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。     

不同地震动强度下珊瑚礁砂地基中桩-土-结构地震响应试验研究

珊瑚礁砂在地震作用下的场地响应受其特殊的工程性质影响。为揭示珊瑚砂场地桩基-地基-上部结构在地震作用下的动力响应特性,开展了不同地震动强度下珊瑚砂地基上三层框架结构群桩基础的振动台模型试验,对地基土和结构物的动力响应进行测试与分析,同时与可液化福建砂场地进行对比研究。结果表明,0.1 g正弦波激励下,两种砂模型地基内各处超孔压比均远小于1,模型地基未发生液化。0.2 g正弦波激励下,两种砂模型地基发生液化,珊瑚砂场地液化程度小于福建砂场地,液化后的珊瑚砂场地模型地基相比福建砂场地仍具有一定的剪切传递能力和刚度。0.1 g和0.2 g振动强度下珊瑚砂场地建筑物沉降、水平位移和立柱动弯矩相比福建砂场地较小。不同振动强度下桩基础出现动弯矩峰值的位置不同。     

不同地震动强度下珊瑚礁砂地基中桩-土-结构地震响应试验研究

珊瑚礁砂在地震作用下的场地响应受其特殊的工程性质影响。为揭示珊瑚砂场地桩基-地基-上部结构在地震作用下的动力响应特性,开展了不同地震动强度下珊瑚砂地基上3层框架结构群桩基础的振动台模型试验,对地基土和结构物的动力响应进行测试与分析,同时与可液化福建砂场地进行对比研究。结果表明:0.1g正弦波激励下,两种砂模型地基内各处超孔压比均远小于1,模型地基未发生液化;0.2g正弦波激励下,两种砂模型地基发生液化,珊瑚砂场地液化程度小于福建砂场地,液化后的珊瑚砂场地模型地基相比福建砂场地仍具有一定的剪切传递能力和刚度。0.1g和0.2g振动强度下珊瑚砂场地建筑物沉降、水平位移和立柱动弯矩相比福建砂场地较小。不同振动强度下桩基础出现动弯矩峰值的位置不同。     

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。     

排水刚性桩群桩抗液化性能的振动台试验研究

排水刚性桩是一种将竖向排水体与刚性桩相结合的新型抗液化处理措施。为研究排水刚性桩群桩的抗液化作用效果,开展了桩顶竖向荷载作用下排水刚性桩处理可液化地基的振动台试验研究,分析了地基土体的超孔压响应、加速度响应及桩顶结构的水平位移响应,并与未设置排水体的普通桩群桩工况进行对比。结果表明：加载开始后,排水桩桩身排水通道有大量超孔隙水排出,普通桩桩身没有排水现象。采用排水桩时超孔压比峰值比普通桩中减小12%,孔压消散稳定后超孔压比减小13%左右,排水桩桩身的排水通道对超孔压的消散作用集中在振动作用的前期。排水桩桩顶的侧向永久位移较普通桩桩顶侧向永久位移减小约27%。试样土体液化前,剪应力-应变滞回圈包络面积较大,土体呈现一定的剪胀特性。液化后,排水桩的剪应力-应变滞回圈的割线模量更大。上述试验结果均表明了排水刚性桩在抗液化方面的有效作用。     

单桩与群桩基础动力时程响应差异振动台试验

为探明强震作用下大直径深长单桩与群桩基础的动力时程响应差异,依托海文大桥实体工程,通过大型振动台试验,开展了4种不同类型地震波作用下单桩及群桩基础的桩顶加速度、桩顶相对位移、桩身弯矩时程响应变化规律及其差异性研究。研究结果表明：由于群桩效应的存在,桩顶加速度时程响应呈现双面性,群桩基础桩顶加速度峰值大于单桩基础,但峰值出现时刻滞后于单桩0.29～1.06 s;群桩基础的桩顶相对位移最大值显著小于单桩基础,且出现时刻明显滞后,Kobe波作用时滞后高达3.82 s;群桩基础的桩身弯矩最大值小于单桩基础7.54%～9.22%,且单桩基础受地震波影响较大,弯矩时程响应振幅明显大于群桩基础。桩基础抗震设计时,可充分发挥群桩基础动力时程响应滞后性特点,合理设计并选择最优桩型。     

