液化土层中桩的非线性动力分析的p-y塑性模型外文翻译资料
2023-01-28 11:51:19
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武汉理工大学外文翻译
液化土层中桩的非线性动力分析的p-y塑性模型
Scott J. Brandenberg, M.ASCE; Minxing Zhao, A.M.ASCE;
Ross W. Boulanger, F.ASCE ;and Daniel W. Wilson, M.ASCE
摘要
本文给出的液化土-结构相互作用的材料模型是基于开源有限元建模平台OpenSees建立的。对p-y材料桩顶自由端输入的数据包括地动参数以及基于自由场地土中桩的平均有效应力时间序列。利用土壤单元和一个p-y单元结合的算例仿真展示了其关键特性。之后应用此模型，对水平液化剖面中的单桩，以及在导致水平向扩展的倾斜液化剖面中的六根群桩进行了离心实验分析。将测量的位移和平均有效应力时间序列作为输入参数，用以把自由场地运动和超孔隙压力中的不确定性从材料模型的响应中隔离开来。预测的桩响应与测量值相当吻合。不排水荷载下砂的循环流动性是影响桩中弯矩的重要机理；忽略砂在响应中的膨胀分量（即忽略循环移动行为）可能会降低对桩体的强度要求。
DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0000847.copy; 2013 美国土木工程学会
CE数据库主题词：土体液化；群桩；横向载荷；可塑性；离心模型；
动态分析。
作者关键词：土壤液化; 桩横向载荷; 可塑性; 离心模型; 动态分析。
目录
简介
在过去的地震中，土体液化破坏了许多桩基，导致了对于基础荷载机理的有意义的研究。这些研究着眼于包括离心机模型（例如，Abdoun等人 2003; Wilson等人 2000; Brandenberg等人 2005; Haigh and Madabhushi 2011），1g 摇台试验（例如，Tokimatsu和Suzuki，2004），爆炸液化的现场测试（例如，Ashford等人，2004），以及数值模拟（例如，Iai，2002）。这些研究的一些重要发现诸如
（1）液化砂对桩提供了一些非零的侧向抗力，p-y曲线往往表现为凹凸趋势，其现象类似于由膨胀导致的沙子的不排水应力 - 应变循环移动响应（Wilson等人 2000；Rollins 等人 2005）;
（2）来自不透水的横向铺展地层的载荷通常主导桩基应力（Dobry等人2003），与非液化土剖面相比，需要明显更大的变形来抵抗被动阻力（Brandenberg 等人 2007a）;
（3）由横向扩展地面变形引起的运动要求可以与上层建筑和桩帽施加的惯性要求同时作用(Boulanger等人 2007)；
（4）在输入数据经过仔细筛选的情况下，非线性Winkler基础（BNWF）上的静态梁分析可以提供弯曲力矩和桩变形的合理预测（Juirnarongrit和Ashford 2006；Brandenberg 等人 2007b）。
静态BNWF模拟的主要优点是它们可以捕获载荷机制的许多突出特征，并且可以使用市售软件轻松执行（例如，LPile、Reese等人，2000）。不足之处在于模拟必须对运动学和惯性要求的合理组合进行假设，但静态模拟不能合理地捕捉到，随着土壤从非液化转变为液化或液化后的循环流动行为中对桩要求的演变。动态模拟已经成为针对建立在非易燃土壤上的结构的常规分析方法，但动态模拟对于可液化场地的分析是非常罕见的，只是因为经过良好评估的用于执行这种模拟的工具不容易获得，并且这种数值方法可能是十分昂贵的。为了允许对可液化场地的结构进行动态分析，显然需要开发和记录相对简单的计算工具。
