一种基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法，包括基于场地条件，计算碎石桩置换率，在有限元软件中构建三维碎石桩

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法


[0001]本专利技术属于岩土工程抗震设计研究领域，更具体地，涉及一种基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法。

技术介绍

[0002]地震引起的砂土液化是工程中常见的灾害之一，地震中场地液化引起的变形通常会对结构和建筑物造成巨大的破坏。目前，减轻液化危害的方法有很多，如加固桩法、碎石桩法、胶结法和深层搅拌法等。在这些方法中，在可液化地基中设置碎石桩的有效性已被大量的历史案例所证明，碎石桩具有加密、加固、排水等优点，在抗震设计中已被广泛应用。因此，有必要提出一种可用于工程实践的碎石桩加固可液化土层地面侧移快速评估方法，为碎石桩的抗震设计提供指导。
[0003]针对碎石桩加固可液化场地的研究一般采用有限元分析法，以往在对碎石桩、土进行有限元建模时，通常假定土层为均质土层。例如，碎石桩
‑
土动力响应分析时常设置均质的松砂层、中砂层土体参数，这样设置可以提高计算效率并简化计算模型。而在工程实践中，土体参数的空间变异性普遍存在，对砂土层由液化引起的地面侧移有重要影响。为表征土体参数的空间变异性，需要在有限元软件中设置诸多非线性动力本构模型中经过试验校正的参数，但目前在不同标贯击数值下经过试验校正的本构模型参数较少。因此，鲜有研究将高斯随机场理论应用于碎石桩
‑
土动力响应分析中。考虑砂土层土体参数的空间变异性可计算给定场地、碎石桩设计条件下的地面失效概率，为选取合适的碎石桩置换率提供指导。因此，有必要开发一种能够快速评估给定设计条件下碎石桩加固可液化土层地面失效概率的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有方法的不足，提出一种基于高斯随机场理论的碎石桩加固可液化土层地面侧移评估方法。该方法可以计算在给定碎石桩置换率下地表可能出现的所有侧移值，并能够评估在给定场地，碎石桩置换率条件下的地面失效概率。
[0005]本专利技术提供一种基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、基于场地条件，计算碎石桩置换率；
[0007]步骤2、在有限元软件中构建三维碎石桩
‑
土动力响应模型，设置边界条件；
[0008]步骤3、基于高斯随机场理论，生成三维空间相关的标贯击数随机场；
[0009]步骤4、确定标贯击数随机场在有限元软件中材料参数；
[0010]步骤5、输入地震动激励，进行非线性有限元动力计算，监测和记录由液化引起的侧移；
[0011]步骤6、计算碎石桩加固可液化场地的地面失效概率。
[0012]进一步地，在步骤1中，碎石桩加固可液化土层水平面积为正方形，记录场地实测
数据，计算碎石桩置换率如下式所示：
[0013][0014]式中：d代表碎石桩的直径；S代表不同碎石桩中心距；A
r
代表碎石桩的面积；A代表总面积。
[0015]进一步地，在步骤2中，三维碎石桩
‑
土动力响应模型中对土层进行分层并设置碎石桩在可液化砂层中的位置，模型左右两侧设置周期性边界条件，模型底部设置固定边界条件。
[0016]进一步地，在步骤3中，根据现场标准贯入试验所得数据，确定各砂层的标贯击数均值，提取三维碎石桩
‑
土动力响应模型有限元坐标数据，依据高斯随机场理论，生成三维空间相关的标贯击数随机场，三维单指数自相关函数ACF可表示为：
[0017][0018]式中：τ
xij
＝|x
i
‑
x
j
|和τ
yij
＝|y
i
‑
y
j
|表示三维坐标系中坐标分别为(x
i
,y
i
,z
i
)和(x
j
,y
j
,z
j
)的第i和第j个单元的相关长度，通过乔列斯基矩阵分解技术可分解自相关矩阵R并得到下三角矩阵L：
[0019][0020]采用拉丁超立方抽样方法生成30组数据样本，样本满足标准正态分布，变换标贯击数(N1)
60cs
数据样本以满足对数正态分布：
[0021][0022]式中：式中：σ
i
和μ
i
分别代表满足对数正态分布的标贯击数的标准差和均值；L代表下三角矩阵；ξ代表样本矩阵；H
i
(x,y,z)代表生成的对数正态随机场。
[0023]进一步地，步骤4中，采用OpenSees有限元软件中自带的PDMY02本构模型，获取剪缩特性：
[0024][0025]获取剪胀特性：
