考虑冻土效应的桥梁桩-土动力相互作用研究现状与展望

冻土和地震是我国西部高寒高烈度地区桥梁工程建设中主要面临的两大挑战。冻土区线路工程广泛采用桩基础桥梁, 土体冻结后会显著影响地震作用下桩-土动力相互作用过程, 给桩基础桥梁抗震分析带来困难。首先系统总结和分析了冻土对桥梁结构地震响应的影响、 桩-冻土相互作用效应及其计算模型等方面的研究现状, 进而对相关成果进行了科学分析。研究表明： 冻土的存在对桥梁结构地震反应的影响是显著的, 桩基础桥梁抗震设计中不考虑冻土效应是不合理的。目前还存在的问题包括： 冻土区桥梁结构地震反应的研究中, 未充分考虑冻土效应; 现有桩-土相互作用模型无法有效应用于冻土领域; 地震作用下桩-冻土体系相互作用机理及其破坏特征不明确。在此基础上, 提出了考虑冻土效应后桥梁桩-土动力相互作用为今后需要重点研究的方向。     

深厚场地大型桥梁桩基础随机地震反应及可靠性分析

以苏通长江大桥主墩特大型群桩基础为研究背景,考虑地震动的不确定性,将地震激励作为平稳随机过程,采用随机地震反应分析方法,对深厚场地上群桩基础受上部桥墩荷载下的地震反应进行研究。土体动力非线性性能采用等效线性化方法考虑。由于桥墩惯性作用以及软土土层对桩身位移的约束作用,地震激励下桩身位移呈三角形分布。土体位移与土体和基础间距离有关,桥墩-桩-土相互作用对基础两侧1.5倍基础宽度的土体位移有较大影响。桩体内力反应结果表明,桩顶及桩身上部剪力及弯矩均较大,边桩剪力显著大于中间桩剪力。此外,基于强度破坏准则,对以桩身屈服剪力作为控制指标的群桩基础动力可靠性进行了分析。     

土的次非线性对桩基核岛结构三维地震反应的影响

随着核电厂工程建设快速发展,核电厂选址不可避免地要面临土质场地。土-桩-结构动力相互作用对核岛结构的抗震安全性评价具有重要影响。以国内某拟建的AP1000核岛工程为背景,建立土质场地-群桩-筏板基础-核岛结构动力相互作用体系的3D模型,考虑场址的区域地震环境与历史地震活动性,选用近场中强震、中-远场强震和远场大地震的三分量记录作为基岩输入地震动。使用一步法和二步法分别实现对土体真非线性和主非线性的模拟,通过对比这两种方法计算的核岛结构地震反应的差异,可知土的次非线性（soil secondary nonlinearity,简称SSN）对核岛结构地震反应的定量影响,也即SSN效应。发现SSN效应对核岛结构水平向地震反应的影响明显大于对竖向地震反应的影响,SSN效应会导致土质场地-群桩-核岛结构体系变得更“柔”;SSN效应与基岩输入地震动的特性强相关,近场中-强地震作用时SSN效应最强;SSN会显著增大核岛结构的峰值加速度和峰值相对位移反应,在核岛结构的抗震设计中不应忽视SSN效应。     

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。     

土-地下结构体系地震反应的简化分析方法

基于Penzien提出的土-结构动力相互作用分析的集中质量模型,考虑等价土体的层间剪切刚度与阻尼效应,提出了土-地下结构动力相互作用体系地震反应分析的简化分析方法,选取具有不同地震动特性的Taft波、汶川地震什邡八角波和松潘波作为基岩水平向输入地震动,采用该简化方法和二维有限元法对土-地铁地下车站结构体系的地震加速度反应特性进行了对比分析,结果表明：简化方法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应大于二维有限元法计算的地铁地下车站结构峰值加速度反应,两者的差异与输入地震动特性有关,但其随地铁地下车站结构高度变化的总体趋势较为一致;随着输入地震动强度的增大,其差异程度也有所加大。该简化方法可合理反映土-地下结构体系的动力相互作用效应,可作为地下结构抗震设计分析的一种辅助方法。     

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。     

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。     

考虑桩-土作用的高速列车-桥梁地震响应分析

基于空间梁单元有限元法,建立了两种高速铁路多跨简支梁桥的全桥空间分析模型,一种是包括桩基的列车-桥梁模型,给出成层土的动力阻抗,采用改进的Penzien模型模拟桩-土作用;一种是不考虑桩-土作用的墩底固结的列车-桥梁模型;分析了两种模型的自振特性,计算了两种模型在不同车速、墩高、地震强度、不同地震波等工况下的地震反应。计算结果表明,桥梁横向位移、加速度主要受到低频成分的影响,这部分频率与其底部地震波相互反馈,改变了地基运动的频谱组成,使接近于桥梁结构自振频率的分量获得加强,考虑桩-土作用后,横向位移/加速度增加较大;桥梁竖向振动频率受桩-土作用影响较小,随墩高和车速的增加梁体竖向位移增加不大,梁体竖向加速度受高频成分的影响较大,这些高频主要由车辆荷载和轨道不平顺引起。     

