强震动条件下的桩土相互作用动态土工离心试验研究

基于动态土工离心模型试验来研究强震动条件下液化土同桩基础的相互作用问题。设计了4个典型土工离心模型试验来研究桩土的加速度、位移等地震响应特性，再现了位于液化土地基上的实际桩基础在大地震下的破坏程度、状态和机制，并进一步对比分析试验结果，取得了较好的成果，为桩基础的抗震设计提供了可靠依据，具有重要意义。     

液化砂土地基侧向流动对群桩作用的数值分析

强震中,液化土体在重力作用下往往发生水平流动,对群桩基础造成严重破坏。因此,液化土体流动对桩的致灾机理以及可液化土与群桩基础的动力相互作用一直是岩土地震工程领域的重要研究之一。采用三维动力FE-FD耦合法及弹塑性饱和土本构模型,对群桩—可液化土体系的振动台实验进行非线性数值模拟,通过土体振动液化后在不同侧向流速下对群桩产生致灾作用的分析,讨论并得到液化土侧向流动中孔隙水压力、流动变形、土体流速对群桩基础前后桩的内力分布和侧向位移的影响规律。     

地面横向往返运动下可液化土层中桩基响应机理

通过非液化和液化土层中桩基础宏观震害现象以及等幅波与真实地震波振动台模型实验中桩和土层的加速度、位移、桩土相互作用力、桩动力p-y曲线、桩身弯矩与孔压发展过程对比,研究地震引起的地面横向往返运动下可液化土层中桩基响应机理.结果表明:非液化土层中上部结构惯性力控制着桩的反应性态,桩头加速度和桩身弯矩与土层加速度时程基本保持一致;液化过程中桩土相互作用力呈现明显增大现象,土体侧向刚度虽然衰减,但同时土层相对位移和桩土相对位移增大的影响更为强烈,即土层和桩土相对位移对桩土相互作用力增大的作用明显大于土体刚度衰减引起桩土相互作用力减小的作用;液化土层中桩土相互作用最大反应不是在土层加速度峰值时刻,而是土体相对位移达到最大时响应最大,此时土层孔压比为0.8左右;非液化土层中桩土相互关系为桩推土,惯性力是控制因素,液化土层中则为土推桩,土体位移起主要作用,而液化发展是这一转变决定性因素;常规仅考虑土体刚度衰减的拟静力方法不适合液化土层中桩基础地震响应计算分析.     

饱和砂土中直群桩动力响应离心机振动台试验与简化数值模型研究

饱和砂土液化场地高承台直群桩及土体横向动力响应分析一直是岩土工程抗震的热点和难点。针对这一问题,设计制作饱和砂土液化场地的2×2直群桩模型,进行离心机振动台试验,分析液化场地群桩–土动力响应规律。在此基础上,基于ABAQUS有限元软件平台,通过引入砂土液化大变形本构模型,采用有限元网格自适应调整技术克服大变形畸变问题,建立可液化场地群桩基础静动耦合非线性相互作用的二维有限元模型进行数值模拟分析,并用试验结果进行验证。结果表明:峰值加速度0.3 g正弦波工况下离心机振动台试验饱和砂土地基液化速度非常快,直群桩基础承台加速度与土中加速度放大峰值均不会超过输入波峰值,地基液化后承台加速度便开始衰减;饱和砂土地基超静孔隙水压力发展直接影响加速度响应,土体液化直接导致加速度衰减;数值模拟加速度结果与试验的加速度动力响应特性相符合,但量值上有区别,将数值模拟结果进行一定比例缩小后与试验结果基本吻合;数值模拟超静孔隙水压力与超静孔压比与试验结果基本一致,数值模拟显示浅层土较深层土液化明显;数值模拟的承台位移相较于试验偏保守。     

XCC群桩限制液化侧向扩展的振动台试验研究

地震作用下,缓倾砂土地基会发生液化引发侧向扩展,对构筑物造成严重破坏,而可液化场地中的群桩可控制液化侧向变形的发展。现浇X形混凝土桩(XCC桩)较传统混凝土桩可以节省材料用量,其异形截面对于液化土体的流动变形的控制作用较圆形截面更具优势。开展了倾斜可液化地基中XCC群桩的振动台试验研究,对比了XCC群桩和圆桩群桩对液化侧向扩展变形的影响,同时考虑了群桩布置形式、XCC桩的截面朝向和截面异形效应对于处理效果的影响。结果表明:XCC桩可以较好的限制液化侧向扩展,与未处理场地相比,XCC桩处理场地的侧向位移减少约38%,流动面积减小约50%;在同等材料用量下,XCC桩处理效果优于传统圆桩,其流动面积较圆桩处理场地减少20%;梅花形群桩布置形式限制液化侧向扩展的效果明显好于正方形群桩布置形式;不同XCC桩的截面朝向的处理效果取决于其垂直于液化砂土流动方向的截面宽度,有效截面宽度越大则处理效果越好;XCC桩的截面异形效应能够提高限制液化侧向扩展效果约5%~18%左右。     

