对地震作用下山区斜坡桩基动力响应分析

对地震作用下山区斜坡桩基动力响应分析

黄圣棕

福建省地震局泉州基准地震台福建泉州362000

摘要：现阶段，我国的建筑技术水平有了很大的提高，推动了建筑工程行业的快速发展，使得路桥建设项目越来越多。但对于一些山区斜坡地区来说，其桩基动力难以测量，尤其是在地震的作用下，使其发生了更为明显的变化，对桩基的质量造成了严重的影响。对此，本文对地震作用下山区斜坡桩基动力响应进行了分析，探究了其中的原理，以供相关人员进行参考。

关键词：山区斜坡；桩基动力；抗滑桩；

引言

我国国土面积辽阔，但也是个多山国家，山地、丘陵、高原的面积占了国土面积的2/3以上。因此，使得我国很多地区都存在泥石流、滑坡等风险，尤其是在地震的作用下，会加大这类风险的发生几率，给路桥建设工程带来了很大的难度，影响了斜坡桩基的稳定性。对此，正确分析地震作用下山区斜坡桩基动力响应情况，有利于了解山区斜坡桩基的实际情况，从而制定正确的施工计划，有利于提高桩基质量，保障人们的生命财产安全，实现其应有的效益。

1.浅析山区斜坡桩基的承载情况

在进行桩基施工时，合理设计桩基的承载力有十分重要的作用，能有效保障工程的质量，提高其稳定性。但在实际施工中，现场施工环境比较复杂，使得桩基会受到内外部因素的影响，导致荷载力发生变化，从而出现质量问题。主要影响因素包括桩基自重、土体推力、水平荷载、冲击荷载等，都会影响桩基的实际承载值。

由于山区斜坡的特殊性，在进行桩基设计时，需要结合承载和抗滑两种技术理念，既可以使桩基承受垂直与水平方向的荷载，又可以承受土体的推力和反力。因此，相比于传统桩基的设计方法来说，山区斜坡桩基承载设计要更为复杂，施工难度高。我国关于这方面的研究比较少，针对这一问题，笔者对其受荷情况进行了分析，将横向受荷、竖向受荷、抗滑桩等进行了整合，以期为地震作用下山区斜坡桩基施工工作提供依据

1.1横向受荷桩机理

现阶段，横向受荷桩在我国得到了广泛应用，其承载能力强，能有效应抵抗外界因素的冲击。因此，可应用在海洋工程、滑坡防治等领域中。由于每个工程项目的施工条件不同，受荷因素也有所差异，主要包括材料、桩基截面尺寸、地质条件等，及时分析这些影响因素，并制定正确的施工计划，有利于保障桩基质量，提高其承载力[1]。

1.2倾斜荷载桩机理

通常情况下，倾斜荷载桩主要的受荷方向为水平方向和竖向，其受荷模式比较复杂，一旦出现倾斜受荷时，会使桩基出现位移、挠曲变形、弯曲等问题。在不同荷载的情况下，对桩基造成的破坏程度也不同，当水平荷载过高时，容易出现挠曲破坏、倾倒破坏等问题，当竖向荷载过高时，会发生刺入破坏、屈服破坏等问题。另外，当竖向和水平荷载同步增大或减小时，容易出现组合破坏或弯拉破坏的问题。

1.3承重桩机理

将承重桩建立在山区斜坡上时，受偏心荷载和土层分布荷载的影响比较严重，使其稳定性下降。因此，在进行承重桩施工时，应加强承重和防滑设计，使其具备多种功能，避免其他荷载因素对其质量造成影响。

2.模型数据选取

对于无限地基来说，合理确定边界条件是十分重要的内容，有利于施工人员精准控制数据范围，避免对模拟质量造成影响。当范围过大时，会加大模型建立的难度，使得计算工作更为复杂，而范围过小，使得模型不具备代表性，容易出现误差。同时，在对模型选取上，通常可以采用土体本构模型，能有效确定土体的动力情况，从而保障计算质量。在本构模型中，能直接反应土体的应力关系，通过实际结果来展现土体的力学性质。现阶段，我国在对土地动力进行分析时，可采用弹塑性和粘弹性理论模型，有利于针对不同情况来进行分析，以保障分析结果。当使用弹塑性本构模型时，需要考虑土体的实际情况，包括土的弹性数值和塑性增量等信息，并对这些数据信息进行计算。但需要注意的是，土体的变化情况比较明显，在控制增量信息时，应从产生的条件、变量大小等进行分析，并与流动准则、强化理论等进行整合，再利用MIDAS/GTS软件来分析，从而形成完整的弹性完全塑性本构关系。

在使用粘弹性模型时，需要考虑骨干曲线最大应力与应变之间的关系，有利于确定动应变的非线性特征。通常情况下，这种表现形式为滞回曲线，可通过对曲线上的点进行观察和分析，能实时确定应力与应变之间的关系，从而掌握其中的规律。这种模型方式的优势性比较强，在地震作用下，土地会发生快速运动状态，利用此模型，能直接确定土体的加速度以及剪应力等数值，从而了解详细数据信息，便于收集数据，以保障山区斜坡桩基的稳定性。

