地震作用下群桩水平动力响应特性及P-Y曲线试验研究

目前地震作用下桩基水平动力响应一直是岩土工程界和地震工程领域关注的热点研究问题之一。本文基于振动台试验,通过不同的台面输入波形,引入FBG传感系统对土-群桩—承台结构水平动力响应特性及P-Y曲线主干线变化规律进行研究,并将群桩中各基桩和单桩P-Y曲线主干线与API规范推荐方法进行对比研究。结果表明：对于非液化土试验,各承台的加速度和位移较台面放大倍数普遍不大;饱和砂土试验单桩承台加速度和位移比群桩大2~3倍,群桩承台加速度和位移幅值分别是非液化土的2~3倍;非液化土试验桩基P-Y曲线主干线倾斜度与API规范方法符合较好,而饱和砂土中无论是单桩还是群桩P-Y主干线均需将API规范方法进行适当的折减。     

地震作用下群桩水平动力响应特性及P-Y曲线试验研究

目前地震作用下桩基水平动力响应一直是岩土工程界和地震工程领域关注的热点研究问题之一。本文基于振动台试验,通过不同的台面输入波形,引入FBG传感系统对土-群桩—承台结构水平动力响应特性及P-Y曲线主干线变化规律进行研究,并将群桩中各基桩和单桩P-Y曲线主干线与API规范推荐方法进行对比研究。结果表明：对于非液化土试验,各承台的加速度和位移较台面放大倍数普遍不大;饱和砂土试验单桩承台加速度和位移比群桩大2~3倍,群桩承台加速度和位移幅值分别是非液化土的2~3倍;非液化土试验桩基P-Y曲线主干线倾斜度与API规范方法符合较好,而饱和砂土中无论是单桩还是群桩P-Y主干线均需将API规范方法进行适当的折减。     

地震作用下不同厚度饱和砂土中直群桩结构动力响应试验研究

基于振动台试验,设计制作2×2直群桩结构相似模型,通过输入一定峰值加速度的迁安波,对非液化砂土、300 mm厚饱和砂土和380 mm厚饱和砂土中群桩承台横向动力响应特性展开研究。研究结果表明:在迁安波输入下,非液化砂土中群桩承台加速度和位移时程与台面输入时程相比,其波形变化规律与峰值大小没有明显差异;而对于两种不同厚度饱和砂土中承台加速度放大较多,承台位移峰值较台面位移峰值相差不大。在300 mm饱和砂土中群桩承台加速度峰值较台面输入放大了约1.35倍,在380 mm饱和砂土中承台加速度峰值放大了1.42倍,说明在相同输入条件下,较厚的饱和砂土层在发生液化后群桩承台的动力响应更加显著。     

不同厚度饱和砂土中群桩结构动力响应试验研究

液化土中桩基础动力响应规律一直是工程抗震领域关注的热点问题。本文基于非液化砂土和不同厚度饱和砂土中的2×2群桩结构模型振动台试验,通过输入一定峰值加速度和频率的正弦波,对群桩在非液化土层和两种不同厚度饱和砂土层中的横向动力响应特性进行振动台试验研究。研究结果表明:在正弦波输入情况下,非液化砂土中群桩承台加速度和位移时程与台面输入时程相比,波形变化规律与峰值大小均相差不大;而对两种不同厚度饱和砂土中承台加速度和位移峰值放大较多,在相对较薄的饱和砂土中群桩承台加速度峰值较台面输入放大了1.83倍,较台面输出位移峰值放大了1.58倍;在相对较厚的饱和砂土中承台加速度和位移峰值则分别放大了2.18倍和1.91倍,说明在相同输入条件下,较厚的饱和砂土在发生液化后群桩承台的动力响应更加显著。     