液化场地群桩基础地震反应离心机试验及损伤数值模型研究

地基液化导致桩基础破坏是地震中建筑物和公共基础设施震害的主要原因。开展离心机振动台试验探究液化场地中直、斜群桩基础地震反应，并建立动静耦合边界非线性砂土液化大变形桩基塑性损伤有限元数值模型，进行地震作用下群桩基础的塑性反应分析。研究结果表明：地震作用下，地基土液化最先出现在群桩基础周围的地基土表面处，随着地震动峰值加速度的增大，液化范围逐渐向地基深处和桩基础两侧发展；群桩基础的动弯矩在桩底、地基土表面、承台嵌固位置较大；直群桩基础桩身变形较大位置出现在桩底部和地基土表面位置处，斜群桩变形较大位置则出现在桩身中间处；地基土超孔压比在地基浅层最大，并随输入地震动峰值增大而增大；地基土受地震动影响产生液化的同时，会在桩周20倍桩径范围内产生地基隆起，远桩区域产生地基震陷；地震作用下，直、斜群桩受压损伤较小，受拉损伤严重，0.3 g强震工况直、斜群桩桩底受拉破坏。     

非液化土-群桩基础-结构体系相互作用动力响应振动台试验研究

为深入研究非液化场地中桩-结构体系地震响应和土-结构动力相互作用问题,进行了含有一定深度的松砂层非液化场地土-结构体系动力相互作用大型振动台试验,分析非液化场地和群桩基础的加速度地震响应特征,并对土体侧向变形规律以及桩基弯矩分布进行了分析。结果表明：当输入0.05g拍波时,土体与桩基对加速度反应表现出放大作用,且距离结构较远处土体对加速度放大作用更加明显;当输入0.3g汶川地震卧龙台地震记录时,加速度只在远离桩基的土体中加速度反应有一定放大;桩身最大弯矩均超过60N·m,并且桩基弯矩幅值呈现出桩顶弯矩小(靠近桩顶处)、下部弯矩大(靠近桩端处)的规律,且在土层交界面附近弯矩存在突变;上部结构加速度反应自上而下有一定程度的减小,地震动Arias强度值减小明显,刚性场地上的结构地震动Arias强度是位于土体上结构的3~4倍,说明土体的耗能作用明显。     

可液化场地桥梁群桩基础地震响应振动台试验研究

针对上覆黏土层、下部饱和砂层结构的可液化场地条件,采用2×2低承台群桩—独柱墩结构,完成了可液化场地群桩–土–桥梁结构地震相互作用振动台试验。试验表明:在小幅震动阶段孔压仅有少量积累,孔压积累主要发生在强烈振动段;孔压随震动幅值增大、持时延长而变得更高;最强烈液化作用滞后于峰值加速度时刻。砂层加速度反应受场地液化影响较大;随着砂层液化的发展,土层位移峰值时刻与输入地震波峰值时刻、土层加速度峰值时刻之间表现出明显的时滞特征,而土层位移对桩的弯矩反应起着越来越明显的作用,且液化砂层位移对桩土相互作用力影响效应已凸显;完全液化砂层的承载力并未全部丧失;无论砂层液化与否,桩与砂层加速度反应规律保持一致;地震中土层分界附近桩的加速度、弯矩出现突变。振动台试验无疑为可液化场地桥梁群桩抗震性能研究提供必要铺垫。     

液化场地格栅式地下连续墙与群桩桥梁基础动力响应对比研究

强震下地基液化是导致桥梁基础破坏的重要原因之一。文章基于OpenSees有限元数值平台,采用多屈服面塑性本构模型模拟砂土的非线性变形特征,建立可液化场地基础-土动力相互作用二维数值模型,对比分析了单室地下连续墙与2×2群桩基础在液化场地的动力响应问题。结果表明:数值模拟较好地再现了离心机振动台试验测得的超静孔隙水压力、加速度响应及基础变形累积过程。在动荷载作用下,地下连续墙基础较桩基础模型中,超孔隙水压力上升缓慢,土体液化程度低;基础本身变形小、沉降少,偏转程度低;场地土体侧向变形程度小,更具抗液化优势。研究结果为液化场地桥梁抗震设计提供了可靠依据。     

