对称双斜桩侧向动力响应特性试验研究

地震作用下的桩基动力响应问题一直是土动力学和岩土工程抗震领域研究的热点。本文基于非液化干砂和饱和砂土中对称双直桩和双斜桩电磁式振动台试验,在试验中输入不同峰值加速度的正弦波和不同的地震波形,对比研究非液化干砂和饱和砂土中斜桩横向动力响应特性的不同,主要包括桩头承台加速度和位移幅值与台面输入时程的对比。研究结果表明:无论是正弦波输入还是地震波输入试验,当饱和砂土发生液化后,桩周土对桩侧支撑反力降低从而导致桩-土之间相互作用力减小,加速度和位移幅值放大效应均发生显著增加,对称双斜桩的动力响应放大程度低于对称双直桩,尤其在饱和砂土液化时更加显著。地震波输入试验中承台加速度和位移量值均明显高于正弦波试验工况,但相对台面输出幅值的动力放大倍数整体水平较低。     

FBG传感系统在桩基侧向动力响应中的应用研究

液化土体中桩基侧向动力响应一直是目前岩土工程界和地震工程领域关注的热点研究问题之一.本文基于振动台实验,首次将光纤布拉格光栅(FBG)技术应用到液化土体桩基侧向动力响应分析方法中.实验结果表明:采用FBG传感系统可以测得桩身侧向动力响应,与传统电阻式应变片法相比简洁方便;FBG测量土体位移同样有效可行,可代替以往加速度积分求解土体位移;后处理得到的桩基侧向动力p-y滞回曲线能更好地反映桩土之间真实的动力本构关系,并与干砂动力p-y曲线相比,探讨两种不同场地条件下桩基侧向动力响应机制与p-y曲线的发展变化模式,为以后液化土中桩基侧向动力响应问题的研究奠定了理论基础.     

地震作用下群桩水平动力响应特性及P-Y曲线试验研究

目前地震作用下桩基水平动力响应一直是岩土工程界和地震工程领域关注的热点研究问题之一。本文基于振动台试验,通过不同的台面输入波形,引入FBG传感系统对土-群桩—承台结构水平动力响应特性及P-Y曲线主干线变化规律进行研究,并将群桩中各基桩和单桩P-Y曲线主干线与API规范推荐方法进行对比研究。结果表明：对于非液化土试验,各承台的加速度和位移较台面放大倍数普遍不大;饱和砂土试验单桩承台加速度和位移比群桩大2~3倍,群桩承台加速度和位移幅值分别是非液化土的2~3倍;非液化土试验桩基P-Y曲线主干线倾斜度与API规范方法符合较好,而饱和砂土中无论是单桩还是群桩P-Y主干线均需将API规范方法进行适当的折减。     

地震作用下群桩水平动力响应特性及P-Y曲线试验研究

目前地震作用下桩基水平动力响应一直是岩土工程界和地震工程领域关注的热点研究问题之一。本文基于振动台试验,通过不同的台面输入波形,引入FBG传感系统对土-群桩—承台结构水平动力响应特性及P-Y曲线主干线变化规律进行研究,并将群桩中各基桩和单桩P-Y曲线主干线与API规范推荐方法进行对比研究。结果表明：对于非液化土试验,各承台的加速度和位移较台面放大倍数普遍不大;饱和砂土试验单桩承台加速度和位移比群桩大2~3倍,群桩承台加速度和位移幅值分别是非液化土的2~3倍;非液化土试验桩基P-Y曲线主干线倾斜度与API规范方法符合较好,而饱和砂土中无论是单桩还是群桩P-Y主干线均需将API规范方法进行适当的折减。     

