[发明专利]地震过程中覆盖粘土层的液化场地桥梁桩基荷载—位移关系估算新方法

摘要

为了提供一种建立覆盖粘土层的液化场地桩‑土动力相互作用荷载‑位移方法，解决建立动力荷载‑位移过程中求解土反力的精度差的缺陷，还能有效地获得桩土相对作用位移y，保证得到覆盖粘土层的液化场地桩‑土动力相互作用荷载‑位移的正确性，本发明给出了一种覆盖粘土层的液化场地桩‑土动力相互作用荷载‑位移建立的新方法，它涉及一种岩土工程领域中求解桩‑土动力相互作用荷载‑位移的技术途径，主要涉及(1)动力荷载‑位移建立基本理论；(2)土层分界处桩的弯矩内插函数处理方法；(3)桩‑土动力相互作用力的计算；(4)桩的侧向动位移求解及(5)确定桩土相对动位移等五部分内容。

主权项

1.一种地震过程中覆盖粘土层的液化场地桥梁桩基荷载－位移关系估算方法，它由五部分组成：(1)动力荷载－位移基本理论；(2)土层分界处桩的弯矩内插函数处理方法；(3)桩－土动力相互作用力的计算；(4)桩的侧向动位移求解及(5)桩土相对动位移的确定；所述的五部分具体如下：(1)动力荷载－位移基本理论根据侧向桩－土相互作用力及桩的变由梁的基本理论，通过沿着桩身分布的弯矩M(x)记录反算得到：式中，p为桩侧土反力，y_pile为桩的变位，EI为桩的抗弯刚度，x为土层埋深，地表处x＝0；为了进一步得到桩－土动力相互作用荷载－位移，还需要求解桩的侧向动位移y，土层位移y_soil通过土层加速度记录积分得到；(2)土层分界处桩的弯矩内插函数处理方法为了处理土层分界处桩的弯矩，在桩上靠近土层分界线上下位置布置两对应变片；由于应变片本身长，考虑实际操作过程偏差，将位移土层分界线以上应变片位置x坐标取为一个值，土层分界线以下应变片位于另一坐标值；(3)桩－土动力相互作用力的计算基于三次多项式对每一连续的五节点区间内弯矩拟合并求解中间点微分值的方法，计算土反力时程，步骤如下，1)采用三次多项式拟合第一个5节点区间内弯矩值；2)对上述三次多项式二次微分，确定出第一个5节点区间内桩上线性的土反力分布；3)求解第一个5节点区间内中心点位置的函数值并得到该位置的土反力；4)通过向上或向下移动一个节点组建下一个5节点区间，重复上述过程；5)求解前一个、当前和后一个5节点区间的中间节点处函数值；6)通过平均由三个线性函数在中心点处的值得到土反力最终值；为了求解桩上的土反力时程，需要求解每一时刻土反力，并在计算程序中实现；为了使得桩的最上部或最下部弯矩节点能够处于拟合多项式中心之上，需要在土层之上或桩端以下桩上分别额外增加两个虚拟节点；对于离地表处桩最近的两个测点，采用外推弯矩方法确定桩上土反力；上部结构处桩的弯矩为零，地表处桩的弯矩通过试验方法直接实测得到，为已知量；因此，从上部结构处到地表之间桩的弯矩保持线性变化关系，便可确定距离地表处桩到上部结构处之间等间距相邻两点的弯矩；若地表处桩的弯矩未知，采用迭代方法求解桩的弯矩；为了合理地确定桩端部以下桩上两个虚拟节点的弯矩值，采用迭代误差最小化的修正曲率－面积方法；具体为：首先，给虚拟节点赋予任一弯矩值；接着，采用上述三次多项式方法计算出相应的土压力；随后，将土反力代替测得的曲率应用到曲率－面积方法中，这样反算得到桩的弯矩；最后，通过迭代方法保证测得的弯矩与反算出桩上弯矩之差平方的总和最小化，即可以确定虚拟节点的弯矩值；(4)桩的侧向动位移求解为了使得内插桩的弯矩数据产生较小误差，采用公式(3)～公式(6)计算桩的侧向位移；通过曲线上点P和点P'的切线在C点竖直线上截取长dt的一段线段，给出了竖直平面内点D相对点C相对的水平变位t_C/D，表示如下：t_C/D为D点相对点C的切线偏离量，x₁为积分单元dx与计算点之间距离；桩尖相对土箱位移为零且有一初始倾角，则桩的侧向动位移y等于曲率图上点C与点D之间面积相对于计算点的一阶惯性矩；曲率图面积计算中，节点之间采用线性线段插值；上述确定桩的侧向动位移求解的方法为分段双重积分法，依赖于桩的边界条件；(5)桩土相对动位移的确定通过土层中记录了自下而上不同深度处远场土层的加速度时程；根据加速度时程，通过双重积分得到不同深度处砂层位移时程；对于任一时刻，根据不同深度砂层位移，通过二次多项式拟合表示任一深度处砂层位移；按照最小二乘法，拟合位移计算值与试验值之间误差平方最小，求出待定系数的最佳逼近值；据此，可以确定任一深度处砂层位移反应，进而得到桩土相对动位移。