液化场地桩基桥梁震害响应大型振动台模型试验研究

采用大型振动台进行液化场地桩基桥梁震害响应模型试验,很好再现了自然地震触发场地液化及结构破坏的各种宏观现象。0.15gEl Centro波输入下,上部砂层局部液化,桩-柱墩加速度主要表现为低频反应,桩动应变幅值自下而上很快增大、到达地表则大幅度减小。0.5gEl Centro波输入下,整个砂层全部液化,桩被折断且加速度也主要表现为低频反应,桩动应变幅值自下而上很快增大、到达地表则大幅度减小。砂层液化与否,对桩-柱墩动力反应影响很大。     

可液化倾斜场地的侧向扩展机制分析

针对已完成的液化水平自由场大型振动台试验,采用OpenSees有限元平台,建立了振动台试验的数值分析模型,并验证了该模型的可靠性。基于此,建立了地基整体倾斜的自由场数值模型,重点讨论了场地土体的非循环地震响应和液化侧向扩展机制。结果表明,建立的数值模型可以有效地模拟可液化场地的地震反应。倾斜场地中,可液化松砂与上覆非液化层界面处具有显著的相对位移,饱和砂土的应变累积从松砂层浅层开始,逐步向深层发展,超孔隙水压力增长和土体非循环应变累积未表现出耦合的现象,场地的中部土体控制非循环横向位移的发展。另一方面,土体液化过程中,当沿滑动面的剪切应力小于初始静剪应力时,液化侧向扩展启动。此时饱和松砂层的剪应力比在0.04～0.06范围内,略小于初始静剪应力比。此外,还发现液化诱导侧向扩展需要场地具有一定的倾斜度（大于0.5°）;土的侧向位移符合余弦分布模式;随着场地倾斜度的增大,可液化深层土对整体侧向位移的贡献更显著。     

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。     

青藏铁路多年冻土区桥梁桩基础地震响应的试验研究与数值分析

基于对负温条件下青藏铁路高温不稳定多年冻土区桥梁桩基础的缩尺模型振动台试验,明确了动荷载作用下模型桩-土界面和两桩中间土体存在温度升高响应。在此基础上,考虑天然状态和地震荷载作用下地温升高两种条件,运用动力有限元方法,对青藏铁路清水河特大桥桩基础进行了地震响应分析。计算表明,在高温状态下(-1℃以上),多年冻土的地基及桩基础在地震荷载作用下的动态响应对温度的升高异常敏感;在50年超载概率2%的青藏人工波作用下,因桩基础的相对位移增大了地基与桩基础间的滑移、脱离现象,特别是高温状态下地基与桩基础间的变形出现了明显的不稳定滑移,影响了整个桩基础的稳定性。     

碎石桩复合地基桩体减震作用研究

地震引起的土体液化和地基失效对岩土工程师而言仍是一个热点问题。地震液化及地基变形可以采用多种地基加固方法防治,碎石桩技术是常用方法之一。碎石桩复合地基抗液化效用主要是增加桩周土体的密度、桩体的排水以及桩体分担地震水平剪应力作用(桩体减震作用)。目前,以抗液化为主的碎石桩复合地基的设计以及效果评价方法仍只考虑加密作用。首先通过3个模型(1个饱和砂土地基模型、2个碎石桩复合地基模型)的振动台试验研究抗液化碎石桩的减震作用。然后以试验记录的模型动力反应以及建立的理论模型为基础,分析碎石桩复合地基的桩体减震作用。试验及理论分析结果表明,复合地基中的碎石桩可以明显地降低作用在桩间可液化土上的地震剪应力。     

