液化自由场地震响应大型振动台模型试验分析

开展了含上部黏土层、饱和砂土层、密实砂土层的可液化自由场地在水平地震动激励下的大型振动台模型试验研究,分析了地震动激励时饱和砂土液化后场地加速度、位移、孔压比时空响应等动力响应。试验结果表明：在小震激励时,场地动力反应较小,加速度反应自下而上不断放大,各深度处孔压比均较小,模型地基整体处于弹性反应阶段;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,孔压积累迅速,可液化土体最上部土层孔压比达到1,饱和土体液化,模型地基表现出明显的非线性反应特征,加速度反应在饱和砂土层中未有明显放大,土体卓越周期对应的反应加速度自下而上有不断增大趋势。该研究是土-群桩-上部结构体系大型振动台系列试验中可液化自由场动力反应部分,可供今后做对比分析和验证数值模拟参考。     

可液化场地碎石桩复合地基地震动力响应分析

采用砂土液化大变形弹塑性本构模型分析可液化砂土,采用模量随应力与应变变化的等效非线性模型增量形式分析碎石桩,应用FLAC3D有限差分软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维动力响应分析。模拟分析了在地震作用下碎石桩刚度效应和排水效应对加固处理可液化场地的抗液化效果,从初始小变形到液化后大变形的变形发展,超静孔压累积与消散,及桩与土的变形与应力分配变化等。结果表明,所用模型与方法可合理描述可液化场地碎石桩复合地基在地震作用下场地的动力响应特性和抗液化效果;在地震作用下可液化场地中桩周土体与碎石桩体的竖向应力与水平向剪切应力向碎石桩体集中,竖向有效应力比可降至约1/6～1/3;桩周土体与桩体为非协调变形,剪应变比可达7～10;碎石桩抗液化影响范围约为2.5～3倍桩径,对超过3.5倍桩径范围影响较小;碎石桩与砂土渗透系数比大于100时对降低砂土中超静孔隙水压影响明显;碎石桩对场地的加密效应可显著降低超静孔隙水压力,而碎石桩刚度则对超静孔隙水压力变动影响较小,但有助于减低地面加速度响应峰值。     

地震动持时压缩比对可液化地基地震反应影响的振动台试验研究

在与可液化场地相关的振动台模型试验中,地震动持时按照时间相似比压缩后,所输入地震动的持时、频率、能量等特性均发生改变,这将对液化地基在地震荷载下的动力响应产生显著影响。本文以持时压缩比例为本次研究中的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展等,针对与可液化场地相关振动台试验设计中的地震动持时按照时间相似比压缩后对液化场地动力响应影响的问题进行研究。试验结果表明:地震动记录按照很小的相似比压缩后持时太短,地震动峰值一定时,可液化场地则有可能不发生液化;地震动持时越长,地震动能量越大,超孔隙水压力随地震动的输入积累迅速,场地土液化现象越明显,土体中加速度反应也表现出不同规律。根据得到的试验结果,涉及可液化场地的振动台模型试验中,建议采用原始持时地震动记录或按照较大的时间相似比压缩的地震动记录。     

地震动持时压缩比对可液化地基地震反应影响的振动台试验研究

在与可液化场地相关的振动台模型试验中,地震动持时按照时间相似比压缩后,所输入地震动的持时、频率、能量等特性均发生改变,这将对液化地基在地震荷载下的动力响应产生显著影响。本文以持时压缩比例为本次研究中的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展等,针对与可液化场地相关振动台试验设计中的地震动持时按照时间相似比压缩后对液化场地动力响应影响的问题进行研究。试验结果表明:地震动记录按照很小的相似比压缩后持时太短,地震动峰值一定时,可液化场地则有可能不发生液化;地震动持时越长,地震动能量越大,超孔隙水压力随地震动的输入积累迅速,场地土液化现象越明显,土体中加速度反应也表现出不同规律。根据得到的试验结果,涉及可液化场地的振动台模型试验中,建议采用原始持时地震动记录或按照较大的时间相似比压缩的地震动记录。     