覆水砂土场地中桥梁群桩基础地震响应离心试验研究

为探究覆水饱和砂土场地中土-群桩基础-桥梁结构体系动力相互作用规律,自主设计并制作了直（斜）群桩基础-桥梁结构物理相似模型,开展了不同地震动强度和不同特性地震波输入下的离心机振动台试验,分析了群桩基础-桥梁结构动力特性指标,探究了覆水饱和砂土地基超孔隙水压力发展规律和桩-土相互作用动力响应特性。研究结果表明：覆水的存在对地基土-桥梁结构体系的基本周期和阻尼影响很小,但会导致直群桩基础桥梁结构的振动幅值增加20%,而斜群桩基础桥梁结构的振动幅值降低10%;斜群桩基础模型阻尼比是直群桩基础模型的2倍。上覆水导致饱和砂土地基由受低频振动液化深度更大变为受高频振动地基液化深度更大,同时导致小震作用下促进超孔隙水压力发展,而大震作用下则反之。上覆水会增大桥梁上部结构的动力响应和桩身弯矩。上述研究结果可为覆水场地中桥梁工程抗震设计提供关键参考依据。     

地震作用下饱和土-桩-上部结构动力相互作用研究

将土体视为液固两相多孔介质,利用连续介质力学得到了饱和土层的水平动力阻抗,将上部结构视为梁单元,桩-饱和土-桩之间的动力相互作用借助于等效的Winkler动力弹簧和波的干涉来模拟,并通过承台处力的平衡将群桩和上部结构耦合起来,研究了简谐SH地震波作用下饱和土-桩-上部结构的动力相互作用问题。以2×2群桩为例,对饱和土-桩-上部结构体系进行了数值分析,讨论有关参数对结构体系动力特性特别是抗震性能的影响。数值分析表明,桩间距、桩-土弹性模量比、长径比等对结构体系的抗震性能有较大影响。桩间距对地震放大系数的影响与外界激励的频率有关,桩土模量比较小、结构和桩基的阻尼较大时结构体系的抗震效果较好,长径比越大地震作用下产生的结构变形越大     

液化场地高桩码头抗震性能地震动效应

为了研究地震动特性对液化场地高桩码头抗震性能的影响,本文依托高桩码头工程实例,建立了液化场地全直桩高桩码头地震反应分析数值模型,系统分析了地震作用下高桩码头的关键动力响应特征,确定了高桩码头各抗震性能需求指标,揭示了地震动特性对各抗震性能需求指标的影响规律。研究表明：地震作用下高桩码头桩基受弯、受剪和受压薄弱环节分别出现在持力层与上部粉质黏土层交界处、岸坡标高处和砂层与上部粉质黏土层交界处;峰值加速度、频谱特性和地震动输入方向均会显著影响高桩码头各项性能指标的抗震需求;高桩码头桩基的抗弯、抗剪和抗压性能需求分别由最靠陆侧桩桩顶处弯矩、各薄弱环节剪力和砂层与上部土层交界处轴力控制,抗震延性需求均由最靠海侧桩桩顶处水平位移需求控制。     

三向地震作用下叠交隧道地震响应振动台试验研究

叠交隧道是涉及隧道之间、隧道与土体相互作用的复杂体系,其安全性将严重影响城市轨道交通建设。目前,对于叠交隧道振动台试验的研究集中在水平平行和交叉叠交隧道、单向和双向地震动输入。鉴于此,利用自行设计的层状三向剪切模型箱,对竖直平行叠交隧道开展三向地震作用下的振动台模型试验,研究地基土−叠交隧道模型体系动力特性、地基土加速度、叠交隧道加速度、地表沉降、地基土孔压、叠交隧道动土压力及叠交隧道应变等地震响应。结果表明：随着震波峰值加速度（peak ground acceleration,简称PGA）依次增加,地基土−叠交隧道模型体系的自振频率随之减小,而阻尼比随之增大;叠交隧道周围地基土加速度和孔压的梯度差随着地震波PGA的增大而增大,且上隧道周围梯度差比下隧道更大;地基土对加速度的放大效应随着地震波PGA的增大而减弱;相同地震波作用下,相同位置处的叠交隧道加速度傅里叶谱形状相似,但幅值随着地震波PGA的增大而增大。此外,与顶部和底部位置相比,腰部位置加速度傅里叶谱频段范围变宽,幅值峰值有所降低;地表沉降峰值随着地震波PGA的增大而减小,相比地基土两侧位置,中心位置的沉降峰值明显较小;地震波的类型对叠交隧道动土压力峰值和应变峰值影响较小;对于动土压力峰值,两隧道的最大值均为腰部,而上、下隧道的最小值分别为底部、顶部;对于应变峰值,上隧道在腰部明显大于顶部和底部,而下隧道在4个位置相差不大。     