分层液化土中桩基侧向动力反应机理的试验研究

饱和砂土中的桩基侧向动力响应研究一直是岩土工程界与地震工程领域关注的热点,尤其是群桩侧向动力响应机制是需要重点研究的课题之一。基于振动台试验,通过输入2种不同的波形,采用FBG光栅传感系统对饱和砂土中的单桩与群桩侧向动力响应特性和典型测试点的桩土动力p—y滞洄曲线进行研究。研究结果表明：振动初期,单桩和群桩试验孔压增长不大,随后单桩孔压迅速上升,振动后期逐渐下降至0.5,而群桩孔压则上升缓慢;单桩试验土表加速度在振动初期逐步升高后又迅速降低,且加速度放大值略大于台面加速度值,群桩试验土表加速度在振动初期逐渐升高时就达到了最大,且随着孔压比的升高,加速度没有继续放大,而是逐渐减小,直到后期与单桩试验土表加速度重合;饱和砂土液化对单桩承台加速度和位移的影响较大,群桩承台侧向动力响应对液化的敏感程度略低于单桩承台;在振动输入和承台输入相同的条件下,液化后的群桩基础比单桩基础能更好地抵抗侧向力的作用。     

饱和砂土中两桩承台群桩横向动力响应规律研究

两桩承台群桩结构在桥梁和水利工程中应用较多,在饱和砂土中两桩承台直群桩和斜群桩的动力响应规律是值得深入研究的课题。本文基于两直桩和两斜桩承台结构振动台试验,将典型试验结果与OpenSees有限元软件建立的三维数值模型计算结果进行对比研究,验证模型的准确性;在此基础上,采用本文所建立的三维数值模型,开展不同频率正弦波输入下的两桩承台群桩横向动力响应规律研究,并将数值分析结果与已有试验结果进行对比分析。结果表明:两桩承台群桩的试验和模拟的加速度时程曲线、位移时程曲线、孔压变化规律和峰值大小基本吻合;在饱和砂土中相同工况下两桩承台直群桩的放大效应要明显高于两桩承台斜群桩,承台的放大值比较明显;不同频率正弦波下液化砂土的两桩承台群桩在台面位置的加速度峰值和位移峰值相差不大,放大倍数随着频率的升高有一定程度的增长;在饱和砂土中不同频率正弦波输入下两桩承台斜群桩表现出一定的优势。研究成果为饱和砂土中桩基抗震设计提供一定的理论参考。     

微型桩动力p-y曲线影响因素参数分析

本文通过微型桩振动台试验分析了输入波频率、桩顶质量和加速度峰值对砂土中微型桩动力p-y曲线的影响。结果表明:当输入波的频率为低频时,桩侧土压力p与桩身位移y的关系接近线性关系,形成的滞回环面积很小;当输入波频率较大时,桩侧土压力p与桩身位移y成明显非线性关系,形成的滞回环面积较大。随着桩顶质量和加速度峰值的增加,p-y曲线的滞回环呈逐渐张开的趋向,其耗能效应增加。     

基于FLAC~(3D)群桩侧向动力特性试验与数值模拟对比研究

地震作用下的桩基动力响应问题一直是土动力学和岩土工程抗震领域研究的热点。本文主要基于液化砂土中3×3群桩振动台试验,采用目前常用的大型有限差分软件FLAC~(3D)进行数值模拟研究,将模拟结果与试验分析结果进行对比研究。工况包括:不同峰值加速度的正弦波和El Centro波分别输入下的群桩在干砂和饱和砂土中的侧向动力响应特性,主要对基底台面、桩头承台的加速度与位移时程关系曲线进行对比分析。研究结果表明:随着正弦波峰值加速度输入的增加,群桩横向动力响应明显,尤其是当加速度为0.15 g时砂土发生液化,反应达到最大,数值模拟结果与试验吻合较好。地震波输入工况下也可以得到类似的结论,其中干砂与液化砂土的承台加速度、位移相对台面的均有所放大,但放大倍数不同。     

对称双斜桩侧向动力响应特性试验研究

地震作用下的桩基动力响应问题一直是土动力学和岩土工程抗震领域研究的热点。本文基于非液化干砂和饱和砂土中对称双直桩和双斜桩电磁式振动台试验,在试验中输入不同峰值加速度的正弦波和不同的地震波形,对比研究非液化干砂和饱和砂土中斜桩横向动力响应特性的不同,主要包括桩头承台加速度和位移幅值与台面输入时程的对比。研究结果表明:无论是正弦波输入还是地震波输入试验,当饱和砂土发生液化后,桩周土对桩侧支撑反力降低从而导致桩-土之间相互作用力减小,加速度和位移幅值放大效应均发生显著增加,对称双斜桩的动力响应放大程度低于对称双直桩,尤其在饱和砂土液化时更加显著。地震波输入试验中承台加速度和位移量值均明显高于正弦波试验工况,但相对台面输出幅值的动力放大倍数整体水平较低。     

