地震与水平环境荷载下风电单桩基础动力响应分析

为探究复杂环境荷载和地震共同作用下饱和场地中单桩基础的动力响应,文中采用有限差分整体时程数值分析方法,对饱和砂土场地中海上风电单桩基础在水平环境荷载与地震荷载联合作用下的动力响应进行了非线性分析。通过与离心机试验结果对比,验证了所建立的数值分析模型的合理性与有效性。基于数值计算结果,对地震单独作用和水平环境荷载-地震联合作用2种工况下海上风电单桩基础的动力响应规律差异进行探讨,并进一步分析了上部结构质量、埋深等对联合荷载作用下单桩基础动力响应的影响。研究结果表明,在海上风电单桩基础结构设计中应考虑水平环境荷载与地震联合作用的影响,且应将桩的埋深作为重要设计参数加以考虑,而结构质量对联合荷载作用下海上风电单桩基础结构体系响应的影响较小。     

冻土区桥梁桩基础抗震试验研究现状及展望

总结了现阶段冻土区桥梁桩基础抗震试验研究的主要任务，从试验的目的、优势、设计和不足等方面对冻土三轴压缩试验、桩-冻土体系拟静力试验和地震模拟振动台试验的研究现状进行了系统的总结与分析，提出了相应的改进措施和发展方向。考虑到室内试验中桥梁桩基础-冻土相互作用体系实施难度的问题，提出了采用子结构试验方法开展冻土区桥梁抗震试验的思路。     

多年冻土区铁路路基热状况对工程扰动及气候变化的响应

基于青藏铁路沿线长期地温监测资料,对天然场地及铁路路基下部的浅层地温、多年冻土上限及下伏冻土地温动态变化过程进行对比分析,研究多年冻土区铁路路基热状况对于工程扰动及气候变化的响应过程.监测结果表明,路基修筑后边坡热效应显著,由此导致路基下部多年冻土热状况的不对称分布,必须引起足够的重视.块石路基修筑后,下部多年冻土上限抬升显著,其中阴坡路肩下抬升幅度普遍较阳坡路肩下显著.普通路基修筑后,在年平均地温低于?0.6～?0.7℃的地区下部多年冻土上限有不同程度的抬升,而在年平均地温高于?0.6℃的地区下部冻土上限则出现了一定程度的下降,其中阳坡路肩下降幅显著.受块石层冷却降温作用,低温冻土区块石路基下部浅层冻土地温有明显降温过程,而在高温冻土区这一降温趋势只存在于阴坡路肩下.对于普通路基,多年冻土上限抬升后,浅层冻土地温存在一定的升温过程.对于气候变暖,低温冻土区多年冻土的响应主要集中体现在冻土升温上,而高温冻土区多年冻土的响应则主要表现为冻土上限下降,冻土厚度减小.基于上述监测结果,可将目前青藏铁路路基热状况分为稳定型(低温冻土区块石路基)、亚稳定型(低温冻土区普通路基及高温冻土区块石路基)和不稳定型(高温冻土区普通路基).     

高速铁路桥梁-桥墩-桩基础-地基耦合系统的地震反应

高速铁路中的桥梁常采用灌注桩基础以控制沉降,地震作用是桩基础的设计工况之一。建立桥梁-桥墩-桩基础-地基为一体的耦合系统非线性三维数值分析模型,以典型地震波为输入,考虑上部结构和基础的共同工作、土-结构动力相互作用、材料非线性和土层对桩的侧阻及端阻作用,开展三向地震作用下的动力有限元计算,并对地基主要土层压缩模量、桩体材料弹性模量、桩径和桩长进行参数敏感性分析。计算结果表明:现行的桩基础设计方案能有效控制地震荷载作用下桥梁的变形;地震过程中的不同时刻,桩侧阻发挥程度不同且不可忽略,以单纯的梁单元模拟桩的动力学行为的适用性值得商榷;桩长和地基主要土层压缩模量对桥梁地震反应影响最大,桩体材料弹性模量的影响次之,桩径的影响最小。     