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。     

滑坡对不同特性地震波的动力响应规律

地震边坡是边坡工程和地震工程的重要对象之一,而边坡在地震作用下的动力响应规律则是研究的核心内容。本文以玉树机场路滑坡群0#滑坡第七条块为研究对象,以大型有限元分析软件FLAC3D为研究工具,通过对正弦波、玉树水平波、玉树竖向波不同加速峰值作用下滑坡动力响应规律的研究,得到如下结论:(1)加速度放大系数在滑床内基本呈线性增大,但在滑面处有明显间断。(2)在正弦波、玉树水平波不同加速度峰值条件下滑带对加速度的影响规律一致。当加速度峰值较小时,滑带对加速度的影响较弱,随着加速度峰值的增大,滑带的滤波作用越来越显著。(3)相较于输入水平地震动,竖向地震动在坡体内引起的水平地震峰值加速度放大系数规律不太明显,仍需要进一步研究。     

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。     

强度弱化条件下饱和砂土地基中桩-土相互作用p-y曲线研究

在地震荷载作用下,可液化土层中的桩基础往往会由于地基土体液化而发生破坏。在此过程中即使土体最终没有达到完全液化,但由于超孔隙水压力的存在,饱和砂土会发生强度弱化,也会导致土体对桩身水平抗力的降低。此时若不考虑超孔隙水压力对土抗力的影响,仍然采用API规范中的p-y曲线对桩基础进行设计,结果将偏于危险。针对这种情况,首先利用竖向-扭转双向耦合剪切仪对饱和砂土进行了循环扭剪动强度试验,研究了不同弱化状态下饱和砂土的动力特性和弱化参数;然后基于浅层处改进的土楔体理论模型推导极限土抗力公式,并结合深层处的绕桩流动破坏理论模型,得到了任意深度处不同孔压比下的极限土抗力,进而构造了不同弱化状态下饱和砂土地基中桩-土相互作用的p-y曲线。通过研究发现:表征土体强度弱化状态的孔压比对桩-土相互作用的极限土抗力的影响非常显著,孔压比越大,土体强度弱化程度越严重,饱和砂土的极限土抗力值就越小,即横向受荷桩对周围土体的作用随着土体强度弱化程度的增加而降低,反之则增大。     

压力型锚杆支护边坡的动力响应与数值分析

采用振动台模型试验,输入汶川波、EL-Centro波和正弦波三种地震波,监测边坡加速度和锚杆应变,探讨地震作用下加固边坡的动力响应特征及锚杆应变的响应规律。得出:加固边坡土体对输入的地震波有垂直放大作用,水平方向放大作用不明显;在地震频率和幅值共同影响下,边坡加速度响应具有明显的差异。同一锚杆沿长度方向应变分布呈"前小后大"的模式;同列不同层锚杆在垂直方向应变响应差别较大,顶层、底层锚杆应变较边坡中部的锚杆应变响应明显。利用ABAQUS数值软件模拟振动台试验过程,得出锚固边坡动力响应特征与振动台试验结果一致。     

饱和砂土地基上抗滑桩加固边坡的动力离心模型试验研究

动力离心模型试验是研究可液化地基上抗滑桩加固边坡地震动力响应的有效手段之一。使用铜质抗滑模型桩,采用黏度为50 cs的甲基硅油做为孔隙流体,通过抽真空法制作了饱和地基上的加固边坡模型。进行动力离心模型试验,研究了地震作用下饱和砂土地基中动孔压、边坡变形与土体加速度和抗滑桩弯矩的响应特征。试验结果表明,地震作用导致的动力附加弯矩相当于震前静力弯矩的87 %,说明地震作用与地基液化导致的附加弯矩不容忽视,该结论可为边坡进行抗震设计与稳定分析提供有意义的参考。