基于弯矩指标的桩基抗震性能及工程应用研究

When earthquake occurrs,dynamic interaction between pile and surrounding soil will cause additional seismic bending moment（or internal force） along pile which bear certain loading submitted from superstructure,this kind of bending moment is closely associated with earthquake magnitude,loading level applied onto pile head,pile stiffness as well as soil properties, etc. Investigating characteristics of pile seismic bending moment and its influence factors is very important for seismic resistance design and engineering budget.Currently,most research on dynamic interaction between pile and soil focus on the seismic analysis of superstructure, research methods are always limited to numerical simulation and simplified methmatic and physical model analysis, which neglects seismic resistance design of pile itself(up to date,seismic resistance method for pile foundation mainly based on static modification coefficient or other reduction way)；In most of seismic design codes，the consideration of seismic resistance of pile foundations was not included；moreover,studies on this subject available is very premature and limited, all of these leads to the uncertainty and conservative in pile seismic design.This study will conduct centrifuge shaking table test,numerical simulation using ABAQUS,as well as theoretical analysis to investigate internal force characteristics especially peak value of bending moment and influence factors of pile foundation during earthquake,and will present design charts for practical engineering, which can be easily used by technician. Results acquired from this study try to solve the problem that until now there are no pratical and valid design charts in the area of seismic resistance for pile foundation.

地震发生时，既承一定上部结构荷载的桩基由于与土的动力相互作用致使桩基沿整长产生地震附加弯矩(或内力)，它与地震强度、桩端荷载、桩体刚度及地基土性等因素密切相关，合理地确定桩基弯矩规律及影响因素的作用程度对其抗震设计和节省造价意义重大。目前国内外对于桩－土动力作用的研究大多侧重于对上部结构的地震响应分析上，研究手段往往局限于数值计算及简化数理模型的理论分析，忽略了桩基本身的抗震研究（如采用基于静力设计的动力系数或其它折减方法）；诸多设计规范中也缺乏统一成熟的桩基抗震之科学依据；加之现有研究成果非常有限，也不成熟，不完善，一并造成目前桩基抗震设计的盲目性和保守性。本研究将通过开展离心机地震模型试验、ABAQUS数值计算和理论分析对地震作用下桩基设计中的内力规律尤其是最大弯矩及其影响因素开展系统研究，并以设计图表简洁表达，为工程技术人员方便采用，一定程度上可解决桩基抗震设计中缺乏科学依据的瓶颈。

桩基工程是一种广泛应用于软土地区的高重建筑物基础形式，长、大、密、变以及赋存岩土环境复杂等因素使得现今各类设计规范难以涵盖，尤其是针对其抗震性能的研究及安全设计仍处于一个探索发展阶段。项目持续三年来，以桩基地震弯矩为主要指标，通过理论计算分析以及离心机-振动台动力试验，已完成的主要研究内容包括：①地震作用下软弱土的地震软化本构模型开发，并可串联至ABAQUS进行调用计算；②各类桩基的地震附加弯矩特征及其与与地震强度、桩端荷载、桩体刚度及地基土性等因素的影响关系；③基于既有研究样本提出了基于最大抗震弯矩指标的各类桩基抗震设计图表；④研究了不同桩基形式的桩基弯矩规律，并提出抗震优化设计建议，含对桩间距、高低承台形式以及桩位角度的影响效应；⑤专门针对地震作用下软弱土的地震软化效应对桩基抗震性能影响效应给予了定量研究，并明确了软基弱化效应的敏感性程度。研究成果在学术内涵和研究深度上有一定创新，是土-结构动力相互作用研究领域的应用基础性研究分支，对各类工程的桩基抗震设计具有一定的指导性意义，并可及时将成果初步试用于工程实践，主要包括：① 对于我国日前建设完成的某一特大桥（泰州长江大桥）的主塔高桩基础的抗震性能给予设计指导，如高低承台影响效应，布桩及桩位等因素，并可对其他相似桥塔工程的密桩基础抗震设计给予借鉴；② 基于弯矩指标提出的简洁桩基抗震设计图表，可为工程技术人员方便采用，在一定程度上可补充我国现行规范尚无桩基抗震设计的明确表述；③明确提出了对于研究土-结动力相互作用机制的具体指标，包括结构内力(弯矩等)以及加速度反应谱，并可基于这两项指标深化对土结动作用机制的进一步研究，以形成机理上的系统认识；④由于研究地震问题的试验复杂，提出一种可充分考虑岩土体地震弱化下的较为可靠的数值计算分析方法（ABAQUS）,可在一定程度上节约研究费用及劳务成本。⑤结合福建莆田湄洲湾港口软基处理工程实践，初步对其大规模管桩设计给予设计建议，并从桩基方案和复合地基方案提供了技术与经济层面的对比分析，后期可继续从工程造价控制上对项目实施作细致针对性的研究。以上各项研究成果在一定程度上对现今我国各类桩基抗震优化设计具有重要参考价值。