振冲密实加固珊瑚砂地基地震响应振动台模型试验研究

珊瑚岛礁地基处理问题日益突出,为研究珊瑚砂场地的振冲加固处理效果,分别对振冲加固的珊瑚砂地基和未经振冲加固的松散珊瑚砂地基进行振动台模型试验,收集并对比分析了孔隙水压力和加速度响应规律。结果表明,振冲加固后的珊瑚砂地基在经历0.1g地震时超孔压持续缓慢增长并直至激励结束,未经振冲加固的珊瑚砂地基在激励输入3～4 s内超孔压迅速上升并达到稳定,并且整个地震模拟过程中加固地基超孔压始终小于未加固地基。振冲可有效降低地震输入时珊瑚砂地基的超孔压发展,振冲加固后的珊瑚砂地基在0.1g地震作用下超孔压较未加固的松散状态下降了37.2%～67.3%。经振冲加固后的珊瑚砂地基可有效减少加速度的放大效应。振冲加固后的放大系数为未加固地基的78.1%～91.1%。     

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。     

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。     

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。     

地震作用下地裂缝场地地震动参数试验研究

为研究地裂缝场地地表动力响应规律,以西安f4地裂缝场地为工程背景,采用剪切型模型箱,进行振动台模型试验。分析了地裂缝场地在地震作用下的破坏特征和动力响应,得到了地表地震动参数变化规律。试验结果表明：地震作用下,地裂缝场地的主裂缝在地表开裂、扩展,并在裂缝区产生与其45°相交的次生裂缝,次生裂缝的数量随着地震强度增大而增多;地表地震动参数峰值均表现出上、下盘效应,均在上盘裂缝处最大,逐渐向两侧递减;随着输入地震强度增大,地表加速度及Arias强度放大系数逐渐减小;上盘加速度变化频率较快,且上、下盘两侧加速度峰值存在相位差,但两侧位移及速度时程波形基本一致。该研究成果可为跨地裂缝结构抗震设计提供重要参考。     

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。     

近远场地震动作用下地铁车站结构地基液化效应的振动台试验

开展了近场和远场地震动作用下3跨3层地铁车站结构地基液化效应的振动台模型试验,测试了地铁车站结构的加速度、应变、水平位移反应和地基土孔隙水压力、加速度、震陷及其作用于模型结构侧墙的动土压力反应。分析和总结了地铁车站结构地基液化效应特征,结果表明：模型结构对其周围地基土孔隙水压力场的分布有明显影响,结构两侧和底部地基土中的孔压峰值小于相同深度离结构较远地基土中的孔压峰值;地基土中孔压的消散速度自下而上呈逐渐减慢的趋势;地震动作用过程中,模型结构产生向上的相对运动,强地震动作用时模型结构上浮现象明显;模型结构侧墙受到的动土压力随深度增大而减小,输入地震动特性对动土压力的大小有显著影响。     

黏性土中桩-土界面受力机制室内试验研究

通过黏性土与不同表面粗糙度混凝土板的室内直剪试验,模拟预制桩的界面受力性态。利用微型硅压阻式传感器测定桩-土界面孔隙水压力和土压力的变化,定量分析表面粗糙度对界面抗剪强度参数、界面阻力-剪切位移曲线的影响。试验结果表明:桩-土界面孔隙水压力约占法向应力的10%,实际工程中应考虑;提出桩-土界面阻力的概念,界面阻力由黏性土与混凝土之间黏着力和摩擦力两部分构成,其中摩擦力为界面法向有效土压力与界面摩擦系数的乘积。随着混凝土表面粗糙度的增加,界面黏着力增大且逐渐接近黏土自身黏聚力。表面粗糙度对界面摩擦系数影响较小,但对界面阻力有一定影响,桩-土界面峰值阻力和剪切位移均随粗糙度的增加而增大。试验结果能够为桩基工程的设计、施工与检测提供参考依据。     

竹节桩复合地基沉桩施工超孔隙水压力研究

结合宁波轨道交通4号线东钱湖车辆段竹节桩复合地基处理试验段沉桩施工,开展了土体中超静孔压现场测试,并在考虑竹节桩竹节间空隙对竖向超静孔压分布影响的基础上,推导建立了竹节桩沉桩引起的竖向孔压离散化计算公式。利用建立的离散化计算公式对2 m桩间距试验工况的孔压进行计算,并将计算结果与测试结果进行对比,结果表明:计算结果与实测结果较为吻合,考虑竹节空隙影响的竖向超静孔压计算理论可以较好获得竹节桩沉桩施工引起的超静孔压,可为竹节桩的设计和施工提供依据。     