液化土中斜群桩承台动力响应特性及桩身弯矩分布规律研究

为研究动荷载作用下饱和砂土发生液化前后斜群桩的动力响应相关问题,利用土工离心机振动台进行了饱和砂土场地条件下的斜群桩物理模型试验。通过试验分别对土层响应、桩身弯矩以及桩顶承台加速度和位移等进行了详细分析,得到了如下结论:不同荷载作用下土层液化范围的改变导致了土层加速度峰值出现了不同程度的放大或缩小现象;砂土液化前后桩身动弯矩和残余弯矩对整个桩身的影响程度发生了显著变化,尤其在砂土大范围液化后残余弯矩相比动弯矩的影响明显减弱;当输入加速度峰值较小时,桩顶承台水平加速度峰值与振动台台面比较出现了明显的放大现象。而随着输入加速度峰值的增加,在振动后期承台水平加速度峰值出现了缩小的现象,同时在振动结束后承台产生了明显的动态残余位移。本研究取得的相关结论为液化土中斜群桩的相关研究以及工程设计提供参考。     

可液化场地大直径扩底桩的动力p-y曲线特征研究

可液化场地大直径扩底桩-土动力相互作用p-y曲线研究对扩底桩抗震设计具有重要意义。基于有限差分程序FLAC~(3D),分别建立扩底桩和等直径桩的三维有限差分模型,通过在模型底部输入正弦波,得到可液化场地中不同埋深下扩底桩与等直径桩的桩-土动力相互作用p-y曲线,对两者的动力p-y曲线特征进行对比分析。结果表明:正弦波输入下扩底桩动力p-y曲线多呈倒"S"形,随着埋深增加,动力p-y曲线滞回圈面积及面积增长速度逐渐减小,斜率逐渐增大;扩底桩与等直径桩动力p-y曲线所围成的图形相似,两者动力p-y曲线斜率均随埋深增加逐渐增大,扩底桩动力p-y曲线滞回圈面积及面积增长速度在各埋深处均大于等直径桩,利于能量耗散,抗震性能更好。     

Interpretation from large-scale shake table tests on piles undergoing lateral spreading in liquefied soils

Results from a benchmark test on full-scale piles are used to investigate the response of piles to lateral spreading. In the experiment, two single piles, a relatively flexible pile that moves together with the surrounding soil and a relatively stiff pile that does not follow the ground movement have been subjected to large post-liquefaction ground displacement simulating piles in laterally spreading soils. The observed response of the piles is first presented and then the results are used to examine the lateral loads on the pile from a non-liquefied soil at the ground surface and to evaluate the stiffness characteristics of the spreading soils. The measured ultimate lateral pressure from the crust soil on the stiff pile was about 4.5 times the Rankine passive pressure. The back-calculated stiffness of the liquefied soil was found to be in the range between 1/30 and 1/80 of the initial stiffness of the soil showing gradual decrease in the course of lateral spreading.     

Nonlinear lateral interaction in pile dynamics

A model for pile lateral response to transient dynamic loading and to harmonic loading is presented allowing for nonlinear soil behaviour, discontinuity conditions at the pile-soil interface and energy dissipation through different types of damping. The approach is used to establish equivalent linear stiffness and damping parameters of single piles as well as dynamic interaction factors for approximate nonlinear analysis of pile groups. The applicability of these parameters to the pile-group analysis was examined, and a reasonable agreement with the direct analysis was found. The superposition technique may be used to analyze the response of small pile groups. Also, the dynamic stiffness of pile groups is greatly affected by both the nonlinear behavior of the soil and the slippage and gapping between the pile and soil. For a basic range of soil and pile parameters, equivalent linear stiffness and damping parameters of single piles and interaction factors for approximate nonlinear analysis are provided.     

Nonlinear analysis for dynamic lateral pile response

An analysis of pile lateral response to transient dynamic loading and to harmonic loading is presented allowing for nonlinear soil behavior, discontinuity conditions at the pile-soil interface and energy dissipation through different types of damping. Furthermore, the effect of neighbouring piles is taken into account for piles in a group. The validity of the approach was examined and a reasonable agreement with field tests and more rigorous solutions was found. Equivalent linear stiffness and damping parameters of single piles and interaction factors for approximate nonlinear analysis are presented.     