桩-液化土相互作用p-y关系分析

基于多工况的桩-液化土体动力相互作用振动台试验,研究地震荷载作用下液化土层中桩土间侧向相互作用力p与桩身和土体间侧向相对位移y之间的关系。将试验得到的实际p-y曲线与采用拟静力法和以API规范为基础的折减系数法计算出的p-y曲线进行对比,结果表明:(1)液化土层中试验得到的桩真实p-y响应及由拟静力法和折减系数法得到的结果都呈非线性变化,三者极限状态有接近一致的趋势,但变化过程差异明显;(2)采用拟静力法和折减系数法都会使液化土层桩基础侧向反力迅速增长,很快达到屈服极限,远远超过实际情况,会导致相当保守的结果;(3)液化进程中控制桩p-y响应的是土体位移而非惯性力,因而拟静力法和折减系数法的原理不适合桩-液化土体动力相互作用分析,不能用于液化土层中桩基础地震响应的计算。     

不同厚度饱和砂土中群桩结构动力响应试验研究

液化土中桩基础动力响应规律一直是工程抗震领域关注的热点问题。本文基于非液化砂土和不同厚度饱和砂土中的2×2群桩结构模型振动台试验,通过输入一定峰值加速度和频率的正弦波,对群桩在非液化土层和两种不同厚度饱和砂土层中的横向动力响应特性进行振动台试验研究。研究结果表明:在正弦波输入情况下,非液化砂土中群桩承台加速度和位移时程与台面输入时程相比,波形变化规律与峰值大小均相差不大;而对两种不同厚度饱和砂土中承台加速度和位移峰值放大较多,在相对较薄的饱和砂土中群桩承台加速度峰值较台面输入放大了1.83倍,较台面输出位移峰值放大了1.58倍;在相对较厚的饱和砂土中承台加速度和位移峰值则分别放大了2.18倍和1.91倍,说明在相同输入条件下,较厚的饱和砂土在发生液化后群桩承台的动力响应更加显著。     

饱和砂土中箱型隧道的地震反应分析

饱和砂土地基在地震作用下存在液化的潜在危险,液化引起的地基失效可能会导致地下结构的严重震害。以Opensees作为计算平台,对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行输入不同幅值地震动时的动力数值计算,研究场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的震后位移以及隧道的内力分布。计算结果表明,饱和砂土中箱型隧道的地震附加内力仍受周围土体的相对位移控制,此外在震后隧道可能会产生侧移和上浮的永久位移,并且可能存在残余内力。     

地震作用下液化场地变截面桩与等截面桩的动力响应对比分析

为研究液化场地变截面桩的动力响应,依托翔安大桥实体工程,采用有限元软件,建立变截面桩－土和等截面桩－土相互作用模型,模拟液化场地变截面桩及等截面桩在地震作用下的振动反应,分析在地震作用下变截面位置不同的变截面桩及等截面桩的动力响应特征。结果表明:地震作用下,液化土层不同深度处的孔压比变化规律基本相同,均从0逐渐增大最后趋于稳定;变截面桩的桩身加速度和桩身位移均大于等截面桩,且桩顶加速度峰值出现的时刻均滞后于桩底;在饱和砂土层处,桩身位移变化趋势均较陡;变截面桩的桩身弯矩峰值和桩身剪力峰值均大于等截面桩,且其峰值出现的位置较等截面桩深;地震作用下,变截面桩及等截面桩的弯矩与剪力均在安全范围之内;液化场地变截面梁桥桩基础抗震设计时,应着重分析液化土层与非液化土层分界面以下的抗弯能力设计及液化土层中抗剪能力设计。     

饱和砂土地基中群桩侧向动力响应试验与数值模拟对比研究

可液化场地中桩基尤其是群桩的横向动力响应特性的研究,一直是国内外岩土地震工程领域关注的热点问题。由于桩-土-承台结构动力相互作用过程的复杂性,基于砂土-群桩-承台结构模型振动台试验,对饱和砂土中群桩侧向动力响应特性进行了分析。在此基础上,通过大型有限元软件OpenSees建立了三维模型,展开了数值模拟研究,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比研究。结果表明:在正弦波输入下,无论是干砂还是饱和砂土试验,群桩承台加速度和位移时程与模拟承台加速度和位移时程在曲线趋势和峰值上基本吻合;在El-Centro地震波输入下,干砂和饱和砂土的模拟承台加速度时程曲线峰值和趋势与试验的比较吻合,而承台位移时程曲线频率比试验要高,但承台位移峰值基本一致。     