可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构地震反应特性振动台试验研究

开展了近、远场地震动作用下可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构大型振动台模型试验。分析了模型地基的加速度、孔压、地表震陷及模型结构的加速度、应变。结果表明:模型地基的孔压累积经历了缓发展、急增长两个阶段;模型地基的加速度Arias强度释放时刻与孔压急增长阶段的起点时刻相对应,加速度Arias强度峰值较大的工况,模型地基孔压比峰值也较大;模型地基孔压场分布呈现出小震时模型结构底部液化程度较低、大震时场地底部液化程度较低的现象。强地震动作用下,模型结构发生了显著的上浮;模型地基、模型结构均表现出对低频相对发育的地震动反应更为强烈的现象。强震作用下,浅层可液化土在循环流动过程中发生了由于剪切刚度瞬态突增而导致峰值加速度瞬时急增的现象。模型结构中柱为此类型车站的最不利构件,附拱在与竖向成±(30°~60°)区域内应变反应较大,中庭上拱在45°位置处应变反应较大;随着模型结构拉应变幅值的增加,模型结构自振频率不断衰减。主观测面测点和次观测面测点的拉应变幅值均存在不同程度的差异,模型结构的应变反应存在空间效应。     

多维地震荷载等效循环周数计算模型

地震波是一种多维的随机荷载,一般在参数测定中应将其转化为等效循环荷载。采用有限元模拟多向地震荷载作用下的砂土动力响应,介绍了弹塑性边界面模型及其参数的含义,阐述了确定参数的方法,选取涵盖大震、中震、近场、远场及不同土质条件的155组多向地震输入时程进行单向、多向加载。利用混合效应回归分析法,建立了多向地震荷载作用下等效循环周数计算模型,分析验证了该模型的准确性。提出了基于等效循环周数比的多维地震荷载作用下等效循环周数计算方法。研究表明：模型预测值能较好地反映等效循环周数实际值的变化趋势;震级和震中距对等效循环周数比影响不明显;砂土特性对等效循环周数比的影响具有主导作用, 在不同震级范围内,等效循环周数比均随着相对密度的增大而增大,对应于相对密度为45%、60%、80%、100%的砂土,等效循环周数比分别近似为1.60、1.85、1.90和2.05。     

地震荷载不规则性对砂土震陷的影响

利用有限元数值方法模拟不同类型砂土在多向地震荷载输入条件下的动单剪试验,采用弹塑性边界面模型,通过室内动单剪试验实测结果确定模型参数,计算分析地震动特性对砂土震陷的影响。研究结果表明：地震波加载次序、不对称性、加载方向、地震波类型、加载维数对砂土变形影响显著。当大的应力脉冲出现时,砂土竖向应变明显增大,其增量的大小受到大波出现的时刻和次序影响明显;在其他条件相同时,地震波不对称性越明显,砂土竖向应变越大;反向加载对砂土具有向下压应力作用,提高竖向应变值,正向加载效应则与此相反;现有的一些规范方法取20周作为转换后的等幅应力波的标准作用次数进行震陷定量计算,其对于振动型和冲击型地震波输入等效性结果差别较大;Tokimatsu 和Seed（1987）震陷分析方法按2倍单向水平地震动引起的砂土震陷简化确定多向地震动引起的砂土震陷,其结果尚待商榷     

软土场地地铁车站结构地震反应特性振动台模型试验

作为地铁车站结构地震破坏机制大型振动台系列模型试验之一,开展了近、远场强地震动作用下软弱粉质黏土场地框架式地铁车站结构体系的大型振动台模型试验。测试分析了模型地基的加速度、孔压、地表震陷和模型结构的加速度、应变、水平位移反应等。结果表明：地震波在模型地基的传播过程中呈现出自下而上低频增大、高频减小的现象;强地震动作用下模型地基的基频明显降低,呈现出明显的低频聚集（放大）、高频滤波效应;模型地基的孔压比增长较小,在不同特性地震动作用下模型地基孔压比的发展过程存在较大的差异,并显示出显著的空间效应;近、远场地震动作用下模型地下结构的加速度反应存在明显差异,模型地下结构对软土地基地震动加速度反应的影响具有显著的空间效应;模型地下结构相对变形小、未出现明显上浮现象,地震动频谱特性对其侧墙的变形模式和大小存在显著的影响;模型结构中柱为地震损伤最严重部位;模型结构整体损伤情况较轻、处于非破坏状态。     