地震序列作用下干砂与饱和砂地基动力响应离心模拟试验

海洋环境荷载复杂多变,海上构筑物基础周围土体作为主要承载体受地震作用的影响非常大。我国已建及拟建的沿海区域存在着大量饱和砂土层,相比于沙漠戈壁等干旱区域,基础周围土体的动力特性有极大不同。已有研究主要考虑单一地震作用下自由场土体力学性状演化,少有关注地震序列及地震历史对基础周围土体动力特性的影响。基于ZJU-400超重力振动台,开展了干砂地基和饱和砂地基离心模型试验,从离心模型尺度对比了两种地基中桩周土体在地震作用下的动力响应。研究发现,饱和地基的自振频率受地震历史的影响较明显,而干砂地基受其影响并不显著。桩-土强烈的相互作用会加速桩周土体超孔压发展。受地震历史效应的影响,土体剪胀特性逐渐加强;桩周超孔压的累积发展逐渐放缓,而消散速度却有所加快。在饱和地基中,桩周土体放大系数随着地震序列呈现明显的震荡增加现象,而在干砂地基中这种现象并不显著。采用反演方法发现,在整个施振过程中饱和砂地基桩周土体模量逐渐减小且不受剪应变关联的现象,揭示了其受超孔压的影响程度要大于剪应变的规律。     

珊瑚砂振冲密实加固响应室内模型试验研究

随着海洋岛礁工程的大力推进,吹填珊瑚砂地基的密实加固问题开始备受关注。利用自主研发的室内振冲器开展了珊瑚砂饱和砂土地基的室内振冲模型试验研究,深入分析了振冲过程中动孔隙水压力、水平动土压力等动参量的响应规律,探讨了振冲后沉降变形、相对密实度的变化特征。结果表明：松散珊瑚砂地基的密实度在经过两次双点振冲反复加固后均提升至中密。其中相对密实度在振冲点位处的提升效果较其余位置更为明显,并且中层或深层区域的加固效果优于表层区域。在超孔隙水压力方面,其最大值出现在振冲珊瑚砂地基过程中的贯入阶段,并且在留振开始时出现衰减现象。珊瑚砂地基在振冲器上拔过程中超孔隙水压力发生断崖式下跌。在第2次贯入时,超孔隙水压力比的峰值较首次出现显著下降。超孔隙水压力比等值线云图表明,振冲过程中的超孔隙水压力比等值线呈现平行分布。珊瑚砂浅层水平土压力随振冲器的贯入与拔出均呈现增加态势,深层水平土压力则呈现减少态势。     

粉土与粉质黏土互层中静压桩桩土界面孔隙水压力

为研究层状黏性土在静压桩沉桩过程中桩土界面孔隙水压力的分布规律,依托山东东营某桩基工程开展了现场足尺静压桩试验,分析了桩土界面孔隙水压力的变化规律,探讨了桩土界面超孔隙水压力的分布特征,明确了桩土界面孔隙水压力和超孔隙水压力的消散特性,并结合水力压裂理论和孔穴扩张理论,揭示了沉桩过程中桩土界面沿桩长方向超孔隙水压力的分布形式。试验结果表明：孔隙水压力、超孔隙水压力与土层性质密切相关,二者均在粉土层中增长较慢,在粉质黏土层中增长较快;在同一深度处,两者均存在明显的消散现象,在粉土中的消散程度明显大于粉质黏土中;采用水力压裂理论结合孔穴扩张理论计算的超孔隙水压力沿桩长方向的变化规律与试验值相吻合;桩身贯入深度越大,超孔隙水压力理论计算值与现场实测值越接近。     

基于埋地管道非一致激励振动台试验的土层地震响应研究

利用北京工业大学振动台九子台台阵系统,首次设计并开展了多点非一致激励下埋地管道的三台阵振动台试验,研究非一致激励下土层的地震响应。通过试验,观测了振动过程中场地土表现出的宏观现象,分析了自由场和非自由场土体的动力特性及加速度响应,研究了不同地震动、不同地震强度一致和非一致激励作用下土体的地震反应特性及其变化规律,比较了自由场与非自由场土体的加速度放大系数和同一测点的加速度时程及傅氏谱。研究结果表明:土体的地震响应除了与地震动记录、加载等级有关外,还与埋设的结构有一定的关系。非自由场的阻尼比、基频等动力参数略大于自由场的参数;在较低加载等级下,管道受周围土体约束作用较强,其地震反应基本上服从于土体的反应,但随着加载等级的提高,土体约束作用降低,管道的加速度稍大于土体的加速度;埋地管道的存在于一定范围内对土体的动力特性有一定的影响,但超过一定范围,这种影响将迅速减弱。所得结论与振动台试验所得的地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性,为后续埋地管道的地震破坏机制分析提供支撑。     

含细粒珊瑚土抗液化特性试验研究

珊瑚土作为新兴的热带地区岛礁与港口工程的首选土工材料,宽级配是其结构组成的主要特征。由于相关工程面临较高的地震风险,珊瑚土的抗液化能力正逐渐引起重视。为探究含细粒珊瑚土的抗液化能力,以东太平洋某热带港口工程的实际珊瑚土场地为背景,通过大粒径循环三轴液化试验测试了设计相对密实度为0.4～0.8的3组代表性级配试样及剔除细粒的两组试样的饱和不排水动强度。试验结果表明：幂函数可以模拟含细粒珊瑚土的循环应力比与液化所需振次关系;细粒的存在与相对密实度的提高不会显著提高珊瑚土抗液化能力;珊瑚土液化过程的超静孔压发展模式与砂土相近,两参数或三参数的反正弦模型可以较好地模拟含细粒珊瑚土的液化超孔压发展过程。研究表明,含细粒珊瑚土仍然属于可液化土类。以背景工程为例,同类型工程在设计施工及使用阶段都需要考虑对地震液化灾害的设防,该研究为珊瑚土液化防治工作提供了技术支持。     