本文制定了在BNWF框架中实施的动态液化土 - 结构相互作用材料（即p-y和t-z），并在考虑及不考虑横向扩展作用的情况下，对两个动态离心机可液化土壤剖面中桩系统的模型试验进行比较。虽然这里描述的材料模型已经在OpenSees（McKenna等人2010）中实现，并且被用于许多动态数据研究，但是它们的基本公式和初步的性能检查在之前没有在文献中提出。因此，本文介绍了材料模型的数学公式，随后是离心模型的介绍，以及使用BNWF方法对时关于桩响应的分析。
Py Simple1 材料
Boulanger等人首先提出了Py Simple1材料的公式 （1999），并与软土中桩的离心模型的结果进行比较。这种材料构成了可液化的p-y材料PyLiq1的基础，由此 Py Simple1方程第一次被提出。这个用于描述p-y行为的方程式作为近似建立p-y关系的通用手段，并在基于位移的有限元代码中得以结构化实施。非线性p-y行为被概念化为串联的弹性（p-），塑性（p-）和间隙（p-）分量（图1）。 缓冲器与弹性部件平行放置，以模拟辐射阻尼。该公式与辐射阻尼主要由远场响应中的弹性波传播的观察结果相一致，而滞后阻尼主导近场响应。间隙组件由拖动（-）和闭合（-）元素并行组成。
图1. pySimple1材料的示例p-y行为：
(a)元素配置；(b)-(e)各组分的贡献和整体材料响应
弹性和塑性部件
弹性部件由刚度为Ke的弹性材料与缓冲器平行组成，用以模拟辐射阻尼。弹性部件中的力为，其中y是位移的弹性分量。同时弹性部件与塑性部件串联放置，这使得这些部件中的力p相等。塑性部件中的力定义在方程（1）的右侧，
其中是位移的塑性组分，C和n是控制塑性部件形状的模型常数，其中是当时的位移量，而和分别是当塑性加载循环开始时的p和塑性位移的值。屈服函数定义在公式（2）中，其中为极限强度，为屈服应力， 为背应力（即p在弹性区域中心的值）。运动学硬化规律定义了背应力的演变，使用于塑性加载增量，而用于弹性加载。塑性模量定义在等式（3）中。材料常数C，n和Cr定义了PySimple1材料骨架曲线的形状，并进行了调整，用以适应Matlock（1970）建议的粘土桩（C =10，n =5，Cr =0.35）的参数以及美国石油学会（API 1993）针对沙堆的推荐参数（C =0.5，n=2，Cr =0.2）。
间隙组件
间隙部件由与非线性闭合元件平行的非线性阻力元件组成，即，而跨越间隙元件的位移为。阻力分量和闭合分量中的力由分别由公式（4）和（5）定义，其中Cd是材料常数，和分别是组件中的力和在当前的塑性加载循环开始时组件中的塑性间隙位移。间隙的演变遵循类似于Matlock等人的逻辑（1978），当等于（）的最大过去值，以及等于（）的最大过去值，其中代表着数值波动的差距。间隙分量的切线模量定义在公式（6）中。
组合材料
图1所示为振幅等于10的正弦位移控制载荷的第二周期的组合材料的示例行为。= 0.1,1和10的值如图所示，且对于所有情况辐射阻尼均为零。 = 0.1的材料被夹在中间，清楚地表现出与通过开放间隙移动的桩一致的行为（Matlock 1970）。开放间隙中的电阻源自沿着桩的侧面的摩擦。当间隙关闭时，力的振幅突然增加。 = 10.0的材料通过使其变成刚性材料从而去除间隙【注意图 1（e）中的基本刚性响应】。
组合材料K的切线模量定义为。一致的切线算子等于一维问题的弹塑性切线模数，并且对于在非线性有限元问题中通常使用的迭代方案保持渐近收敛的二次速率是重要的（Simo、Hughes 1998）。
PyLiq1材料
PyLiq1材料遵循与PySimple1材料相同的逻辑唯一的区别在于p-y的容量材料，，被视为取决于平均值的变量在自由领域有效的压力，而不是被指定为材料常数。随着孔隙压力在自由场发展，的值降低，最终达到当时根据公式（7）得到的残余值，其中是初始的自由场有效应力。