[0026][0027]式中：c1定义了剪切引起的体积减小或孔隙水压的增加，为非负常数；d1和d2定义了剪切引起的体积增加，为非负常数；γ
d
代表剪胀阶段的八面体剪应变；η代表应力比；η
PT
代表物态转换面的应力比；
[0028]PDMY02本构模型中需要输入一系列与地震液化相关的参数，根据步骤3中生成的标贯击数随机场的值，进行线性插值，如下式所示：
[0029][0030]式中，N1和N0代表了表1中相邻的标贯击数值；p1和p0代表非线性本构模型中的参数值；N代表生成的高斯随机场中的标贯击数值；p代表线性插值后得到的参数值；
[0031]确定在三维有限元模型中不同位置处单元的材料属性，根据下式计算不同材料的渗透系数值：
[0032][0033]式中，k代表渗透系数；e代表孔隙比；C
F
代表无量纲常数，一般取0.2；S
s
代表土体颗粒的比表面积；γ
w
代表水的比重；ρ
m
代表土密度；μ代表流体粘度。
[0034]进一步地，其中，参数选择如下表所示：
[0035][0036]其中，(N1)
60cs
代表标贯击数；e代表孔隙比；Pref代表参考围压；G
max,p
’
r
代表最大剪切模量；B
r
代表体积模量；ψ
TC
代表内摩擦角；ψ
PT
代表相转变角；c1，c2，c3代表与剪缩有关的参数；d1，d2，d3代表与剪胀有关的参数。
[0037]进一步地，步骤5中，采用等效节点力的方法在三维碎石桩
‑
土动力响应模型底部输入地震动一致激励，输入地震动为该场地根据目标反应谱匹配的地震动或历史记录地震动，监测和记录不同深度处侧移值。
[0038]进一步地，步骤6中，根据大量的震后资料调查研究，当地表侧移超过一定阈值时，可判定为碎石桩加固可液化场地的地面失效，失效概率由多组随机场模拟中地表侧移值超过一定阈值的次数占比可得，如下式所示：
[0039][0040]式中：D表示永久侧移本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、基于场地条件，计算碎石桩置换率；步骤2、在有限元软件中构建三维碎石桩
‑
土动力响应模型，设置边界条件；步骤3、基于高斯随机场理论，生成三维空间相关的标贯击数随机场；步骤4、确定标贯击数随机场在有限元软件中材料参数；步骤5、输入地震动激励，进行非线性有限元动力计算，监测和记录由液化引起的侧移；步骤6、计算碎石桩加固可液化场地的地面失效概率。2.根据权利要求1所述的基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法，其特征在于：在步骤1中，碎石桩加固可液化土层水平面积为正方形，记录场地实测数据，计算碎石桩置换率如下式所示：式中：d代表碎石桩的直径；S代表不同碎石桩中心距；A
r
代表碎石桩的面积；A代表总面积。3.根据权利要求1所述的基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法，其特征在于：在步骤2中，三维碎石桩
‑
土动力响应模型中对土层进行分层并设置碎石桩在可液化砂层中的位置，模型左右两侧设置周期性边界条件，模型底部设置固定边界条件。4.根据权利要求1所述的基于随机场的碎石桩加固可液化场地侧移评估方法，其特征在于：在步骤3中，根据现场标准贯入试验所得数据，确定各砂层的标贯击数均值，提取三维碎石桩
‑
土动力响应模型有限元坐标数据，依据高斯随机场理论，生成三维空间相关的标贯击数随机场，三维单指数自相关函数ACF可表示为：式中：τ
xij
＝|x
i
‑
x
j
|和τ
yij
＝|y
i
‑
y
j
|表示三维坐标系中坐标分别为(x
i
,y
i
,z
i
)和(x
j
,y
j
,z
j
)的第i和第j个单元的相关长度，通过乔列斯基矩阵分解技术可分解自相关矩阵R并得到下三角矩阵L：L
·
L
T
＝R
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)采用拉丁超立方抽样方法生成30组数据样本，样本满足标准正态分布，变换标贯击数(N1)
60cs
数据样本以满足对数正态分布：H
i
(x,y,z)＝exp(μ
lni
+σ
lni
×
L
·
ξ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：σ
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜文琪，莫腾飞，李典庆，王顺，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：