复杂艰险构造区铁路桥梁系统地震响应分析Part Ⅱ:SSI（土?结构相互作用）影响

目前国家正在复杂艰险构造区修建和规划新的铁路,地震等极限环境耦合作用对铁路交通的影响受到越来越多的关注.本文提出一种列车?桥梁?土耦合系统的数值模型,引入车辆简化模型、桥梁结构非线性有限元模型和层状土半解析模型,采用纯时域求解方法.利用p-y曲线、t-z曲线和q-z曲线建立土?桩基非线性模型,采用双线性模型模拟桥墩及桩基础的滞回特性,计算不良地质体发育区铁路列车?桥梁?土耦合系统的弹塑性地震响应,分析SSI对桥梁弹塑性地震响应的影响.研究表明,列车?桥梁?土耦合系统的第一弯曲模态通常是临界模态,即梁的一个半波形状导致土桥系统固有频率降低.另外,对于横向地震响应来说,考虑SSI（土?结构相互作用）后,影响地震响应的频率成分会发生变化,除了频率会变小之外,频段也会变宽.考虑SSI之前,影响频段是1.8~2.0 Hz,考虑SSI之后变为1.2~2.0 Hz之间.对于梁跨中竖向加速度,从考虑SSI之前的4.576 Hz到考虑SSI之后的14.215 Hz,建议考虑SSI进行设计时候应考虑竖向高阶振型影响.      

桩柱结构在地震作用下非线性响应研究

基于试验基础上建立的经典弹塑性模型--剑桥模型能够准确描述正常固结土的应力-应变关系。当土体的应力历史上经历过卸载或受到循环交变荷载作用即进入超固结状态,它作为土的应力历史的反映,相比正常固结土受力特性有着显著的差异。为研究超固结因素对土体加载特性的影响,在引入能考虑超固结状态影响的下负荷面剑桥模型后,通过三轴压缩和剪切试验对处于超固结状态下土体的受力特性进行了对比分析,并对循环剪切加载下的应力-应变关系以及超固结比的演化规律进行了研究。结果表明,下负荷面剑桥模型能准确反映超固结因素对土体力学特性的影响,相比原状土有着更高的屈服强度。而通过数值模拟自由场地基在地震作用下的动力响应可以看出,超固结因素对地基的动力响应起到了不可忽略的影响,尤其在强震下更需要考虑其影响。在自由场地基地震动力响应基础上,通过对桩柱结构桩-土耦合系统在地震作用下非线性动力响应的模拟对土体非线性以及超固结因素的影响进行了对比研究,研究表明：土体的非线性因素能显著降低结构振动响应中的高频成分,由于土体在交变加载下很快进入超固结状态,相对于剑桥模型,下负荷面剑桥模型在考虑超固结因素后土体的承载性能显著提高,尤其在强震作用下超固结因素带来的影响更加明显,因此,建议对桩基结构物地震响应研究考虑超固结因素影响,以提高桩基结构物地震响应模拟的精确度和可靠性。     

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。     

频率测深的拟地震解释法

电磁波和弹性波的复反射函数无论从数学表达形式上,还是从物理意义上都有一定的相似性。通过对拟地震解释法中反射系数q_n的求取,将频率测深曲线转换成v_p－t₀曲线及时间剖面,并对均匀介质及2层、3层、4层断面的理论模型和实例做了正反演计算。结果表明,频率测深拟地震解释法作为一种新的解释手段具有较好的应用前景。      

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。     

水平荷载下套管桩基的非线性响应分析

提出了用新型套管桩基来提高海洋平台桩基水平承载力和减小平台响应幅值。采用p-y曲线法来模拟桩土间的相互作用,对套管桩基进行非线性响应分析,研究了套管的埋深和宽度对桩身变形和土抗力的影响,并与普通桩基进行了对比分析。研究表明,套管桩基能充分发挥桩土间的相互作用,提高桩基的水平承载力,减小桩基的水平响应。     

土参数对桩基水平响应影响的研究

桩基的水平响应由桩土间的相互作用决定,通过采用p-y曲线来表示桩土间的非线性相互作用。通过算例,讨论分析了粘性土参数的变化对p-y曲线中土体的极限强度和刚度、桩基水平位移和弯矩分布及最大弯矩和水平荷载关系的影响。     

