地震区非液化土地基桩基布桩方式优选研究陈崇栓

地震区非液化土地基桩基布桩方式优选研究陈崇栓

陈崇栓1杨希伟1于淼1毕常芸2

（1.同济大学地下建筑与工程系上海200092）

（2.上海鹏利置业发展有限公司上海200070）

【摘要】布桩方式对桩基础抗震性能具有重要影响，本文以松散砂土、中密砂土、密实砂土三种均质场地中4种不同布桩方式的独立墩桩基础为研究对象，通过数值模拟的方法基于同种场地竖向荷载保持不变的条件分别研究0.15g及0.3g地震动峰值加速度地震波作用下各桩基础的动力响应情况；对比分析各种布桩方式下桩身剪力、加速度、位移最大响应，结果显示两桩一承台及四桩一承台的抗震性能较好，三桩一承台抗震性能最差；最后总结出了各场地工况下的最优布桩方式。

【关键词】桩基；布桩方式；抗震性能；布桩优选

Optimizationstudyofpilesconfigurationonnon-liquefiedsoilinearthquakearea

ChenChong-shuan1YangXi-wei1YuMiaoBiChang-yun2

【Abstract】Pilesconfigurationhasimportantinfulenceontheseismicperformanceofpilefoundation.Thispaperstudiesthedynamicresponseoffourdifferentpilesconfigurationsinthreedifferenthomogeneoussitethroughthemethodofnumericalsimulation.Thebearingcapacitydesignvalueofthefourpilesconfigurationremainsconstantrespectivelyforeverysite,andeverymodelareresearchedundertwokindsofseismicpeakacceleration.Themaximumresponseofpilebodyshearforce,accelerationanddisplacementofthedifferentpileconfigurationsareanalysed,andtheresultsshowthattheseismicperformanceoftwoandfourpileconfigurationarebetter,theseismicperformanceofthethreepileconfigurationistheworst.Theoptimalarrangementofpilesunderseveralworkingconditionaresummarizedlastly.

【Keywords】Pilefoundation;Pilesconfiguration;Seismicperformance;Optimization

【中图分类号】TU753.3【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）20-0089-03

1.引言

桩基础承受横向荷载的能力较弱，特别在地震作用下桩基础表现的尤为脆弱，合理的布桩方式对桩基础抗震性能具有重要作用[1]。文献[2-6]通过模型试验或数值分析研究了不同岩土条件下各类布桩方式的桩筏基础或者复合地基承载性能。文献[7-8]对低承台群桩及高承台群桩进行振动台试验研究，比较了两者在可液化土中的抗震性能。文献[9-13]研究了不同布桩方式下群桩或者单桩的地震特性，认为在水平地震荷载作用下，增加桩基的刚度和数量不一定能改善桩基的受力，并且桩基的抗震性能受桩间距、布桩方式、岩土参数影响很大。

本文采用ABAQUS进行数值模拟，以松散砂土、中密砂土、密实砂土三种均质场地中4种不同布桩方式的独立墩桩基础为研究对象，基于同类场地竖向荷载保持不变的条件分别研究0.15g及0.3g地震动加速度作用下各桩基础的动力响应情况，对比分析各种布桩方式的优缺点，总结出三种场地下的最优布桩方式。

2.数值模型

2.1岩土参数

三种均质场地岩土参数如表1所示，D-P模型则具有良好的收敛性，并适用于单调加载、材料各向同性的三维单元问题，数值模拟选择D-P模型。

2.2桩基模型

桩基及墩的物理力学参数如表2所示；桩基选用30m的长桩，设定四种不同的布桩方式：两桩一承台（1×2）、三桩一承台（1×3）、四桩一承台（1×4）、五桩一承台（1×5）。四种布桩方式保证同种场地下竖向承载力相等，三种场地下桩基的承载力设计值分别是28000kN、40500kN、62000kN，四种布桩参数如表3所示。

2.3模型边界设置

无限地基的有限区域模拟需要解决边界上的波动飘移及反射效应，目前较科学且使用较多的是谷音等[14-15]提出的三维一致粘弹性人工边界，其基本原理是用等效实体单元代替弹簧及阻尼器单元组合元件，即在建立的有限元模型的外围附上一层一定厚度的实体单元，并将最外层边界固定，它克服了粘性边界引起的低频漂移，能够模拟人工边界外半无限介质弹性恢复性能，具有良好的频率稳定性。三维一致粘弹性人工边界参数计算如表4所示。

