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。     

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。     

微倾斜场地中地铁地下结构周围地基液化与变形特性振动台模型试验研究

强震中场地砂土液化产生的土层侧移对地面建筑结构和地下生命线工程造成了严重的破坏。可以预见,微倾斜液化场地的土层侧移也将对地铁地下结构的地震安全造成严重的威胁。鉴于此,开展了微倾斜（倾角为6o）可液化场地中两层三跨地铁地下车站结构与区间隧道连接部位地震反应的大型振动台模型试验研究。结果表明：微倾斜可液化场地中地铁车站结构两侧地基出现了明显的非对称液化分布特征,坡体下方水平土层比上方水平土层更易液化;因坡体内土体液化沿坡向下流滑引起了下方水平土层发生了明显的地面抬升,总体上坡体段内的地面侧移量最大,下方水平土层地面侧移量次之,坡体上方水平土层地面侧移量最小。同时,在试验过程中也发现,隧道和车站结构之间发生了明显的差异上浮,可能会造成连接部位附近结构的应力集中或加重该部位的地震破坏。     

陡倾层状岩质边坡动力响应大型振动台模型试验研究

结合 5·12 汶川地震诱发的大量次生地质灾害,设计并完成了比例为1 :100的边坡大型振动台模型试验,讨论了相似关系和模型的设计、传感器的布置、模型的建造过程,编制了动荷载加载制度。试验结果表明,边坡对输入动荷载具有放大作用,沿坡面向上,PGA放大系数呈上升趋势,并具有一定的节律性,其节律性变化规律受坡体岩性、结构面组合和动荷载振动方向的影响; 动荷载X向振动时的坡面峰值重力加速度(PGA)放大系数明显大于Z向振动时的坡面PGA放大系数,说明坡体在X向振动时的动力响应更为强烈; 坡体内PGA放大系数在铅直向上呈线性放大,在水平向上表现为节律性变化。试验结果有助于了解陡倾层状岩质边坡在不同动荷载作用下的响应规律,对研究其变形失稳机制和抗震结构设计提供了依据。     

离心机振动台模型试验验证的珊瑚礁砂液化判别方法研究

工程现场珊瑚礁砂场地主要以珊瑚砂、砾组成的宽级配珊瑚礁砂,其砾粒含量分布从20%～90%,其液化特性与普通石英砂有较大区别,如仍采用现行液化判别方法评估珊瑚礁砂场地液化潜势,则容易导致工程场地的抗液化处理设计不经济或无法满足要求。以中国南海岛礁和东帝汶珊瑚礁砂为研究对象开展了原级配大动三轴试验分析,建立了基于抗液化强度(cyclic resistance ratios,简称CRR)与相对密实度Dr关系液化判别方法,并通过离心机振动试验进行对比分析。结果表明,当采取相同地震动工况时,由动三轴试验产生的超孔压比相比模型试验超孔压比大;当持时增加到30周时(对应震级8级),土体液化深度达20m,有效证明了珊瑚礁砂场地遭遇强地震动时具有液化潜在风险。此外,通过液化判别计算,验证了基于CRR-D_r关系的液化判别方法准确率达82.5%,且判别不一致工况的判别结果偏保守,进一步验证了此方法可应用于工程抗液化设计。     

不同含水状态堆积体边坡地震响应特性大型振动台模型试验

堆积体边坡动力响应特性复杂,影响因素众多。已有的大型动三轴试验结果表明,含水状态对堆积体的动剪切模量比与阻尼比有重要影响。针对含水状态这一因素,开展了2组不同含水率的1:12比尺的大型振动台堆积体边坡模型试验,对比分析了其在连续地震荷载序列作用下的加速度响应特性与坡顶位移发展趋势。试验结果表明：2组边坡模型均表现出第一阶自振频率随着加载序列递减、阻尼比随着加载序列增大的现象,但含水率为6.6%时,边坡第1阶自振频率与阻尼比均大于含水率为0.7%的堆积体边坡。堆积体边坡含水率为6.6%时的输入地震动峰值加速度（PGA）放大系数大于堆积体边坡含水率为0.7%时的工况。2组模型坡顶水平响应加速度的傅里叶频谱特征相似,均表现出输入地震波的特征频率越接近模型第1阶自振频率,坡顶水平加速度放大效应越明显,而且从低频侧接近第1阶自振频率的响应比从高频侧接近的要显著。含水率为6.6%的堆积体边坡在多级地震荷载作用下的坡顶永久位移均大于含水率为0.7%的边坡,堆积体边坡含水率为6.6%,坡顶永久位移对输入地震波的频谱特性更敏感。研究结论有助于增强不同含水状态对堆积体边坡动力响应规律影响的认识。     

隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道仰坡的动力响应特性及仰坡坡体和衬砌结构的相互作用,设计并完成了隧道洞口段大型振动台模型试验。试验结果表明,地震作用下仰坡的加速度反应存在显著的非线性放大效应和趋表效应;当输入地震波幅值超过0.6g时,土体的非线性反应明显增强,加速度放大系数显著降低,表现出放大效应饱和的特性,且沿坡体竖直向上,加速度分布逐渐表现出平均化的趋势;隧道洞口段仰坡水平向动力反应受隧道结构存在的影响较小,可简化为自然边坡进行分析;仰坡的动力失稳是影响衬砌结构安全性的重要因素,当输入地震波幅值较小时,竖直向地震作用下衬砌主要受力部位受力要大于水平向地震作用,当幅值较大时,水平向地震动对衬砌结构的影响则明显大于竖向地震动;均质仰坡的破坏部位主要位于仰坡坡肩至坡面上部,破坏过程表现为地震力诱发-坡肩土体拉裂张开-坡肩土体倾倒崩塌-崩塌的土体沿坡面滑落碰撞-形成碎屑流堆积于坡脚。模型试验的结果能为山岭隧道洞口段的理论分析、计算和设计提供指导和依据。     

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。     

传递函数在场地振动台模型试验中的应用研究

利用场地大型振动台试验,基于传递函数理论,计算得到场地的相对传递函数和绝对传递函数,并对两类传递函数特征以及利用两类传递函数计算场地动力特性参数的差异性进行了对比,并对采用传递函数进行场地频域动力响应估算的可行性和准确性进行了分析。研究结果表明：相对传递函数和绝对传递函数的虚部重合,采用两种传递函数虚部计算场地动力参数具有等同性,且采用两种传递函数虚部曲线计算得到的动力特性参数较为准确;固有频率的计算适合采用两种传递函数的虚部或是相对传递函数的模;场地阻尼比的计算宜采用两种传递函数的虚部或绝对传递函数的模;利用两种传递函数实部、虚部或模计算得到的场地加速度振型是一致的;利用传递函数估算场地频域动力响应是可行的,且相对传递函数的估算结果更加准确。该研究对传递函数在场地动力特性参数计算及场地频域响应估算方面进行了有益的尝试。     

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。     

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。     

刚性桩复合地基抗震性能的振动台试验研究

为研究刚性桩复合地基的抗震性能,设计并完成了刚性桩复合地基1:10比尺的振动台试验。试验采用柔性容器这一较新的技术较好地模拟了地基在地震作用下的振动变形。此外,为解决模型与原型难以较好相似的问题,模型中尝试采用了在基础底板施加竖向力、在结构上附加阻尼器等措施。通过大量激振试验,对刚性桩复合地基的地震反应性态、柔性容器的效果等问题进行了研究。结果表明,柔性容器能够较好地解决模型试验的边界问题,刚性桩复合地基具有良好的抗震性能,桩身应变在地震作用下均未达到极限值,上部结构特性对桩身变形有一定影响,振动使土体对基础的约束减弱,但对桩的约束增强。     

基于振动台试验的抗滑桩加固斜坡桥基研究

基于工程实践中研究斜坡桥基抗震加固的需要,设计并完成前后排抗滑桩加固滑坡桥基的振动台模型试验。通过加载不同频率、加速度峰值的正弦波,分析振动时桥墩基桩、抗滑桩的受力变形规律,探讨滑坡破坏发展过程和动力响应特性。试验结果显示,前后排抗滑桩均应与桥基保持合理距离,有利于桥墩基础的受力变形;受桥梁上部结构的动力影响,桥墩基桩应变沿桩深衰减,衰减速度与土体抗力相关;当后排抗滑桩开裂后,桩身应变骤降,桩后土压力出现卸荷效应,但抗滑桩仍有潜在的承载能力,同时滑坡从稳定性最差的区域开始破坏,逐渐产生频段耦合效应,在后排抗滑桩达到承载极限前,频段耦合效应显著,达到承载极限后,卸荷效应显著。     

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。     

高陡边坡组合式支挡结构大型振动台试验研究

为研究上部采用锚索框架结构、下部设置为桩板墙的组合式支挡结构的抗震性能,开展了大型振动台模型试验。通过输入不同强度大瑞波测试了组合结构的加速度响应和动土压力响应,同时将动土压力的实测值与规范法、Mononobe-Okabe法（M-O法）的计算值进行了对比研究。研究表明：（1）组合式支挡结构在不同强度地震动激励下水平向和竖直向加速度沿坡高有不同程度的放大,且输入的激振加速度幅值越大,放大效应越明显;（2）组合式支挡结构下部桩板墙墙后的动土压力强度随激振加速度幅值的增大而增大,沿着墙高呈现出上部小、下部大的分布特性;（3）动土压力强度的计算,在低烈度区使用规范法和M-O法是合理的,但在高烈度区需要对规范法和M-O法进行修正。     

土质边坡微型桩组合结构大型振动台试验研究

我国是一个地震多发国家。微型桩组合结构作为一种新型柔性支护结构,研究其在地震作用下对土质边坡的支护作用成为了一个意义重大的问题。为此,通过大型振动台试验,以混合加载的方式,研究了微型桩组合结构在加固土质边坡中的动力学特性。试验结果表明：微型桩组合结构在地震作用下对土质边坡的加固达到了理想的结果;加载时随着El波加速度峰值的不断增大,前、后排微型桩桩身加速度峰值及桩身动土压力随之不断增大;随着输入的El-Centro波动峰值加速度的增大,测点动土压力响应效应也越显著;微型桩滑面上、下1/3位置、悬臂端顶部及锚固段底部处,动土压力及加速度常常达到最大值,在实际工程设计及应用中应重点关注这些位置。该研究结果可以为同类地区治理类似滑坡提供抗震设计支撑。