非线性土壤条件下单桩地震反应外文翻译资料

 2022-06-13 23:01:37

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非线性土壤条件下单桩地震反应

R. Cairoa, E. Contea and G. Dentea

a University of Calabria, Dipartimento di Difesa del Suolo, Rende (CS), ITALY

引言：本文提出了一种分析非线性土壤条件下单桩地震响应的方法。此方法基于在时域制定的Winkler基础模型，利用Ramberg-Osgood关系描述的p-y曲线，对两层土层剖面进行分析，进而得到了不同的尖锐刚度对比。用此方法分析了意大利地震记录，并把计算的弯矩与其它理论解进行了比较。

关键词:土桩相互作用、弯矩、非线性行为

介绍

桩、土与支撑结构之间复杂的相互作用，对桩的抗震性能分析有很大的影响。特别是地震时土对地震波的反射、折射和辐射阻尼等现象，很大程度上影响了桩对地震荷载的响应。

换句话说，土层的特殊地层条件决定了地震运动的特征，影响了桩身嵌入的行为。加载模式是一个三维问题，地震波可能以不同的方向和不同的入射角度进行传播。此外，在严重的地震摇晃中，桩的行为呈非线性，土壤发生塑性变形并和桩分离进而导致桩的滑移和摩擦，这些情况都可能发生。

在这种情况下，试图找出一个综合而又严密，将土壤结构相互作用问题的所有方面都包含在内的解决方案是极其困难的。而有限元方案[1-5]提供了分析土壤结构相互作用的最强大和最通用的技术，考虑了土壤的非线性和异质性。虽然它非常昂贵，需要复杂的边界条件来模拟辐射阻尼。

从计算的角度来看，采用边界元法[6-8]会更有效。这种技术需要更少的离散化，而波向无限扩展的条件会自动得到满足。这在频域内通常是可行的。原则上，在假定土壤的线性行为的前提下其也是有效的。

在接近的方法中，基于Winkler基础模型[9-11]的方法尽管计算量不大，但结果相当准确。在时域内，它们允许利用单位荷载传递曲线(也称为aspy曲线)的方法，将土壤的非线性行为简单地纳入到计算[12-15]中，通常可以将土壤的非线性限制在桩周围的内场[16-18]。

本文介绍了由孔德和Dente[19, 20]开发的Winkler公式，并对单桩的地震响应进行了研究。土壤被假定为一个线性粘弹性介质或非线性材料。在此基础上，采用了基于Ramberg-Osgood模型的p-y曲线。分析了在最大弯矩条件下，土层对单桩响应的影响。所采用的方案和作为输入的地震运动是RELUIS研究项目的一部分。

理论分析

所使用的方法(图1)将桩作为长度L和直径d的线性弹性梁，离散成由弹簧和阻尼器连接到周围土壤的小片段，提供了横向上的相互作用力。弹簧刚度与土模量有关;使用系数c的缓冲器可以考虑材料和辐射的阻尼。所涉及的土壤性质为剪切模量Gs、泊松比Vs和质量密度rho;s，它们随深度而变化。

图一 在本文中用到的Winkler地基模型

公式表达如下

公式中t为时间，E为桩的杨氏模量即桩的惯性矩，m为单位长度的桩质量，yt是总位移，y为桩的弹性位移。p是单位长度土壤的位移，由公式提供。

yff是在规定的深度和时间内土壤的自由位移。刚度k可以表示为[13]

根据波传播所引起的应变级别GS，可以直接解释非线性效应。在线性土壤行为假设中，g与小应变剪切模量一致。系数[13]是桩弹性系数El/EsL4和桩长细比L/d的函数，是土的杨氏模量。

利用RambergOsgood本构定律[19]，对土壤的非线性和滞回特性进行了建模，并给出了其骨架曲线，公式如下

其中gamma;为剪切应变，t为剪切应力;gamma;y和ty是它们的参考值，所以ty/gamma;y等于Go。这一比值近似表明，当线性度开始显著偏离时。参数alpha;和R控制t-y曲线的形状，可以对其进行评估，以达到最适合实验数据的效果。使用Masing规则来描述滞后循环的卸载和重新加载分支。

