼可采用瑞雷阻尼，瑞雷阻尼系数可按第一和第二频率进行计算，并采用动力里程分析的方法进行分析。采用铰结模型、接触模型和简化模型三种模型进行分析和对比。简化模型可将桩周土表示为弹簧-质量(计算范围内土体质量)，弹簧系数以常系数法为基础，通过三种分析模型可得出桩的不同深度所产生的相对位移峰值和绝对加速度。从而进行变形和受力两方面的桩-土动力相互作用分析。分析时要考虑场地的均匀条件和水平成层条件。首先对桩基础的受力性能影响：通过分析可以发现桩身深度的不同剪力则不同，桩底的剪力最大而桩顶的剪力最小。弯矩的变化规律为深度不同弯矩则不同，桩底的弯矩最大，而桩顶的弯矩则最小，同时场地条件对桩身的弯矩影响较大。其次是桩身的变形影响：当桩顶的绝对加速度峰值最大时，桩底的绝对加速度峰值最小，同时不同场地条件对桩身的加速度影响也不同，场地的条件越差桩身的绝对加速度峰值较弱。

2.2.2结果分析：通过分析可得出的结论为：桩周土对桩身的受力和变形影响较大，要动力分析中，应该考虑到桩周土的影响。应用静力法的桩-弹簧模型进行桩的动力作用分析对桩来说不安全;桩和土体的弹塑性对桩身的动力性能会有一定的影响;同时场地的土体条件对桩的也有一定的动力影响，当土体较软时，桩身的受力就会越大，桩的侧移量就会越大，桩基础的破坏也就越大。

2.3液化滑移地层的桩基础受力分析

2.3.1液化滑移受力分析：由于导致液化滑移的不确定因素较多，所以解析的方法也存在固体理论、液体理论、混合理论等多种理论。通常情况下当存在厚度5m以上可能液体的砂土层，并且存在连续的水平方向水位线时;临海地区，堤岸前面地层和前面水底的高差在5m以上距离水位线在100m之内的地层需要进行液化滑移地层分析。目前国内通常采用两个阶段的方法分析，第个阶段可根据液化区域的滞后特点按照非液化的情况来进行桩基础的计算分析;第二阶段可假定震后出现全部液化现象，分析液化后的静载桩竖向承载力。一般情况下桩基础进行抗震设计时不考虑液化地层的滑移效应，并考虑其折减系数。在液化滑移地层中，破坏桩基础的关键问题是液化土层的侧向流动、土层刚度的突变、临界导的桩身弯矩和剪力破坏。进行分析时主要在于如何模拟相邻土层的侧向刚度突变和液化层的侧向滑移问题。目前应用的方法一般是，通过现场流动地层流动速度推定粘性系数的测定，使用雷诺数来进行估算范围推定滑移地层的抵抗系数，以确定流动外力的估计值。

2.3.2分析结果及处理方法：通过分析可知桩侧如果存在液化土层或者存在软土、硬土交界的情况，桩身的上部位以及地层发生突变的中段所产生的破坏结果较容易控制。在烈度的软土区桩基础非液化土层的软硬土层交界处或者液化土层位置会出现剪力与弯矩骤增的现象。设计时要着生控制桩顶端、软硬土层交界处、液化层。通过模拟可知液化层界面处的弯矩与桩顶处的弯矩值基本相似，设计时可增加桩身构造的配筋，且桩身的纵向钢筋可以从桩顶一直延伸到液化土的界面下2m以上;横向箍筋也可采用同相方法。另外在液化地层的桩基础施工阶段可考虑抛填石块的方法进行预处理。桩基础在地震作用下桩头与承台的连接处是薄弱位置，主要原因是桩头伸入承台太短，主筋甚至不伸入承台内部。地震是容易发生桩头与承台的错位、拔出、断裂等现象。设计时可增加桩内钢筋的伸出长度，并围绕桩头伸入基础的钢筋进行加设竖向配筋，以使桩头的嵌固较好。如果是空心桩桩头混凝土可填至基底标高，不宜过长。对于高烈度区液化、侧向流动现象对桩基础产生的破坏，可简化为土层强制变形对桩基础产生的破坏分析。

3结论

基于有限元的地震桩-土动力分析和液化地层模拟分析，是实现地震预处理设计的较为科学的方法，也是建筑工程技术需要深入研究的课题之一。有效、精确的地震作用分析对提高桩基础的抗震性能非常好的促进作用。

文献引用

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