多地貌单元复合场地非线性地震效应特征二维分析

针对由河漫滩、阶地、波状起伏的丘陵地带和残丘等组成的典型复合地形场地,基于ABAQUS软件的显式有限元并行计算集群平台,考虑土体的非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟切除的无限域对地震波动的影响,建立了大尺度复合地形真实场地的二维有限元模型,并将基岩地震动视为SH波,分析了不同地貌单元复合场地地震效应特征。结果表明：地形差异引起地表各测点峰值加速度(PGA)及峰值位移(PGD)不同;在相同地震波入射下,河漫滩区地表PGA大于Ⅰ级阶地区域,但其PGD明显小于Ⅰ级阶地区域,且河漫滩区的峰值位移差动较小;场地地表水平加速度反应谱呈双峰及多峰现象,加速度在0.4～1.2 Hz频段放大较多,且加速度反应谱特性与输入地震动相关;特定频段（0.5～1.75 Hz）地震动放大效应与聚集效应比较明显,频率小于0.2 Hz及大于2 Hz时,场地地震动放大特征不显著。低丘区的敏感频率段宽于河漫滩区;观测点的位置影响相应的水平加速度持时大小,局部地形变化将引起地震动持时差异,且持时和输入地震动特性相关。     

基于现场液化试验的饱和砂土孔压增量计算模型

采用现场液化试验,研究水平场地孔压增长模式,提出孔压增量计算模型。通过不同密实度砂土的液化试验,以加速度、埋深、砂土密实度等现场参数为指标构建孔压增量模型,发现现场和室内试验孔压增长模式的区别和联系,并验证该孔压模型的可靠性。研究结果表明：等幅循环荷载下,与现有动三轴等土单元试验的孔压增量随作用次数一直呈单调递减模式不同,现场试验孔压增量随作用次数呈现出先增大后减小的规律,中间存在阈值;通过参数分析和试验实例验证,构建的孔压增量计算模型,可更方便地用于随机荷载下水平场地的饱和砂土孔压计算。     

强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线

为研究液化场地中群桩在强震作用下的动力响应特征及桩侧土抗力-桩土相对位移（p-y）曲线规律,依托海文大桥实体工程,基于振动台模型试验,开展了0.15g～0.35g地震动作用饱和粉细砂土层不同埋置深度下的砂土孔压比、桩身弯矩及p-y曲线动力响应研究。结果表明：地震动强度达到0.25g时,不同埋置深度下的饱和粉细砂土层孔压比均大于0.8,产生液化现象,且随埋置深度增加,孔压比增长时刻明显滞后;不同埋置深度下,桩身弯矩最大值均位于液化土层和非液化土层分界面处;同一埋置深度时,随地震动强度的增大,p-y曲线所包围的面积逐渐增大,其整体斜率逐渐变小,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐增大,桩周土体刚度逐渐减小;随埋置深度增加,p-y曲线所包围的面积逐渐减小,其整体斜率逐渐增大,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐减小,桩周土体刚度逐渐增大。因此,液化场地桥梁群桩抗震设计时,应综合考虑液化土层与桩基础的相互位置关系,确保桩基础在液化土层与非液化土层分界处的抗弯承载能力。     

地震序列作用下液化场地条件影响研究

砂土液化前后场地条件的变化研究对于改进液化判别方法具有重要意义。基于美国加利福尼亚州野生动物园强震动观测竖井台阵资料,采用互相关分析和傅里叶谱比方法,研究了布劳雷强震动序列作用下台阵场地液化前后等效剪切波速和卓越频率的变化特征。强震作用下孔压监测结果表明,场地液化层的超孔隙水压力已经达到临界液化状态,并在震后迅速消散,但是在地表没有发生喷水冒砂现象。超孔隙水压力的累积导致竖井台阵不同观测位置之间的剪切波传播时间发生延迟,台阵场地卓越频率在砂土液化过程中发生显著下降。在孔压消散之后,剪切波传播时间和场地卓越频率在4 d内恢复正常。这一现象对于基于液化之后场地原位测试资料建立液化判据具有重要参考价值。     

