土―桩―结构动力相互作用研究综述

Summary of Research of Seismic Soil-Pile-Superstructure Interaction

Cao Junping

（沧州水利工程处，沧州 061000）

（Water Conservancy Project Department，Cangzhou 061000，China）

摘要： 近年来，桩基础以其独特的优势在我国城市建设中得到广泛应用文章介绍了土―桩―结构动力相互作用研究的各类方法，并提出了未来发展趋势的展望。

Abstract: In recent years, pile foundation has been widely used for its unique advantages in China's urban construction. This paper introduced the Seismic Soil-Pile-Superstructure Interaction in different methods, and proposed future development prospects, and proposed the prospects in the future.

关键词： 桩基础 结构动力 解析法 数值离散法 频域 时域 数值 试验

Key words: pile foundation；dynamic；analytical method；numerical discrete method；frequency domain；time domain；value；test

中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）15-0112-01

0引言

桩基础的应用有着悠久的历史，近年来，随着我国城市建设的不断发展，桩基础以其承载力大、稳定性好、沉降小、能较好的适应各种地质条件和荷载情况等优点而得到广泛的应用于各种高、大、深的建筑物及海洋工程中。自70年代以来，一些重要工程，核电站、大跨度桥梁及软土地基上的高层建筑等如也越来越多的采用桩基础。但是，通过对近年发生于我国、墨西哥、日本、美国等地的大震研究，发现依然存在严重的桩基破坏现象。土―桩―结构动力相互作用的研究涉及岩土工程、地震工程和结构工程等多项领域，同时也包括非线性，接触面，能量场等诸多前言题。在目前的抗震工程设计中，普遍采用的是桩基与上部结构分割开来的分离设计方法，并未考虑土、桩、结构在地震作用下的耦合效应，这就造成了地震灾害下桩基的严重破坏。在地震荷载作用下，由于桩和结构的存在，地基土的运动明显不同于自由场地运动，土层对地震波的过滤和放大效应将会改变结构的地震响应特性，同时，地基的刚度和阻尼也会影响桩基和上部结构的承载和变形性态。相互作用效应使结构体系的自振周期延长，阻尼比增加，加速度减小，这是一个复杂的耦合体系的动力相互作用过程。只有考虑三者的相互作用，才能充分保证桩基设计的可靠性、合理性和经济性。这就促使桩―土―结构动力相互作用成为国内外工程界和学术界研究的研究热点。

1土―桩―结构动力相互作用研究历史和现状

关于土―桩―结构相互作用的研究可追溯至1904年Lamb基于弹性地基振动问题的分析。之后，1936在Reissner通过对Lamb解积分，等到简化边界条件下的刚性圆形基础板在竖向荷载作用下的振动问题的解，标志着土―桩―结构相互作用的研究的。目前，对为土―桩―结构动力相互作用研究的方法主要有以下几种：

1.1 解析法和数值离散法解析法通常是以线弹性或粘弹性均匀连续介质中的三维波传播理论为基础确定地基反力的。虽然这些方法可以较好的表现几何阻尼和土层的共振现象，但是无法反映界面上的几何非线，且仅适用于单桩。离散法可以看成是解析法的一种发展，其概念清晰，计算量相对较少。离散法是以Winkler地基梁模型为基础，用独立的弹簧和阻尼器来代替桩周土的阻抗效应，考虑到了土性沿深度方向上的变化同时也可以考虑材料的非线性。但与解析法一样，不能全面考虑桩-土界面的破坏。近年来，不断有学者对数值离散法进行改进和修正。Gazetas引入了Winkler地基梁模型和动力相互作用因子发展了非均质土层中的桩-土动力相互作用。范敏、解明雨和邬瑞锋在桩基高层结构的相互作用分析中引入了土的非线性性质。

1.2 频域和时域1972年Lysmer和Waas提出了一种能够用于坚硬基岩频域动力分析的吸收边界。1978年Dominguez第一次利用频域中边界元法得出明置或埋置于粘弹性半空间中的矩形基础的阻抗函数。频域法在建立与频率相关的阻抗函数较有优势，但在考虑土层及结构的非线性时存在不足。Naggar，karabalis，wolf和Song等学者在时频法中得到的成果。与频域法相比，时域法较适于非线性分析，故而越来越多的学者投入到时域法的研究中。

1.3 数值法随着有限元法、边界法的不断发展和成熟使数值法得以广泛应用。数值法将一定范围内的土体和桩视为一个整体，直接计算地震响应，并且可以处理任意荷载和较复杂地形，较好的模拟实际受力情况。数值法的局限性在于参数的确定，由于缺乏实际地基土参数，往往导致计算结果的可靠度不够，不利于实际工程的应用。

1.4 试验法桩―土―结构动力相互作用的研究大多集中在理论和数值模拟中，往往缺少相应的实验数据验证。如Gazatas和Markis所提出的轴向和侧向荷载下的动力相互作用分析方法，Gazatas，Fan，和Kaynial提出的桩间距及布桩方式对群桩动力响应的影响都还没有得到验证，所以，试验法的应用非常必要。但对于如此复杂的桩―土―结构体系进行原位动荷载试验不但周期长而且成本高，所以迄今为止获得的试验数据不多。目前主要的研究集中在振动台模型试验研究。总的来说，桩―土―结构动力相互作用的问题，由于该体系各部分间的共同作用都非常复杂，导致其总体分析难度加大。常用的方法为整体分析法和子结构分析法。整体法是把桩―土―结构视为一个共同体，整个建立模型进行数值分析；而子结构分析法则是先建立桩基阻抗模型以确定桩基动力阻抗最后在将其耦合于上部结构。

2发展趋势

经过多年来各国学者的不断努力，桩―土―结构动力相互作用的研究已经取得了长足的发展，但是由于该体系具有的复杂性及难模拟性使得该领域依然存在许多问题。①对桩―土―结构动力相互作用的分析进行非线性、三维的分析。组成该耦合体系的各个部分，尤其是在动荷载下，材料具有明显的非线性。在建立模型时，应选用便于使用非线性的方法。三维的，非线性的分析是该问题的发展趋势，同时也更符合实际情况。②桩―土界面的研究。现有有限元分析软件ANSYS及MSC.MARC软件中采用的接触原理主要是基于机械工程的接触理论的罚函数法和拉格朗日乘子法，无法反应桩―土动力中的能量耗散。还需要进一步研究其界面模型。③目前较多的研究还是单桩情况，对于群桩的研究也亟待加强。④对于动荷载试验数据的收集也是未来发展的趋势。理论的研究需要实验数据的支持和加强，目前，试验数据的记录还不够完善，应进加强利用现有数据，同时展开相应的研究。

参考文献：

[1]孙德森.土-结动力相互作用[D].大连理工大学博士学位论文，2005.

[2]方志，陆浩亮，王龙.土―结构动力相互作用研究综述[J].世界地震工程，2006，22（1），57-63.

[3]Kagawa T，Kraft L M.Seismic p-y response of flexible piles[J].J. Geotech.Eng.Div.，ASCE，1980，106（GT8）：965-978.

[4]张崇文，赵剑明，张社荣.桩―土作用的动力非线性翻译层单元法[J].岩土工程学报，1996，18（4）：1-10.