考虑挤土效应时楔形桩纵向振动阻抗研究

基于复刚度传递多圈层平面应变模型,研究考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩的纵向振动问题。首先根据桩周土体的纵向成层情况并考虑楔形桩的变截面特性,将桩土系统沿纵向划分为有限个微元段,对每个微元段的桩周土体建立复刚度传递多圈层平面应变模型,并通过剪切复刚度递推方法求得桩周土作用在桩身的剪切复刚度;然后将求得的剪切复刚度代入桩身纵向振动控制方程,运用Laplace变换技术和阻抗函数递推方法,推导得到考虑桩周土挤土效应时成层地基中楔形桩纵向振动时桩顶复阻抗的解析解;最后,采用参数研究方法在低频范围内分析挤土效应对桩顶复阻抗的影响及其规律。     

可液化倾斜场地中桩基动力响应振动台试验研究

为研究倾斜场地中桩基的动力响应,以2011年新西兰地震中受损的Dallington桥为原型,设计并完成可液化倾斜场地桥梁桩-土相互作用的振动台模型试验。试验再现了喷砂、冒水、地裂缝、场地流滑等宏观现象。试验结果表明,土层足够的液化势及惯性是造成倾斜场地侧向流滑的必要条件;浅层土相比深层土更易液化,液化层中的加速度由下至上呈现逐渐衰减的趋势,而未液化砂土层却表现为逐渐增大的特征;深部测点的桩侧土压力明显大于浅部测点,且土体的液化会弱化土对结构的压力;结构应变最大值位于上部桥台,而结构弯矩在桩身中部及土层分界面附近出现两个较大值,桩端嵌固及倾斜场地流滑是造成出现两个弯矩较大值的主要原因。     

地震作用下液化场地变截面桩与等截面桩的动力响应对比分析

为研究液化场地变截面桩的动力响应,依托翔安大桥实体工程,采用有限元软件,建立变截面桩－土和等截面桩－土相互作用模型,模拟液化场地变截面桩及等截面桩在地震作用下的振动反应,分析在地震作用下变截面位置不同的变截面桩及等截面桩的动力响应特征。结果表明:地震作用下,液化土层不同深度处的孔压比变化规律基本相同,均从0逐渐增大最后趋于稳定;变截面桩的桩身加速度和桩身位移均大于等截面桩,且桩顶加速度峰值出现的时刻均滞后于桩底;在饱和砂土层处,桩身位移变化趋势均较陡;变截面桩的桩身弯矩峰值和桩身剪力峰值均大于等截面桩,且其峰值出现的位置较等截面桩深;地震作用下,变截面桩及等截面桩的弯矩与剪力均在安全范围之内;液化场地变截面梁桥桩基础抗震设计时,应着重分析液化土层与非液化土层分界面以下的抗弯能力设计及液化土层中抗剪能力设计。     

远场地震作用下桩间横向动力相互作用的研究

在远场地震作用下单桩横向地震响应研究的基础上,引入相互作用因子,研究了远场地震作用下成层地基中桩与桩的横向动力相互作用,得到了桩间距、桩土刚度比、桩顶约束条件、瑞利波入射角度、震动频率是影响群桩横向动力相互作用主要因素的结论,为进一步研究远场地震作用下群桩的横向地震响应打下了基础。     

Dynamic stiffness of deep foundations with inclined piles

The influence of inclined piles on the dynamic response of deep foundations and superstructures is still not well understood and needs further research. For this reason, impedance functions of deep foundations with inclined piles, obtained numerically from a boundary element–finite element coupling model, are provided in this paper. More precisely, vertical, horizontal, rocking and horizontal–rocking crossed dynamic stiffness and damping functions of single inclined piles and 2 × 2 and 3 × 3 pile groups with battered elements are presented in a set of plots. The soil is assumed to be a homogeneous viscoelastic isotropic half‐space and the piles are modeled as elastic compressible Euler–Bernoulli beams. The results for different pile group configurations, pile–soil stiffness ratios and rake angles are presented. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.