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国内外桩基非线性力学行为研究现状浅析


□ 郑 敏 谌 文

  摘要:通过阐述国内外对桩在动荷载作用下的非线性特性研究现状,说明在这个领域还有很多问题值得我们去研究。
  关键词:桩基;非线性;动荷载
  中图分类号:TU473.1 文献标识码:A
  
  1 引言
  
  桩基础是建筑物的一种重要的基础结构形式,其应用已有数百年的历史,仅就我国而言,据不完全统计,平均每年用桩量至少有百万根以上,费用约占工程总造价的25%。例如宝钢的第一、二期工程的桩基造价达10亿元以上。在高层建筑、重型厂房、桥梁、海上平台、水利设施和核电站等工程中都广泛地采用桩基础。在近海工程与海港工程中大量采用的桩基结构物在恶劣海况的强烈动载作用下会进入非线性状态并危及结构物的安全。因此,有必要对在动荷载作用下桩的非线性特性给予高度的重视,并深入开展这方面的研究。
  
  2 国内外对桩在动荷载作用下的非线性特性研究现状
  
  长期以来,人们主要靠定性分析、简化的数值分析和经验方法来解决实际问题。由于分析计算的精度很低,不得不通过大量的现场或施工摸索来逐步修正,以获得正确的设计方案和施工方法,实际花费的代价非常之大,至今仍有许多实际问题未得到解决[1-2]。
  国内外迅速发展起来的有限元方法和近年来迅速推广应用的有限元应用软件,可实现各类工程结构的应力场、应变场、温度场以及动力响应分析的定量计算,对施工中碰到的实际问题,可利用计算机进行模拟和优化,从而大大缩短了设计周期,提高了工程结构的稳定性和安全性,并对桩基在临界工作条件下桩和结构之间的相互作用有了一定的了解[3]。有限元方法在模拟承台-桩-土相互作用方面有独到之处,但仍存在不足,主要原因是网格的存在妨碍了处理与原始网格不一致的材料、几何大变形和边界移动等,特别是处理动力学问题时往往造成网格重构,不仅费时、费资金,而且会使计算精度受限,甚至会得出错误的结果。桩基的静力分析的理论体系和方法已有较丰富的结果,但桩基动力学的研究发展相对而言显得不足[4]。
  1987年Mizuno[5]综述了日本地震过程中的桩基破坏形式,例如振动效应,液化及运动等,在其它地区的地震记录中这些破坏形式也都能观察到。因此需要对桩基进行详细的动力学分析,以提供桩基设计的更适当的理论基础。关于桩基动力学行为的研究已有一些工作,其中上世纪九十年代前的主要工作被系统总结在Novak[2]的综述报告中,并给出了约150余篇参考文献,系统介绍了单桩和群桩在地震载荷作用下线性和非线性动力学的一些理论、计算方法以及一些定性的结论,并比较了各种理论的优缺点,考察了桩-桩,土-桩-承台,土-桩-结构,土的液化等影响。描述非线性岩土阻抗-挠度的模型己受到人们关注,1986年美国石油研究所详述了粘土和砂土的P-Y曲线,并指出了静态和循环加载的区别[6]。以后人们对P-Y曲线和桩的非线性响应之间关系进行了较深入的研究。
  桩土的作用一般是非线性的,基桩本身具有材料非线性;土实质上也是非线性的,其主要表现特征为双曲线等非线性特性。当桩土结构受外部干扰力的作用时,若设计不合理,可能导致桩进入失稳状态而危及结构物的安全。近几十年来,国内外土动力学,海洋动力学和基础工程界对桩土相互作用,桩土分担动载荷问题进行了探索,提出了一些理论分析和实验研究方法,包括工程实测方法,有限元分析方法等。各种方法各有利弊,实用范围也不尽相同,但都对桩土作用的非线性因素考虑得不全面。对于桩,一般采用弹性的或柔性的模型,桩身材料所具有的粘弹塑性及非线性滞后恢复力等却很少有研究。对于土,一般视为均匀的弹性半空间,弹性恢复力是随着深度而变化的线性函数,其刚度的非线性特征用P-Y曲线描述,对于土的非线性滞后恢复力的研究则很少见。对于桩土的相互作用,大都采用质量集中的方法,将整个系统看作由弹性连接的弹簧质量系统,采用线性处理的方法。即便有的工作考虑了非线性因素也只是做了数值计算,缺少非线性动力特性的理论分析。禹金云[7]曾分析了单桩在轴向扰力作用下的混沌运动;王腾等[8]曾得到了粘弹性桩纵向振动问题的积分变换解;Surie和Cederbaum、陈立群和程昌钧曾分析了粘弹性柱的稳定性和混沌运动,发现其中可以发生混沌运动。事实上,桩土相互作用的非线性十分明显,其研究己越来越受到人们的关注。
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