该公式旨在将地震和液化的影响纳入到p-y行为中，同时保留了在许多模型研究中观察到的完全液化条件的一些细微的p-y 容量(Wilson等人2000; Dobry等人，2003）。地面运动参数和平均有效应力输入到PyLiq1材料的桩顶自由端，如图2所示。尽管本文中也采用测量
量作为输入，这些量也可以从有效的应力场响应分析中获得。站点响应模拟可以与结构分析分开运行，同时随着记录的输出写入文件并输入到p-y元素的桩顶自由端，也可以与p-y元素和与土网相同的部分桩同时运行。如果同时运行，土网的平面外厚度应该被设计为非常大，以便达到自由场的基本响应条件（即使得桩和p-y元件不影响位点响应）。
采用自由场运动的目的是，p-y材料旨在捕获所有的土壤 - 结构相互作用（SSI）效应，而不是通过土壤连续体建模实现。这种分析方法需要桩周存在适当尺寸的三维连续体以合理地模拟SSI效应，并且对于液化的动态问题，这种方法在计算上非常昂贵。
图2.从现场响应分析输入到p-y元素桩顶自由端的地面运动
和平均有效应力的示意图
除了在自由场中产生过量孔隙压力来模拟p-y行为的劣化之外，材料还能够建模与循环不排水载荷中的砂的循环移动性行为相关的瞬态刚度。循环流动性行为被定义为从逐渐收缩到逐渐扩张行为的转变，其与切线刚度和反向S形应力 - 应
图3.PressureDependMultiYield02材料对循环简单剪切应力和PyLiq1材料的粘附土壤元素对刚性桩的动力响应
变行为的增加相关联。循环移动性显著地影响着自由场地的响应行为，同时这种影响被捕获为PyLiq1材料的输入参数。然而，这种模型的局限性是，由桩施加在土壤上的局部应变引起的膨胀只能通过指定适当的压力值来间接地包含在内。在诱发液化研究（Rollins等人 2005）和数值模拟（Iai 2002）中，观察到凹向上的p-y行为不被PyLiq1公式捕捉。此外，Gonzaacute;lez等人观察到的桩周围的倒锥形负孔隙压力区域，（2009）也没有被PyLiq1材料所捕捉。Assimaki和Varun（2009）规定了一个p-y宏观元素，其将Bouc-Wen型主干曲线与孔隙压力函数相结合，孔隙压力函数将自由场孔隙压力响应与塑性工作相关的p-y元素近场响应相结合。这种额外的材料行为特征需要为宏元素指定额外的输入参数。多个独立模型的发展对于量化认识论不确定性的影响很重要。
图3中展示了在水平地面条件（即没有静态剪切应力和横向扩展）将土壤元素附着在刚性桩上的时的PyLiq1材料的材料行为。使用Yang等人（2003）建议的默认输入参数 DR=50％的中等密度砂，将土壤元素建模为PressureDependMultiYield02材料，并使其承受循环应力比（CSR）= 0.3的简单剪切载荷。以足够低的频率施加谐波简单剪切应力路径，以使其基本上为零惯性应力。 模拟在OpenSees中进行（McKenna等人，2010），首先计算土壤响应，而土壤响应的位移和平均有效应力在随后单独的分析中施加于p-y元素的桩顶自由端。这种方法确保土壤行为是自由场输入。在大约6个循环后，额外的孔隙压力达到1.0，并且材料的特征表现为膨胀孔隙压力的瞬时减小。当剪应变超过最大过应变时，大应力下的膨胀趋势导致剪切应力急剧增加，导致不排水载荷表征出反转的S形应力 - 应变行为。模型中的p-y行为模拟了这种情况下沙子的应力 - 应变行为，并且同样表现出与离心机试验中观察到的趋势相似的反转S形曲线（Wilson等，200
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