单孔地震法在高速公路桥墩基桩检测中的应用与研究

简要介绍了单孔地震法在高速公路桥墩基桩桩身完整性检测中的应用,根据现场情况建立了相关的二维地球物理模型,用波动力学原理进行地震波正演,将正演的地震波响应特征作了总结。讨论分析了"有桩无桩、桩身长度、桩身完整性"等三个桩基无损检测问题,区别于以往笼统的将地震记录的时间-深度曲线的变化归于桩基破损的推测,分析了造成时间-深度曲线的变化的原因,明确几种情况下桩基单孔地震记录的特征,用模型响应指导了解释工作,提高了桩基检测工作的质量和检测结果评定的可靠性。     

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。     

阵列式位移计测试技术在土-结构体系振动台模型试验中的应用

阵列式位移计（SAA）是一种基于微电子机械系统测试原理的测试加速度和位移的传感器,该方法具有精度高、可重复利用、自动实时采集等特点。介绍了SAA测试技术首次在成层土中桩基与复合桩基大型振动台模型试验中的应用,研究了桩基、复合地基及模型地基土体系的地震位移响应。试验结果表明：SAA可全面、直观地测试桩体及土体在地震动荷载下的加速度以及变形反应规律;测试数据发现小震作用下,地基土与桩身位移协调;随地震作用加大,地基土与桩身位移差异增大;地基土中软土夹层的存在对地基土的水平位移影响较大。     

倒T型导管墙桩基防波堤桩基土抗力及稳定性简化计算方法

倒T型导管墙桩基防波堤作为新型港工结构,主要依靠桩基和自身重力维持稳定。以天津港水文地质条件为算例,建立三维弹塑性有限元模型,通过荷载-位移关系曲线,确定稳定性安全系数。分析极限状态下桩基沿环向与竖向的土压力分布,得出桩侧极限水平土抗力,并将有限元结果与美国规范API土抗力计算方法进行比较。造成防波堤结构失稳的原因主要有两个,即结构自身无法满足强度要求和土体达到极限。结构自身强度达到极限时,可用p-y曲线有限差分迭代法求取安全系数;土体达到破坏极限时,可分别假定转动点位于桩轴线上和偏离桩轴线两种情况,利用极限平衡法,建立抗倾稳定性简化计算方法。经验证,理论方法得到的稳定性安全系数与有限元结果比较接近。     

结构性黏土的原位刚度衰减规律及数学表征

湛江组黏土作为一种高强度、高灵敏度的结构性土,其力学特性易受取样扰动的影响。通过在典型结构性黏土地层中开展自钻旁压试验(SBPT)和地震扁铲试验(SDMT),获取了土体原位剪切模量-剪应变衰减曲线(G-γ曲线),并采用Stokoe模型表征其归一化刚度衰减性状。结果表明：通过SDMT测得的地震波波速V_s计算了小应变剪切模量G₀,基于SBPT结果的非线性分析推导出土体的切线剪切模量G_t,结合G₀和G_t进而获取了完整的原位刚度衰减曲线;不同深度处的土体原位剪切模量G随剪应变γ增加均呈双曲线形的衰减规律,证明结构性黏土的力学性能具有非线性特征;随着土层深度增加,结构性黏土的原位刚度参数在γ≤10^-3%条件下呈增大趋势,在γ>1%条件下几乎不变;归一化的原位G-γ曲线与Stokoe模型计算结果基本吻合,说明采用Stokoe模型能够准确、合理地描述土体原位刚度衰减特征。该研究可为湛江组黏土地层的岩土工程建设提供设计参数,也可为类似地层的刚度分析提供参考。     

基于随机地震反应的桥墩-群桩-土相互作用研究

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明：相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关;软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5 %～30 %左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。     

水平荷载下导管架平台桩基础的非线性有限元分析

导管架平台桩基础的控制荷载主要为风荷载、波浪荷载、地震荷载等水平荷载,为研究水平荷载下导管架平台桩基础的承载特性,采用非线性有限元分析方法对水平荷载下桩-土之间的相互作用进行研究,提出了有效模拟桩基水平承载特性的有限元模型,分析了模型桩的刚度、直径、土质参数中水平土压力系数、剪胀角对桩基承载特性的影响及水平荷载下群桩承载特性,并将有限元计算结果与API规范及模型试验结果进行对比。研究结果表明,非线性有限元分析方法分析水平荷载下桩-土相互作用是可行的,计算结果可为导管架平台的桩基设计提供参考。     