为了进一步保障模型的模拟效果，需要计算桩土与材料接触处所产生的作用力。一般情况下，桩土材料会存在明显的刚度变化情况，虽然会在接触面产生一些剪应力，但容易使材料发生不规则形变，并在土体自身力学的作用下，从而产生非线性的情况。因此，当桩基向土体传递能量时，大部分的能量都被消耗掉了，以形成相互作用力。另外，国内外专家学者对其相互作用力进行了大量的研究，并在现有模型的基础上加入了阻尼成分，能更加明显的展现桩土剪应力的非线性情况，从而有效提高模型的真实性[2]。

虽然本构模型有利于分析桩基与土地的应力情况，但仅限于理论上的分析，会与实际效果产生一定的误差。因此，在进行模型设计时，还需要将地震波加入到模型当中，以检测实际效果。在地震波的选择上，可用收集一些经典地震波段数据信息，有利于建立仿真模型。

在进行模型参数设计时，笔者结合文献资料，对桩土信息进行了设计。其中第一层粘土层的弹模为40000kN/m2，泊松比为0.27，摩擦为15°，粘聚力为35kN/m2。第二层粘土层弹模为50000kN/m2，泊松比为0.32，摩擦为20°，粘聚力为38kN/m2。风化岩弹模为200000kN/m2，泊松比为0.43，摩擦为21°。承台弹模为340000kN/m2，泊松比为0.35。另外，桩土的接触参数分别为切向刚度300、1500、2200kpa，粘聚力19、40、85kN/m2，法向刚度7500kpa，摩擦30、21、25°。

将其带入模型可知，对于有桩基的山区斜坡来说，大部分地区的水平位移、竖向位移等都都发生了明显的变化，正在逐渐缩小，而边角地区比较集中。之所以会产生这种原因，主要是因为在桩基的阻挡下，可对右侧土体进行防护的作用，虽然左上角地区仍存在位移变化，但有缩小态势。因此，桩基能有效起到斜坡保护的作用，有利于降低地震对山区斜坡土体的影响[3]。

3.地震波种类对桩基动力响应的影响

由于地震波的种类比较多，其构成形式复杂多样，对桩基的动力响应会造成不同的影响。因此，笔者利用Ansys软件来分析实际影响情况，以确保数据的精准性。

3.1模型建立

在利用Ansys软件时，需要建议一个有限元模型，传统的数据选取，需要考虑土壤、岩石等材料，但由于其受拉强度不固定，难以确保模型的真实性。因此，可使用D-P模型，需要将土体层划分为三个层次，从上到下分别为粘土层-粉质粘土-基岩。其中，桩基的弹模量为26000mpa，密度2600kg/m3，泊松比0.3。粘土层土体参数为：弹模量260mpa，泊松比0.5，粘聚力35kpa，摩擦25°，膨胀角23°。粉质粘土参数为：弹模量210mpa，泊松比0..5，粘聚力33kpa，摩擦18°，膨胀角17°。基岩参数为：弹模量2150mpa，泊松比0.4，粘聚力2300kpa，摩擦25°，膨胀角27°[4]。

另外，在对地震波的选择上，笔者采用2008年汶川8.0级地震，以及2011年日本福岛7.0级地震为例，从而获得地震波的详细信息。包括波长时间、加速时间等。

3.2数据分析

通过对模型分析可知，桩基对汶川地震波要敏感一些，但在两种波共同作用下，有部分点存在一致的情况，使得桩基水平方向的变化比较明显。之所以桩体的位置发生了明显的位移情况。是因为中层粉质粘土的弹模量比较小，无法有效固定桩基的位置。因此，不同地震波对土体的推力有不同的影响，但都会使桩体出现形变等问题。

结束语

在市场经济的发展下，使得建设项目越来越多，在山区斜坡处建立桩基是不可避免的问题。而我国多山地、丘陵，地震等自然灾害时常发生，给斜坡桩基施工带来了很大的难度。因此，需要分析斜坡桩基的受荷因素，了解各个桩基的承载机理，再利用本构模型来进行研究，能有效判断桩土的实际情况。有利于工作人员对存在的问题进行分析，采用先进的施工方法，以降低地震的影响，保障人们的生命财产安全。

参考文献

[1]梁昌玉，吴树仁，王涛.地震作用下节理岩体变形破裂机制研究进展及展望[N].工程地质学报，2016，24（06）：1247-1254.

[2]申通.汶川地震震中区斜坡崩塌发育特征及成因机制分析[D].成都理工大学，2015.

[3]胡文杰.地震作用下山区斜坡桩基动力响应研究[D].长沙理工大学，2013.

[4]李健全.液化大变形条件下桩—土相互作用的动力响应研究[D].合肥工业大学，2010.