沉桩挤土对孔隙水压力影响的试验研究

软粘土层深厚的地区进行预制桩沉桩将产生超静孔隙水压力的累积,过高的超静孔隙水压力使周围土体及建筑、地下管线等产生较大的变位,甚至产生破坏。以一次沉桩引起的超静孔隙水压力的原型试验,表明,单桩沉桩显著影响范围可达15m,沉桩引起的超静孔隙水压力水平可以达到甚至超过上覆有效土压力,并出现两个不同的相对稳定水平阶段。     

地基与密肋复合墙结构相互作用系统频域地震响应试验研究

为研究地震作用下黄土地基与密肋复合墙结构相互作用系统频域地震响应的基本规律,进行了1:15比例结构模型进行振动台试验。输入白噪声、El-Centro波、天津波,测试了结构与地基的动力响应。通过快速傅里叶变化得到频域响应曲线,分析了地基与结构的动力特性以及从7度至9度水平向地震波加载时的动力反应,对比了各加载工况下加速度及位移频域响应曲线,研究了地基、结构频域动力响应的基本规律及其影响因素。结果表明:地震波激励下地基土开裂,自振频率降低,对上部结构的嵌固作用减弱;地基表面与结构顶部加速度响应随烈度的提高而增大,峰值所对应频率的变化显著,地基对加速度的放大效应显著,上部结构对位移的放大效应显著。因此,考虑地基与结构相互作用后,动力放大效应与地基破坏状况及地震动特性密切相关。     

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。     

碎石桩设计参数对复合地基抗液化性能的影响

对碎石桩复合地基进行完全耦合的三维有效应力动力分析,探讨了碎石桩桩径、桩长和桩间距等设计参数对碎石桩复合地基抗液化性能的影响。结果表明,浅层范围内桩长对孔压比的影响较小,随深度的增大,桩长的影响有增大的趋势;在其他条件不变的情况下,随桩径的增大,桩间土中的超孔隙水压力降低,桩径对超孔压发展的影响沿深度方向不同,主要表现在中下部;当仅改变桩间距时,随桩间距的增大,桩间土中的超孔压升高,在工程设计时,桩径与桩间距的比值宜大于0.27,即桩间距的设计值不宜超过3.75D（D为碎石桩桩径）;随碎石桩本身渗透系数的增加,复合地基中不同深度处的超孔压都有所降低,并且随深度的增大,这种影响有增大的趋势。     

珊瑚砂地基中膨胀混凝土桩竖向受压承载性能研究

为研究珊瑚砂地基下膨胀混凝土桩竖向承载特性,开展了室内单桩竖向静载模型试验,分析了膨胀混凝土桩的单桩荷载-位移曲线以及轴力、桩侧摩阻力等沿桩长分布特性,与PLAXIS 3D软件数值模拟结果进行对比并探究了线膨胀率对承载特性的影响。结果表明:珊瑚砂中膨胀混凝土桩的荷载位移曲线呈现缓变型,在加载过程中,荷载主要由桩侧摩阻力承担,轴力随着深度的增加而减小,桩侧摩阻力随深度先增加后逐渐减小,随荷载的增加逐渐发挥作用。随着膨胀剂用量的增加,桩身线膨胀量逐渐增加,桩-土相互作用更加明显。添加25%HCSA型膨胀剂可提高近20%的极限承载力和56%的极限侧阻力,提高桩体线膨胀率可以有效提高桩的极限承载力和侧摩阻力。该研究可为珊瑚砂桩基工程设计提供参考。     

花岗岩质边坡地震动力响应及破坏特征大型振动台试验研究

地震触发的岩质边坡崩塌常造成巨大的灾害,特定地质条件下边坡地震动力响应及破坏机制是工程中的重要难题。以翠华山水湫池崩塌为研究对象,开展振动台试验,研究地震作用下受断层控制的岩质边坡动力响应及破坏机制。试验发现,当断层倾角大于临界角时,不连续界面处的部分反射波与透射波转变为滑行波,使得断层处加速度响应出现突变;模型边坡内部加速度峰值放大系数变化特征表现出显著的三阶段变化趋势;水平加速度响应呈现出随高程增加不断增大的特征,而竖直加速度峰值放大系数增加幅度较小;模型边坡的固有频率变化曲线可以分为3个阶段,整体呈现下降的趋势,表明模型动力特性发生变化。通过对比振动台试验与水湫池崩塌原型,发现含断层结构岩质边坡的主要破坏模式为边坡顶部在地震荷载作用下首先出现贯通的竖直拉裂缝,随后断层上盘破碎岩体裂解破坏,最终沿断层面发生剪切滑动。研究工作将为秦岭花岗岩地震山崩的风险预警提供研究示范,并为开发秦岭山崩遗迹提供科技支撑。