群桩-土-墩柱相互作用体系抗震性能试验及数值模拟研究

为进一步研究土-结构相互作用(SSI)体系的抗震性能,以1∶4比例尺桥梁墩柱模型为试验对象,考虑土-结构相互作用,通过拟静力试验观察了试验现象,得到了模型滞回曲线、耗能能力等数据。通过有限元软件ABAQUS建立了与试验情况相同的有限元模型,并分析计算。建模分析结果与试验结果一致,在此基础上,以本模型为对象进行了地震反应时程分析,得到了不同地基条件下的位移时程曲线及桩身应力、桩身位移响应曲线,并用m法对比计算桩的位移响应曲线。分析结果表明:不同地基条件下群桩-土-刚度较大墩柱结构体系破坏形式不同;在地震作用下,短桩基础在桩的中段处应力达到最大值,有必要在此处予以加强;在地震作用较大时,m法计算的桩顶位移偏小,且m法无法计入群桩效应,可能导致群桩基础内力的计算偏于不安全,建议予以重视。     

多年冻土区桥梁的地震反应

首先研究了冻土区桥梁的抗震计算方法,对波动法和惯性力法的计算结果进行厂对比分析。对比结果表明惯性力法的计算结果偏大,但当基岩的剪切波速很大时,两种方法的结果接近。然后,采用波动法对季节性冻土区和多年冻土区桥梁结构进行了地震反应分析,研究了冻土层的变化对桥梁结构地震反应的影响,得到了不同冻土厚度、不同墩高时桥墩地震内力分布的规律。计算结果表明,冻土层的存在对桥梁的地震反应具有显著影响,桥墩的地震反应在冬夏两季具有显著区别。     

地震区跨活动断层桥梁桩基动力时程响应分析

为了研究强震区桥梁跨活动断层时,桩基在地震中的动力响应,以海文大桥为工程背景,利用Midas GTS有限元软件建立其强震区桩-海床岩土体-断层耦合作用的数值模型,研究不同强度(0.20g～0.60g)的50年超越概率为10%的地震波(后文简称5010地震波)作用下,桥梁桩基加速度、位移、弯矩及剪力的动力时程响应特性。结果表明：上部大厚度松散土体对桩身加速度有放大及滤波作用,而基岩对桩身加速度几乎不产生作用;断层上、下盘桩基础的桩顶水平位移随输入地震动强度的增大而增大,但达到振幅的时刻一致;上、下盘桩基础桩顶竖向位移时程响应都在50 s以后产生永久沉降;桩身最大弯矩截面处时程响应均在40 s以后产生永久弯矩;应重点考虑上部覆盖层软硬土体界面和基岩界面的抗弯承载力设计,及桩顶和基岩面附近的抗剪承载力设计;上盘桩基础按桩身加速度、弯矩、桩顶水平位移等动参数控制设计,下盘桩基础按动剪应力控制设计。     

桥梁结构在地震和冰荷载作用下的响应

本文采用杆系有限元方法,研究了桥墩结构在地震和冰荷载作用下的响应问题。根据桥梁的结构特点,建立其力学模型,考虑柱墩受支座的约束作用,推导了桥墩结构的动力平衡方程,分别研究桥墩结构在地震和冰荷载作用下以及在其共同作用下的响应问题,比较了考虑柱墩受支座的约束作用与不考虑柱墩受支座的约束作用2种情况下桥墩结构的响应问题,为研究桥墩结构在多荷载作用下的响应问题提供理论依据。     

多年冻土区桩基础桥墩随机地震反应分析

将随机振动理论、粘弹性边界条件的二维波动法以及结构动力分析有限元法结合起来，考虑场地地震动为零均值的高斯平稳随机过程，对青藏铁路多年冻土区桩基础桥墩进行了随机地震反应分析，计算了9度地震作用下桥墩随机地震响应最大值的均值和均方差，分析了冻土层及桥墩高度对桥墩随机地震响应的影响。     

机车动荷载作用下多年冻土区铁路路基动力响应的试验研究

青藏铁路穿越多年冻土区因地温和含冰量的不同而采取了不同的路基结构形式,以减小或避免气温和工程扰动对其下部多年冻土的影响。为了把握多年列车振动荷载作用下多年冻土区不同结构路基的动力响应特征,对青藏铁路北麓河段典型结构路基进行了实时强震动测试,得到了多年冻土区铁路路基的振动加速度衰减规律,对于研究机车动荷载对青藏铁路多年冻土区路基变形的定量影响规律,保障青藏铁路安全运营具有重要的科学意义。     