备注：是按规范计算的单桩水平承载力设计值（×106kN）；分别为0.15g、0.30g地震动输入下群桩中基桩的剪力最值（×106kN）。

由表5知，场地I在0.15g地震波作用下仅1×2、1×4布桩下桩身剪力小于水平承载力设计值，其余布桩中基桩均有剪切破坏的危险，尤其1×3布桩方式下基桩桩身最大剪力超过设计值约3倍。0.3g地震波作用下仅1×2布桩安全，其余布桩桩身最大剪力结果均超出水平承载力设计值。场地II在0.15g及0.3g地震波作用下仅1×4布桩下基桩桩身最大剪力小于水平承载力设计值，其余布桩下桩身均有破坏的危险，尤其是1×3和1×5布桩基桩所承受的剪力最值是设计值的2倍以上。场地III在0.15g地震波作用下仅1×4和1×5布桩下桩身剪力小于水平承载力设计值；0.3g地震波作用下仅1×4布桩桩身剪力最值小于水平承载力设计要求。

3.2结构加速度和位移分析

由于所有模型结构相对X、Y轴对称，地震波沿着X轴方向输入，桩的编号从模型XY水平面的左上角开始按逆时针编号，因此只取动力响应相异各桩分析。

3.2.1场地I抗震设防烈度7度（0.15g）

从图1（a）所示，1×2布桩墩底最大加速度响应最小，1×3布桩最大；1#桩顶位置加速度最值1×2布桩最小，1×5布桩最大。另外1×3布桩虽然1#桩顶加速度响应较小，但2#及3#桩顶加速度是1#桩桩顶的3倍多。1×5模型3#桩即中间桩桩顶最大加速度响应较小，但1#桩及2#桩顶加速度最大值达到3#桩桩顶的3倍多。从图1（b）可知，1×2布桩及1×4布桩墩顶、墩底、桩顶的最大位移响应基本相同，但位移值明显小于1×3、1×5布桩的位移最值。因此，场地I在7度设防下1×2布桩方式抗震性能最好；1×4次之。

在实际工程中，安全性优先于经济效益，1×2布桩最大加速度响应小于1×4布桩，但最大位移响应是1×4布桩的5倍；1×4布桩虽然剪力超过设计值40%，但设计一般会有安全储备。因此在场地I抗震设防烈8度下1×4布桩方式为最优布桩方式。

3.2.3场地II抗震设防烈度7度（0.15g）

从图3可知，1×4模型墩底最大加速度响应最小，1×5布桩最大；1#桩顶加速度1×2模型最小，1×5布桩最大。1×3布桩1#桩顶最大加速度响应较小，但其2#及3#桩顶加速度响应比1#桩顶大6倍。1×4布桩桩顶位置加速度响应较大，比1×2布桩大约2倍。最大位移响应1×2、1×4模型较为接近，约为0.1m；1×3与1×5布桩较大，是1×2布桩的7倍多。此外，1×4布桩桩身剪力小于水平承载力特征值，结构比较安全，造价较低。因此，场地II在7度设防的情况下，1×4布桩方式最优。

3.2.4场地II抗震设防烈度8度（0.3g）

图4（a）中，墩底位置最大加速度响应1×2与1×3布桩最小且相近，1×3布桩2#桩及3#桩顶最大加速度响应很大。1×4布桩桩顶最大加速度较大，与1×5布桩墩底及桩顶最大加速度响应相当。图4（b）最大位移响应1×4布桩最小，1×2布桩次之，1×3布桩及1×5布桩相近，但远大于前二者，是1×2布桩的3倍多。因此，在场地II中8度设防下1×4布桩为最优选择。

3.2.6场地III抗震设防烈度8度（0.3g）

图6显示墩底位置最大加速度响应1×2布桩最小，1×5布桩最大；1#桩顶加速度最大值1×3布桩最小，1×5布桩最大。1×3布桩2#桩及3#桩顶加速度响应很大。1×5布桩3#桩顶最大加速度响应很大。最大位移响应中，1×4布桩最小，1×2次之，1×3布桩及1×5布桩是前者的7倍左右。1×2模型最大加速度响应最小，但桩身最大剪力远大于水平承载力特征值。1×4模型最大位移响应最小，且桩身最大剪力小于水平承载力特征值；因此在场地III中8度设防下1×4布桩为最优选择。

结论

本文针对三种均质地基、4种不同的布桩方式，分别在两种地震动峰值加速度地震波下进行抗震数值模拟分析各布桩方式的地震响应特征，结论如下：

（1）通过4种不同布桩方式的动力响应发现，两桩一承台及四桩一承台的抗震性能较好，五桩一承台次之，三桩一承台抗震性能最差，实际工程尽量少采用。

（2）松散砂土在0.15g地震动峰值加速度（7度设防）条件下，优先选用两桩一承台的布桩方式，在0.30g地震动峰值加速度（8度设防）条件下，优先选用四桩一承台的布桩方式。中密砂土和密实砂土场地在0.15g、0.30g地震动峰值加速度下都应优先选用四桩一承台的布桩方式。

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作者简介：陈崇栓，男，1991年10月出生，陕西商洛人，同济大学土木工程学院2014级硕士研究生，主要研究方向为桩基抗震理论与技术方法。