可液化场地微型桩地震响应特性研究

可液化场地微型桩的地震响应分析是确保工程安全和优化抗震设计的前提。应用动态离心机试验和三维有效应力数值分析方法,研究了微型单桩桩台的侧向变形和加速度、不同埋深桩身弯矩、可液化场地的加速度及超孔隙水压力等响应特征。首先开展了相对密实度为57%饱和土层、输入波是频率为1 Hz和峰值加速度为1.516 m/s2正弦波的微型桩40 g动态地震响应离心机试验,进而应用基于多重剪切机构塑性模型和液化前缘状态面概念的三维有效应力分析方法,反演了试验结果,并进行了对比分析,结果表明,数值模拟与离心机试验结果吻合,液化场地特性控制着建于其中微型桩的地震响应特征,微型桩桩台的水平变形和残余变形可达78、30 mm,桩身最大弯矩和最大残余弯矩呈现向桩身底部迁移特点,同时表明,基于动态土工离心机试验和数值分析相结合的研究方法,分析可液化场地微型桩地震响应特性是有效可行的,研究结论为可液化场地微型桩的抗震设计提供了可靠的依据和参考。     

桩板式抗滑挡墙地震响应的振动台试验研究

汶川地震路基震害调查表明,在顺层或堆积体边坡中的桩板式抗滑挡墙具有良好的抗震性能。为了更好地了解该结构的抗震性能和优化抗震设计方法,以大型振动台模型试验为手段对其进行研究。为明确地震作用下桩板式抗滑挡墙的地震响应特性,试验采用缩尺的卧龙台站实测地震波对模型激励。试验结果揭示了土压力沿桩身分布规律、桩体位移和边坡岩土体加速度的地震响应特征。研究表明,地震土压力沿桩身呈非线性分布,竖向地震荷载对水平加速度有放大效果。所以,双向加载时的地震土压力比水平单向加载时大,但二者差距在地震基本烈度VII、VIII度区域不显著。滑坡推力、滑床对桩的土体抗力和桩身位移均与输入地震动峰值加速度成正比,即随着地震动峰值加速度的增加,加速度放大比增大;滑动面材料剪切强度折减,滑坡推力、土体抗力和抗身位移均增大,且增大速率加快。此外,结合试验成果,建议了桩板式抗滑挡墙设计时地震综合影响系数Cz的合理取值,对应地震基本烈度VII、VIII、IX度区分别为0.2、0.35、0.4。试验结果有助于揭示该结构抗震机制,也为其抗震设计提供了可靠依据。     

锚固上覆红黏土岩体边坡的地震动力响应

基于云南省S214思茅-江城二级公路某一边坡,利用有限差分软件FLAC3D中动力分析模块,研究了地震作用下锚杆支护的上覆红黏土岩体边坡的动力响应。基于土体与支护结构相互作用及其协同工作,建立了三维有限差分模型,给出了阻尼和动力作用下边界的选取方法,分析了地震作用下锚杆支护上覆红黏土岩体边坡的动力响应规律,研究了在地震作用下锚杆支护边坡的抗震效果。结果表明：地震作用后各层锚杆轴力和砂浆的剪应力都有所增大,但每层锚杆轴力的增幅都各不相同,锚杆轴力沿全长分布不均匀,且各层锚杆轴力均在红黏土与基岩的交界处最大,剪应力则表现为整体增大的趋势而且最大值向坡面靠近,地震作用前、后剪应力的最小值都是在红黏土与基岩的交界处;地震作用下锚杆的支护很好地限制了边坡的变形,加大了边坡的延性,具有很好的抗震性能;边坡在地震作用下产生了永久位移;坡体内加速度在竖向随高程增加而增大;平台的设置削弱了坡面加速度的增大趋势,起到了一定减震作用。研究结论对锚杆支护边坡的抗震设计与动力分析有一定参考价值。     

互层土的动参数试验研究及其地震反应分析

通过对两个工程场地的淤泥质粉质粘土、粉土、粘土、粉细砂及粉土与（粉质）粘土、粘土与粉砂互层土的自振柱试验结果进行分析,给出了部分土的 - 和 - 曲线,与Seed和Idriss建议的砂土和粘性土的 - 和 - 曲线变化范围进行了对比;同时分析了这两个场地的地震反应,结果表明：在强震时互层土对地震波有很强的滤波作用,且互层土的最大剪应变远大于一般土,在水平地震作用下很容易接近或达到破坏状态。初步分析结果表明：互层土具有软土的动力特性,这主要是由互层土的特殊物理构造造成的,即在互层土中存在很密的水平薄弱面。