青藏工程走廊多年冻土场地地震动加速度峰值特征研究

根据青藏工程走廊北麓河及楚玛尔河场地地震危险性分析结果,合成年超越概率为1.97%、1.00%、0.21%、0.10%、0.04%、0.02%的人造基岩地震波作为输入地震动,结合场地钻孔剖面及波速资料,和已有的冻土动力学研究成果,建立一维模型,通过等效线性化方法进行场地地震反应分析计算,研究了青藏工程走廊多年冻土场地地震动加速度峰值特征及影响因素.研究结果表明,北麓河场地与楚玛尔河场地的人造基岩地震波峰值及持时均存在显著差异,北麓河场地峰值大、持时短,以近震影响为主,楚玛尔河场地峰值小、持时长,以中远震影响为主;多年冻土区场地,夏季场地地震动加速度峰值显著大于冬季,活动层融化对场地地震动加速度峰值有明显的放大效应;冬季场地冻结后,场地地震动加速度峰值随冻土波速增大而减小,最大减小幅度为6.1%,随动剪切模量比减小、阻尼比增大而减小,最大减小幅度为8.9%.活动层的融化有利于放大场地地震动加速度峰值,重大冻土工程抗震设防应予以重视.     

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用简化分析方法

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用分析属于桩基桥梁抗震设计中的一个关键科学问题,而目前尚缺乏合理的简化分析方法。鉴于此,直接针对振动台试验,基于Penzien模型,建立了液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用的数值分析模型与相应的简化分析方法。通过振动台试验验证了数值建模途径与简化计算分析方法的正确性,可用于液化场地桩基桥梁结构地震反应的分析,并且特别考虑砂层中孔压升高引起的砂土承载力衰减效应,推荐了计算参数的合理选取方法;据此进行了桩径、桩土初始模量比、砂土内摩擦角、上部桥梁结构质量等重要参数对液化场地桩-土地震相互作用影响的敏感性分析。研究表明：在液化场地条件下,随桩径和桩土初始模量比的增大,桩的峰值加速度、峰值位移减小,而桩的峰值弯矩则增大;随砂土内摩擦角增大,桩的峰值加速度、峰值弯矩、峰值应力均增大,而桩的峰值位移则减小;随上部结构配重增大,桩的峰值位移、峰值弯矩均增大。     

上海软土场地三维非线性地震反应分析

考虑土的非线性,采用弹塑性边界面模型,对上海软土场地进行三维地震反应分析。利用多维地震动作用下的水平地层弹塑性动力反应分析程序,以具有水平和垂直三向完整加速度记录的Taft波作为地震输入,对比分析单向和多向地震输入场地水平和竖向地震反应特征,并分析不同强度地震动输入下竖向和水平加速度峰值比特征及地下水位变化对场地土层地震反应特征的影响。计算分析表明,竖向与水平向地震反应特征有较大差异;与水平单向地震输入相比,三向地震输入场地土层放大效应明显增大;地下水位上升对水平向和竖向峰值加速度的放大效应影响差异显著,地下水位上升,地表水平峰值加速度放大效应增大,竖向峰值加速度放大效应减小,研究结果对上海地区的工程抗震设计具有参考作用。     

减饱和砂土缓倾场地的液化性状分析

减饱和法是一种通过减小砂土地基的饱和度,从而提高地基抗液化强度的新方法。基于减饱和砂土中流体模量同步更新的改进算法对减饱和砂土离心机振动台试验进行了数值分析,并与单一流体模量的简化算法进行了对比分析。结果表明：由于改进算法中考虑了因孔压变化引起的等效流体模量的变化,其计算结果更接近试验结果,而简化算法低估了减饱和砂土的孔压积累。基于改进算法开展了不同饱和度、倾斜角度的缓倾场地上液化变形的数值模拟研究,分析发现超孔隙水压力增长的速度及其峰值随着饱和度的增加而增大,饱和度从100%降低至96.4%,同一深度处的超孔压峰值降低约20%～65%,加速度响应的峰值也有明显的降低;沿地基深度0.75 m到9.00 m,侧向位移减少约20%～50%,表明饱和度的降低对抑制倾斜场地上可液化砂土层的侧向变形有显著效果,随着地基深度的减小,饱和度对于侧向位移的影响越来越明显。     