土壤反应p2是辐射衰减的原因，可以用文献[21-23]中发展的近似关系来表达。不同的辐射阻尼对反应堆响应的影响的细节在这里并没有给出[19]。

为了解释弹性土壤条件下的材料阻尼，提出了一种voigt型粘滞阻尼模型如下

wn表示土壤的固有频率,和beta;s是土的阻尼比。

任意时间和深度的自由场位移都可以首先通过特征方法计算，然后求解得出桩侧位移。

案例和研究结果

本研究中所进行的分析是指一个长度为L=20 m、直径d=0.6 m、杨氏模量E=2.5#39;107 kN/m2、质量密度p=2.5 Mg/m3(图2)的单头固定头桩，桩嵌在一个刚性基岩上的两层土层中。层厚度假设为15米;Vs和Vs2分别为上、下层的横波速度;泊松比、质量密度和土壤阻尼比为:vs=0.4, ps=1.9 Mg/m3, beta;s=0.10。岩石的剪切波速为1200米/秒。较低层的剪切波速Vsi保持不变，等于400 m/s，而Vs的两种不同值被考虑，即100和150 m/s。在平均剪切波速F53o的基础上，分别得到160和218 m/s，根据Eurocode 8[25]，两种土壤剖面分别可分为地面型D型和C型。据意大利地震记录[26]，其比例为0.35g，被用作岩石水平的激励，假设仅由垂直传播的剪切波组成。

图2 soil-pile系统研究

首先考察了土壤的线性弹性行为。在桩的最大弯矩的包络线上给出了桩的响应。图3显示了在1976年Friuli (A-TMZ000)、1980年Irpinia (A-STU270)和1997年UmbriaMarche (A-AAL018)地震中记录的三种不同的加速度记录。

本研究计算的结果与Cairo和Dente[6]开发的边界元方法得到的结果进行了比较。尽管使用了不同的方法，但结果是非常令人满意的。正如所预料的那样，弯矩图在两层之间的界面上显示出明显的峰值。对应的值大于桩头的弯矩，根据刚度对比(对D土壤剖面Vs2/Vs1=4;对C土壤剖面Vs2/Vs1=2.67)和地震激励考虑。

采用Maiorano等[27]提供的土壤数据进行非线性分析，如图4所示，采用Gs/G0-y曲线。在这些数据的基础上，建立了Ramberg-Osgood模型的参数a和R，假设在软粘土上层和下层砾石层的参考应变gamma;y分别为0.5%和0.067%。具体地说，a=19.89和7 =2.33是粘土的特征值，a=17.11和R=2.09是砾石的特征值。

图3 不同的地震和两种土壤剖面在桩上的弯矩包络。

该桩在非线性土壤条件下的地震响应如图5所示。为了便于比较，本文还用有限元方法计算了由Maiorano等[27]计算的层界面和桩头的力矩。与线性弹性解一样，弯矩图在两层之间的界面处呈现出峰值。然而，一般来说，在上部较软的层中嵌入的部分会出现更大的弯矩。最后，值得注意的是，线性弹性分析导致低估了桩的最大弯矩。图5c中所记录的情况则是特例，非线性解决方案揭示了稍微不那么麻烦的解决方法。

图4 分析中使用的模量还原曲线。

结束语

本文提出了一种分析分层土中单桩地震反应的方法。它是在时域内利用基于Ramberg-Osgood模型的非线性p-y曲线作为一种动态分析winkler类型的方法。输入意大利地震记录进行分析并与其他现有程序进行比较，结果已得到满意的结果。此外，分析还强调了在地震荷载作用下土壤结构相互作用的非线性和滞后特性的重要性。

鸣谢

目前的工作是RELUIS研究项目“设计岩土系统的创新方法”的一部分，由意大利民事保护部(DCP)资助，并由意大利岩土技术协会(AGI)协调。作者希望感谢DPC和项目团队的协调者。

图5 弯矩的沿桩包络线

参考文献

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