灌注桩动力特性试验与数值模拟研究

结合某风洞建设项目现场桩基动力特性试验,采用三维有限差分模拟软件FLAC^3D建立双桩模型基础进行计算机仿真,分析结果与试验数据吻合良好,验证了基于桩−土−结构共同作用开展数值模拟求解设备荷载作用下桩基础动力响应方法的合理性。进一步建立灌注桩后注浆模型,探讨采取不同桩侧阻力和桩端阻力增强系数对桩基动力特性的影响。结果表明：灌注桩后注浆对竖向振动的共振频率没有影响,对水平回转振动的共振频率、最大振幅、地基抗剪刚度系数和地基水平转向第1振型阻尼比的影响均很小;灌注桩后注浆能起到提高桩基抗压刚度、减少桩基最大振幅的效果,但相对于未注浆其效果有限。     

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。     

隔离桩及盾构近接施工对高铁桩基的影响分析

针对饱和砂土地区盾构隧道超近接高铁桥墩摩擦桩的工程问题,采用钻孔灌注桩及高压旋喷桩组合隔断隧桩间位移。分别对钻孔灌注桩、高压旋喷桩及盾构上下行线近接高铁桥梁桩基引起的高铁桩基的变形及变位开展现场试验,对现场实测数据及规律进行分析。结果表明,钻孔灌注桩施工使高铁桥墩产生沉降,占施工过程最大沉降量的 75%～125%;高压旋喷桩施工导致桥墩产生隆起,占施工过程最大沉降量的-50%,旋喷桩施工完成后将持续一段时间;盾构施工对高铁桥墩竖向变形产生影响,距离高铁桩基越近影响越大,同时累计沉降跟盾构施工控制有较大关系。     

热-力耦合作用下垃圾土体积变形特性和模型研究

城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构模型研究。在前期试验基础上,采用GDS温控应力路径三轴仪,研究了排水条件下温度对垃圾土中黏土体积变形特性和压缩特性的影响,并与相同条件下垃圾土体积变形特性进行比较,揭示了温度变化对垃圾土体积变形特性的影响机制。基于垃圾土温控三轴试验结果,推导了垃圾土热弹塑性压缩指数λ_T和热弹性压缩指数κ_T的确定方法;采用等效应力原则,假设温度变化引起的弹塑性体积应变等于某一等效应力增量引起的弹塑性体积应变,建立了垃圾土在热-力耦合作用下的体变计算模型,并对模型进行了验证分析。研究结果表明,孔隙比是影响垃圾土温度体积应变的主要因素;垃圾土的λ_T和κ_T随初始固结应力的增加而减小,比黏土高一个数量级;选取常温下相应固结应力水平的回弹指数κ和压缩指数λ比例值(κ/λ)能够较好地模拟热-力耦合作用下垃圾土的体...     

竖向入射S波作用下单桩水平地震响应简化解析方法

基于连续介质模型并考虑桩-土运动相互作用,将单桩视为一维线弹性梁,研究了竖向入射S波作用下的单桩水平地震响应问题。将竖向入射S波模拟为基岩水平位移,基于平面应变模型建立的土体控制方程,推导出地震作用下土体水平动力阻抗函数表达式。将土体阻抗代入单桩控制方程并联立桩-土接触条件及桩顶和桩底的边界条件,得出了竖向入射S波作用下单桩的地震响应解析解。通过将所得解与已有文献理论解和有限元结果进行对比,验证了该方法的合理性。基于所得理论解进行参数分析得出：桩-土模量比的增加可以明显降低桩-土运动相互作用因子的最小值,而较大桩身长径比以及土体滞回阻尼对桩-土运动相互作用因子的影响较小;对于桩顶水平地震放大因子来说,桩-土模量比的增加仅在高共振频率处抑制其幅值,较大桩身长径比对其影响较小,而滞回阻尼比的增加会显著抑制共振频率处的幅值;桩身地震响应仅在较小桩径比时受桩-土模量比的影响明显,并随桩-土模量比的增加而降低。     

地震作用下复合地基-筏板-上部结构相互作用体系的动力弹塑性分析

基于复合地基-上部结构相互作用的静力分析已取得一定的研究成果,但其在动力荷载作用下,特别是地震作用下的动力响应却相当匮乏。首先借助有关试验通过ABAQUS和EERA的模拟分析,验证了基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性模型能较好地反映土体非线性动力特性以及采用有限元与无限元耦合的方法对土体无限边界的模拟。在此基础上,针对实际问题建立了刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,对其进行动力弹塑性时程分析,并讨论了该复合地基与桩基对地震响应的差异。深入研究了不同强度地震作用下,刚性桩复合地基的工作机制,包括桩体、褥垫层、筏板的动力响应以及上部结构的地震反应和抗震性能。结果表明,小震时褥垫层基本没有减震效果,大震时复合地基的抗震性能优于桩基。地震越强烈,减震效果越明显,但作用有限,减震系数一般在0.8以上,可为工程实践提供参考。