双向地震作用下液化水平和倾斜场地-桩基-桥梁结构地震反应的差异研究

根据已经完成的液化侧向扩展场地-群桩基础-上部结构体系大型振动台试验,在有限元软件OpenSees中建立了可液化倾斜场地振动台试验的有限元模型。通过与试验结果对比,验证了数值模型的可靠性。基于此,建立了典型水平和倾斜液化场地-桩基-桥梁结构体系的数值模型,讨论了双向地震作用下水平和倾斜场地体系地震响应的差异,结果表明:相比水平场地,倾斜场地超孔隙水压力在峰值阶段波动幅度更大,土体的侧向位移增加明显,尤其是在饱和砂土中部位置;倾斜场地中桩基础的破坏程度更大,可液化层中部桩基曲率最大可增大约13倍,桩身水平位移显著增加;而水平场地桥墩曲率比倾斜场地桥墩曲率大,建议在液化场地桩基设计中应考虑场地倾斜带来的影响。      

液化场地桥梁足尺桩抗震简化分析方法

采用国际VELACS项目中离心机试验标定的内华达砂的动力计算参数,建立液化场地足尺桩-土动力相互作用分析的三维有限元模型;获得不同幅值的正弦波作用下桩-土动力相互作用的p-y曲线,修正并发展一种可用于液化场地桩-土动力相互作用分析的宏单元模型,并基于非线性文克尔地基梁模型建立桥梁足尺桩抗震分析的数值模型与简化方法,通过有限元分析结果验证该简化方法的正确性。     

地下结构地震反应规律和抗震设计方法研究

随着城市轨道交通系统,尤其是地铁的大规模建设,城市轨道交通系统的安全问题已经成为重中之重。地铁系统要在长时间的运行周期内保证安全,就必须具有良好的抗震性能。对于地下结构抗震问题,模型试验和数值计算是必不可少的两种手段,合理且简便的抗震设计方法是研究所要达到的目标,而地下结构周围土体材料的非线性动力本构模型是研究中的难点。本文对地下结构的地震反应规律和抗震设计方法进行了深入研究,取得了如下研究成果:(1)土的本构模型。根据Hardin和Drnevich提出的土体动应力-应变关系曲线以及其在非等幅往返荷载作用下的Pyke修正,结合Dafilias和Popov等人提出的边界面理论,构造了基于Hardin曲线的土体边界面本构模型,并在ADINA中利用自定义材料的二次开发实现了该本构模型。(2)二维有限元动力计算。采用Opensees对饱和砂土场地的地震反应进行了非线性动力有限元分析,并通过改变土性、地震动幅值、持时、频率等因素后数值模拟的对比,分析了各因素对可液化场地地震反应的影响;然后对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行了输入不同幅值地震动时的动力计算,分析了场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的变形和位移、以及隧道的内力分布,揭示了可液化土层中箱型隧道的地震反应规律和震害机理。(3)饱和砂土中地下结构地震反应振动台试验。完成了饱和砂土中地下结构地震反应的振动台试验,从孔压、土层加速度、土层频谱、地下结构加速度、地下结构频谱、动土压力和地下结构应变等方面分析了试验结果,并观测了宏观的试验现象,分析了饱和砂土场地以及其中埋置的地下结构的地震反应规律。(4)三维有限元动力计算。在Opensees计算平台中建立了穿过饱和砂土和粘土分界面箱型隧道的三维有限元模型并且进行了动力数值计算,对比分析了分界面两侧的土层和隧道的地震反应,此外,亦分析了沿隧道纵向地表竖向位移、隧道变形和隧道内力的分布,揭示了饱和砂土和粘土对隧道地震反应的不同作用,探索了穿过饱和砂土和粘土分界面的箱型隧道的地震反应规律和震害机理,对实际工程建设中此类隧道的抗震研究具有重要意义。(5)地下结构横截面抗震设计方法。详细介绍了反应位移法的原理和具体内容,以动力时程计算的结果作为参照,比较了几种地基弹簧参数取值方法计算结果的准确性;然后在反应位移法的基础上提出了大震下地基弹簧参数取值的非线性修正,并对其计算结果进行了验证;最后又依据地基弹簧参数取值的非线性修正,进而提出了基于反应位移法的地下结构简化pushover分析方法,并根据一具体算例对其计算结果进行了验证。(6)地铁隧道纵向抗震设计方法。介绍了几种常见的隧道纵向抗震设计方法,例如,BART法、质点-弹簧模型法和反应变位法等;然后将桩-土相互作用的p-y曲线弹簧引入到了地铁隧道的纵向抗震设计中,建立了超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型,并且通过对该模型的Pushover分析给出了地铁隧道的一种纵向弹塑性设计方法;最后通过多点激励对超长隧道-地基土相互作用的p-y弹簧模型进行了动力数值计算,得到了隧道纵向内力和变形的一些规律。     

