考虑解耦与滑动耦合效应的SH波作用下桩基地震响应对接缝假定的敏感性分析

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Sensitivity of seismic pile responses to interface assumptions under SH-wave incidence incorporating the coupling effect between debonding and sliding

本文针对地震作用下桩-土界面假定（完全光滑/粗糙）对桩基响应的影响机制展开深入研究，创新性地提出了一种考虑解耦（debonding）与滑动（sliding）耦合效应的连续介质模型。该模型通过引入径向分层策略与等效线性化技术，同时考虑了界面几何非线性（解耦与滑动）与土体材料非线性，并利用辐射应力理论求解SH波入射下的混合边界条件。研究结果表明，几何非线性对桩基高频响应具有显著影响，且其与材料非线性存在交互作用；尤其重要的是，研究揭示了在考虑解耦条件下，滑动行为对桩基响应的影响会显著增强，这一耦合效应在刚度较大的桩中更为突出。本研究为桩基的精细化抗震设计提供了重要的理论依据。

　　

Highlight

模型示意图

承受SH波传播的连续介质模型示意图如图1(a)所示。所考虑的桩，嵌入土中深度H并置于刚性基岩上，被模拟为均匀的欧拉-伯努利梁，其直径为D，横截面积为A_p，弹性模量为E_p，密度为ρ_p。周围的土体通过径向分层策略被离散为两个区域（近界面区和自由场区），如图1(b)所示。该方法通常...

基本应力-位移关系（源自动力平衡方程）

如图1(b)所示，根据Anoyatis等人的研究，土介质在轴对称圆柱坐标系中的动力平衡方程可表示如下：

?σ?_r/?r + ?τ?_rz/?z + (1/r)(?τ?_rθ/?θ) + (1/r)(σ?_r- σ?_θ) + ρ_sω²u?_r= 0

?τ?_rθ/?r + ?τ?_θz/?z + (1/r)(?σ?_θ/?θ) + (2/r)τ?_rθ+ ρ_sω²u?_θ= 0

其中，σ?_r, σ?_θ, 和 τ?_rz是法向和剪应力的幅值；u?_r和 u?_θ分别是径向和切向土体位移的幅值。考虑到土体的本构关系...

验证

为了验证本文提出的连续介质模型，对其计算的桩基自振频率和地震响应进行了检验。自振频率，特别是基于反应谱分析的抗震设计中至关重要，因为它是评估谱加速度幅值和确定设计基底剪力的关键输入参数。因此，在本节中，计算得到的自振频率是...

几何非线性行为与耦合效应的影响

本节首先探讨了两种几何非线性行为，即解耦和滑动，对桩基地震响应的影响，并讨论了这些响应对接缝假定的敏感性。然后进一步检验了解耦和滑动之间的耦合效应。为了表征频率依赖性，引入了无量纲频率 a₀= ωd/V_s。此外，为了分离几何非线性的影响，周围土体被建模为...

考虑材料与几何非线性的地震桩响应

本节在考虑土体材料非线性的基础上，扩展了先前的分析，研究了在整个频率域内几何非线性对位移放大系数的影响。众所周知，桩-土界面的几何非线性在桩基的动力响应和地震响应中起着重要作用，特别是在存在材料非线性的情况下。参考实验结果...

结论

本文严格研究了地震桩响应对接缝假定的敏感性，特别着重于确认两种几何非线性行为（即解耦和滑动）之间的耦合效应。通过辐射应力理论，建立了一个在桩-土界面包含混合位移和应力边界条件的连续介质模型。该模型考虑了各种界面假定，包括在桩-土界面前半部分的理想光滑/粗糙条件以及...