地震历史对各深度土体抗液化性影响的振动台试验研究

地震引起的液化会对岩土结构造成重大破坏,而震后伴随的余震可能导致砂土再次发生液化。为研究自由场地下地震历史对各深度饱和砂土的抗液化能力的影响,设计并开展了一系列振动台试验。试验中对砂土输入了4次不同加速度的震动事件,细分为7次小的事件。通过计算对比每次振动事件的超静孔压比、加速度响应以及土体沉降,以研究不同地震历史下各深度土体抗液化能力的变化规律。试验结果表明：输入的地震波加速度大小与加速度响应系数呈正相关关系;饱和砂土遭受轻微和中等地震时液化更容易发生在浅层而非表层;表层土体中,强烈地震后的中等余震使得土体对地震烈度的敏感性降低,孔隙水压力在峰值加速度后消散迅速,液化时间缩短;有强震历史的土体会降低浅层土体的抗液化性能,深层土体抗液化性反而会在经历强地震后增强,影响深度范围取决于地震的烈度;通过数据拟合得到了不同等级的循环地震在各深度土体的抗液化提升比的量化公式。试验结果可以反映在地震实际中各等级的地震历史对各深度土体的不同影响。     

斜椭圆应力路径下饱和松砂动力特性试验研究

利用空心圆柱扭剪仪模拟斜入射地震波作用形成的斜椭圆应力路径,对比研究了等向固结条件下饱和福建标准松砂在循环斜椭圆、圆形、扭剪、三轴路径下的动力特性。试验研究表明：土体循环孔压发展存在陡升型和陡降型两种模式;圆形路径下累积孔压增长速率最快,循环扭剪最小;归一化孔压与斜椭圆的倾角无关,但受斜椭圆长短轴比及动应力比影响。砂土的不排水动强度与动应力路径密切相关,循环扭剪和循环三轴最大,循环斜椭圆次之,圆形路径最小。地震波从特定角度入射时,形成近似圆形路径,若只将地震波视为垂直入射的S波,将高估地基土体抗液化强度。     

饱和砂土液化判别与放大效应数值模拟研究

为研究地震作用下饱和砂土液化判别及地震放大效应的影响因素,采用边界面塑性模型框架内开发的砂土本构模型,基于开源有限元平台OpenSees建立了一维剪切梁土柱模型。以循环应力比CSR和循环抗力比CRR为控制指标,对比了不同液化判别方法的差异,分析了地震荷载类型和砂土相对密度对液化判别和放大效应的影响。研究表明:与数值模拟结果相比,Seed简化法计算的CSR更大,判断饱和砂土场地发生液化的可能性更高;冲击型地震波较振动型地震波更容易使饱和砂土场地发生液化,砂土相对密度越小场地越容易发生液化;放大系数随埋深的减小而增大,振动型地震波引起的放大效应整体大于冲击型,埋深较大时放大系数随砂土相对密度的增大而减小。     

水平和竖向地震作用下液化场地群桩基础动力响应试验研究

为研究水平和竖向（双向）耦合地震作用下液化场地群桩基础的动力响应,设计了可液化地基—群桩基础—框筒结构动力相互作用体系振动台模型试验。选取不同类型模拟地震波作为振动台试验激励,通过对比水平地震作用和双向耦合地震作用下土体加速度、超孔隙水压力和群桩应变等试验结果,进而分析双向耦合地震作用对可液化地基和群桩基础动力响应的影响。研究结果表明：双向耦合地震作用下,液化场地土体竖向加速度峰值随土体埋深高度的减小而逐渐增大;饱和砂土的液化效应与双向耦合地震作用和输入地震波的类型有关;相比水平地震作用,不同种类波双向耦合地震作用下群桩基础桩身中部和底部的应变峰值增大,桩顶应变峰值变化略有不同;双向耦合地震作用加剧了建筑结构群桩体系的摇摆和倾斜。研究结果对可液化地基上群桩基础的抗震设计和防灾减灾具有十分重要的研究意义。