可液化倾斜场地中桩基动力响应振动台试验研究

为研究倾斜场地中桩基的动力响应,以2011年新西兰地震中受损的Dallington桥为原型,设计并完成可液化倾斜场地桥梁桩-土相互作用的振动台模型试验。试验再现了喷砂、冒水、地裂缝、场地流滑等宏观现象。试验结果表明,土层足够的液化势及惯性是造成倾斜场地侧向流滑的必要条件;浅层土相比深层土更易液化,液化层中的加速度由下至上呈现逐渐衰减的趋势,而未液化砂土层却表现为逐渐增大的特征;深部测点的桩侧土压力明显大于浅部测点,且土体的液化会弱化土对结构的压力;结构应变最大值位于上部桥台,而结构弯矩在桩身中部及土层分界面附近出现两个较大值,桩端嵌固及倾斜场地流滑是造成出现两个弯矩较大值的主要原因。     

桩-土相互作用弹簧对倾斜液化场地-群桩-上部结构体系的影响

桩-土-上部结构体系的动力相互作用是一个复杂的过程,尤其是在倾斜液化侧向扩展流动（侧扩流）场地中,由于地震过程中场地产生地面永久大变形,桩土间有可能产生错动滑移与开裂等非线性反应,因此桩-土相互作用模拟至关重要。为了探究桩-土非线性接触对倾斜液化场地-群桩基础-上部结构体系动力响应的影响,本文基于OpenSees分别建立了考虑桩-土相互作用弹簧和桩土结点之间直接绑定的有限元数值模型。结果表明：考虑桩-土相互作用Pyliq弹簧时,土体加速度幅值略微降低,桩基对土体的约束明显变弱,土体残余位移增大。同时,具有Pyliq弹簧的模型能较好地模拟桩的曲率响应,而采用桩土结点直接绑定的模型高估了桩顶曲率,进而无法准确估计桩基抗弯最不利位置。桩-土相互作用弹簧对上部结构动力响应的影响较小。     

液化土中斜群桩承台动力响应特性及桩身弯矩分布规律研究

为研究动荷载作用下饱和砂土发生液化前后斜群桩的动力响应相关问题,利用土工离心机振动台进行了饱和砂土场地条件下的斜群桩物理模型试验.通过试验分别对土层响应、桩身弯矩以及桩顶承台加速度和位移等进行了详细分析,得到了如下结论:不同荷载作用下土层液化范围的改变导致了土层加速度峰值出现了不同程度的放大或缩小现象;砂土液化前后桩身...     

分层液化土中桩基侧向动力反应机理的试验研究

饱和砂土中的桩基侧向动力响应研究一直是岩土工程界与地震工程领域关注的热点,尤其是群桩侧向动力响应机制是需要重点研究的课题之一。基于振动台试验,通过输入2种不同的波形,采用FBG光栅传感系统对饱和砂土中的单桩与群桩侧向动力响应特性和典型测试点的桩土动力p—y滞洄曲线进行研究。研究结果表明：振动初期,单桩和群桩试验孔压增长不大,随后单桩孔压迅速上升,振动后期逐渐下降至0.5,而群桩孔压则上升缓慢;单桩试验土表加速度在振动初期逐步升高后又迅速降低,且加速度放大值略大于台面加速度值,群桩试验土表加速度在振动初期逐渐升高时就达到了最大,且随着孔压比的升高,加速度没有继续放大,而是逐渐减小,直到后期与单桩试验土表加速度重合;饱和砂土液化对单桩承台加速度和位移的影响较大,群桩承台侧向动力响应对液化的敏感程度略低于单桩承台;在振动输入和承台输入相同的条件下,液化后的群桩基础比单桩基础能更好地抵抗侧向力的作用。     