大直径扩底灌注桩的抗震性能研究

深入分析土-大直径扩底灌注桩体系动力相互作用机理是地震工程的重要研究内容。本文采用快速拉格朗日FLAC~(3D)有限差分程序建立地震荷载作用下扩底桩-土和等直径桩-土动力相互作用体的三维数值模型,分析大直径扩底桩与普通等直径桩地震反应的差异。桩周土采用Mohr-Coulomb弹性模型以考虑土体的非线性,桩体采用线弹性模型,桩与桩周土之间采用"切割模型"法设置桩土间接触面。输入5·12汶川地震波,对两种桩基的地震反应进行了数值计算与分析。结果表明:扩底桩的抗震性能优于等直径桩;与具有显著差异的加速度时程曲线相比,扩底桩对位移动力响应并不敏感。     

Dynamic characteristics of lateral load-deflection relationships of flexible piles

Most offshore platforms are supported on long and large-diameter piles with variable wall-thickness along the length, and soil properties varying with depth. The design and analyses of these piles are made by modelling the soil-pile system with a beam-on-Winkler foundation. Therefore, evaluation of appropriate soil-pile springs for use in such analyses is a matter of concern. Fundamental characteristics of dynamic lateral load-deflection relationships for piles were studied analytically considering the soil-pile-structure interaction under seismic loading conditions. The soil layer was assumed homogeneous, linearly elastic with hysteretic type material damping, and overlying a rigid base. A superstructure with multi-degrees of freedom was supported by a single vertical pile hinged at the rigid base. Parametric studies were carried out to identify the influence of the system parameters on the behaviour of the dynamic lateral load-deflection relationships of piles. The lateral load-deflection relationships vary considerably with depth and are influenced not only by the dynamic properties of soil but also by the structural properties of a pile and loading conditions. These lateral load-deflection relationships can be used to define the soil-pile springs for the seismic response analysis of a soil-pile-structure system, and the results can be extended to problems with soil profiles with layering and non-linearity.     

端承桩在分层地基中的横向地震反应分析

本文对分层弹性地基中端承桩基础按Ｗｉｎｋｌｅｒ（温克尔）地基土模型，通过特性分析，建立了合理的力学模型，经过动力分析，给出了端承桩基础横向自由振动特性及在横向动力载荷与地震载荷作用下强迫反应的解析解。文中的解析公式为分层弹性地基中端承桩基础在横向动力载荷与地震载荷作用下的动力反应分析，提供了一种新的解析方法。     

基于动力BNWF法的冻土-桩相互作用模型研究

基于水平循环荷载作用下不同负温冻土环境中单桩动力特性模型试验结果,在已有分析桩-土-结构相互作用的动力BNWF模型的基础上,提出改进的冻土-桩基动力相互作用非线性反应分析模型。在该模型中,利用改进的双向无拉力多段屈服弹簧考虑桩侧冻土的水平非线性力学特性,同时兼顾桩侧与冻土间的竖向非线性摩擦效应、桩尖土的挤压与分离作用以及远场土体阻尼对桩基动力特性的影响。其中桩侧水平多段屈服弹簧参数根据冻土非线性p-y关系获得,该关系曲线以三次函数曲线段及常值函数段共同模拟,并由室内冻土压缩试验结果确定。最后基于改进的动力BNWF模型,提取动位移荷载作用下该桩顶力-位移滞回曲线及桩身不同埋深处的弯矩动响应数值分析结果,并与相应的模型试验结果对比,二者具有较好的拟合度,表明本文所提出的改进模型在分析冻土-桩动力相互作用时有较好的适用性。     

基于Pasternak地基模型和Adomian分解方法的扩底桩水平动力响应分析

工程上广泛采用基于Winkler模型的层状地基反力系数法对桩土水平动力响应进行分析,该方法忽略了地基土剪切作用的影响,与工程实际有一定偏差。另外,对桩土的非线性相互作用和如扩底桩、楔形桩等变截面桩问题常用的传递矩阵法或中心差分法,计算过程较为繁琐。基于Pasternak地基模型和Adomian分解方法,提出一种考虑地基土剪切作用的桩土水平动力相互作用近似计算方法,该方法计算简便且结果精度较高,对变截面桩问题有很好的适用性;并基于该方法,对扩底桩水平动力响应问题和影响因素进行分析。结果指出,扩底半径和上部桩周土弹性模量对扩底桩水平动力响应影响较大,随着扩底半径的增加和桩周土弹性模量的增大,扩底桩水平振动位移幅值逐渐减小。另外,在较低频率的荷载激励下,应考虑土层对桩的剪切作用。     