基于FLAC~(3D)群桩侧向动力特性试验与数值模拟对比研究

地震作用下的桩基动力响应问题一直是土动力学和岩土工程抗震领域研究的热点。本文主要基于液化砂土中3×3群桩振动台试验,采用目前常用的大型有限差分软件FLAC~(3D)进行数值模拟研究,将模拟结果与试验分析结果进行对比研究。工况包括:不同峰值加速度的正弦波和El Centro波分别输入下的群桩在干砂和饱和砂土中的侧向动力响应特性,主要对基底台面、桩头承台的加速度与位移时程关系曲线进行对比分析。研究结果表明:随着正弦波峰值加速度输入的增加,群桩横向动力响应明显,尤其是当加速度为0.15 g时砂土发生液化,反应达到最大,数值模拟结果与试验吻合较好。地震波输入工况下也可以得到类似的结论,其中干砂与液化砂土的承台加速度、位移相对台面的均有所放大,但放大倍数不同。     

液化侧扩流场地桥梁群桩效应分析

基于u-p有限元公式模拟饱和砂土中水和土颗粒完全耦合效应,建立液化侧向流场地群桩动力反应分析的三维数值模型。模型中,砂土采用多屈服面弹塑性本构模型模拟、黏土采用多屈服面运动塑性模型模拟,群桩在计算过程中保持线弹性状态;采用20节点的六面体单元和考虑孔压效应的20-8节点分别划分黏土层和饱和砂层;选用剪切梁边界处理计算域的人工边界,模拟地震过程中土层的剪切效应;应用瑞利阻尼考虑体系的阻尼效应。随后对比分析2×2群桩中各单桩的地震反应规律,结果表明,各单桩的弯矩、位移时程规律基本一致,峰值弯矩及峰值位移出现时刻滞后于输入加速度峰值时刻,上坡向桩的弯矩和位移峰值大于下坡向的桩的反应值。接着通过改变桩间距研究群桩效应,随着桩间距增加,群桩中各单桩的弯矩最大值均出现在土层分界处,且各单桩的弯矩、桩顶位移逐渐增大。最后给出液化侧向流场地群桩效应的基本原因,得出该类场地群桩抗震设计的基本认识。     

地震作用下不同厚度饱和砂土中直群桩结构动力响应试验研究

基于振动台试验,设计制作2×2直群桩结构相似模型,通过输入一定峰值加速度的迁安波,对非液化砂土、300 mm厚饱和砂土和380 mm厚饱和砂土中群桩承台横向动力响应特性展开研究。研究结果表明:在迁安波输入下,非液化砂土中群桩承台加速度和位移时程与台面输入时程相比,其波形变化规律与峰值大小没有明显差异;而对于两种不同厚度饱和砂土中承台加速度放大较多,承台位移峰值较台面位移峰值相差不大。在300 mm饱和砂土中群桩承台加速度峰值较台面输入放大了约1.35倍,在380 mm饱和砂土中承台加速度峰值放大了1.42倍,说明在相同输入条件下,较厚的饱和砂土层在发生液化后群桩承台的动力响应更加显著。     

微型桩动力p-y曲线影响因素参数分析

本文通过微型桩振动台试验分析了输入波频率、桩顶质量和加速度峰值对砂土中微型桩动力p-y曲线的影响。结果表明:当输入波的频率为低频时,桩侧土压力p与桩身位移y的关系接近线性关系,形成的滞回环面积很小;当输入波频率较大时,桩侧土压力p与桩身位移y成明显非线性关系,形成的滞回环面积较大。随着桩顶质量和加速度峰值的增加,p-y曲线的滞回环呈逐渐张开的趋向,其耗能效应增加。