Winkler model for dynamic response of composite caisson–piles foundations: Seismic response

A simplified method with a dynamic Winkler model to study the seismic response of composite caisson–piles foundations (CCPF¹) is developed. Firstly, with the dynamic Winkler model, the kinematic response of the CCPF subjected to vertically propagating seismic S-wave is analyzed by coupling the responses of caisson part and pile part. Secondly, a simplified model for the foundation–structure system is created with the structure simplified as a lumped mass connected to the foundation with an elastic column, and through the Fast Fourier Transformation (FFT) this model is enabled to solve transient seismic problems. Thirdly, the proposed method for the seismic response of CCPF-structure systems is verified by comparison against 3D dynamic finite element simulation, in which the Domain Reduction Method (DRM²) is utilized. Lastly, the mechanism and significance of adding piles in improving the earthquake resistance of the foundation and structure is analyzed through an example with different soil conditions. Discovered in this study is that adding piles under the caisson is an efficient way to increase seismic resistant capability of the soil–foundation–structure system, and the main mechanism of that is the elimination of the pseudo-resonance.     

Cyclic behavior of laterally loaded concrete piles embedded into cohesive soil

Modern seismic design codes stipulate that the response analysis should be conducted by considering the complete structural system including superstructure, foundation, and ground. However, for the development of seismic response analysis method for a complete structural system, it is first imperative to clarify the behavior of the soil and piles during earthquakes. In this study, full‐scale monotonic and reversed cyclic lateral loading tests were carried out on concrete piles embedded into the ground. The test piles were hollow, precast, prestressed concrete piles with an outer diameter of 300 mm and a thickness of 60 mm. The test piles were 26 m long. Three‐dimensional (3D) finite element analysis was then performed to study the behavior of the experimental specimens analytically. The study revealed that the lateral load‐carrying capacity of the piles degrades when subjected to cyclic loading compared with monotonic loading. The effect of the use of an interface element between the soil and pile surface in the analysis was also investigated. With proper consideration of the constitutive models of soil and pile, an interface element between the pile surface and the soil, and the degradation of soil stiffness under cyclic loading, a 3D analysis was found to simulate well the actual behavior of pile and soil. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Shaking Table Tests on Bridge Foundation Reinforced by Anti-slide Piles on Slope

Based on the requirement of seismic reinforcement of bridge foundation on slope in the Chengdu-Lanzhou railway project, a shaking table model test of anti-slide pile protecting bridge foundation in landslide section is designed and completed. By applying Wenchuan seismic waves with different acceleration peaks, the stress and deformation characteristics of bridge pile foundation and anti-slide pile are analyzed, and the failure mode is discussed. Results show that the dynamic response of bridge pile and anti-slide pile are affected by the peak value of seismic acceleration of earthquake, with which the stress and deformation of the structure increase. The maximum dynamic earth pressure and the moment of anti-slide piles are located near the sliding surface, while that of bridge piles are located at the top of the pile. Based on the dynamic response of structure, local reinforcement needs to be carried out to meet the requirement of the seismic design. The PGA amplification factor of the surface is greater than the inside, and it decreases with the increase of the input seismic acceleration peak. When the slope failure occurs, the tension cracks are mainly produced in the shallow sliding zone and the coarse particles at the foot of the slope are accumulated.     

多桩型复合地基作用机理与动力特性研究

对由碎石桩和CFG桩构成的多桩型复合地基的作用机理进行分析,通过数值模拟,对多桩型复合地基的动力特性进行研究,探讨桩型配比、桩径、桩长、CFG桩桩体刚度和碎石桩桩体渗透性等设计参数对多桩型复合地基动力特性的影响。研究结果表明:相同条件下地震期多桩型复合地基的动变形小于碎石桩复合地基而大于CFG桩复合地基,震后沉降量相对较小,在工程设计时碎石桩与CFG桩的桩型配比宜为4∶5;随桩体长度、桩体直径和CFG桩刚度的增加,多桩型复合地基地震期的竖向动变形逐渐减小;随碎石桩桩体渗透性的增加,多桩型复合地基中的超动孔隙水压力减小,震后沉降量降低。