液化地基中群桩基础地震响应分析

可液化地基中桩基础地震响应分析一直是岩土工程抗震研究的热点和难点。针对这一问题,采用砂土液化大变形统一本构模型来描述可液化地基土体的应力应变关系,建立了一个3×5的群桩三维计算模型,采用三维弹塑性有限元动力时程分析,将地基、群桩基础和上部结构作为一个系统研究群桩基础的地震动响应规律,重点关注桩与土的运动相互作用以及水平方向的弯矩在地震荷载作用下的分配情况。结果表明可液化地基中桩基础的弯矩受桩与土运动相互作用影响显著;不同桩的弯矩最大值不同,角桩最大,边桩次之,中心桩最小;弯矩最大值出现的位置不相同,角桩和边桩弯矩最大值出现在上部非液化层与液化层界面处,中心桩弯矩最大值出现在桩头处。     

下伏基岩堆积体边坡抗滑桩加固前后地震响应特征离心模型试验

 为研究抗滑桩加固上覆堆积体--下伏基岩二元结构边坡的抗震机制,开展2组1∶50比尺的离心振动台模型试验,以对比分析下伏基岩堆积体边坡在抗滑排桩加固前后的地震响应特征与抗滑桩的桩身弯矩分布规律。试验时,输入4级加速度峰值连续增大的El Centro波,监测边坡模型坡面与坡体内的加速度响应、坡顶沉降变形以及抗滑桩上静、动弯矩的分布。试验结果显示由于抗滑桩抑制了上覆堆积体的下滑,坡顶的加速度峰值(PGA)放大系数、加速度反应谱以及竖向沉降变形均有不同程度的降低。抗滑桩一方面加固了上覆堆积滑体另一方面在坡体内产生了地震波的反射叠加效应,使得边坡水平响应加速度放大系数出现了桩前增大桩后减小的现象。下伏基岩堆积体边坡坡顶沉降与Arias烈度在抗滑排桩加固前后均具有良好的正相关线性关系。地震荷载作用过程中抗滑桩动力响应弯矩变化幅值明显大于地震作用后的静弯矩增量,且静弯矩与动弯矩变化幅值的分布均在基岩面附近达到峰值,易在基岩面附近造成抗滑桩的破坏,类似工况下抗滑桩的抗震配筋设计应充分考虑这一特点。     

液化土中对称双斜桩动力反应特征及p-y曲线规律试验研究

地震作用下液化土中桩基动力反应一直是岩土工程抗震研究的热点问题,基于非液化土和饱和砂土中对称双直桩和对称双斜桩电磁式振动台试验,在试验中输入不同地震动强度的正弦波和El-Centro地震波,对比研究非液化土和饱和砂土中,直、斜桩水平动力反应特征、桩身弯矩分布及p-y滞回曲线规律。试验研究结果表明：(1) 无论是正弦波输入还是El-Centro地震波输入试验,随着加速度峰值的增加,斜桩承台加速度和位移反应放大值均低于相同工况下的直桩基础,尤其在砂土液化时斜桩的水平抗震性能表现更好;(2) 在非液化砂土中,斜桩和直桩弯矩均较小,而当饱和砂土发生液化后,斜桩的最大弯矩是直桩3倍左右,桩顶和距离桩端0.16 m处,直桩的最大弯矩则主要集中在桩顶与承台连接处;(3) 斜桩p-y曲线包络面积更大,利于能量耗散,在非液化砂土中斜桩p-y滞回曲线整体斜率低于直桩,在饱和砂土中其整体斜率则高于直桩。因此,在进行液化土中桩基抗震设计时,斜桩的整体性能优于直桩基础,但在设计时应增强斜桩桩身的局部抗弯刚度以抵抗较大的弯矩作用。研究成果对可液化土层中工程斜桩抗震设计理论具有重要的参考价值。     

水平地基液化后大变形对桩基础的影响

通过对震害调查结果的分析,表明（１）震动液化能够引起水平地基产生较大的侧向变形;（２）可液化水平地基中桩的水平位移的大小和方向,主要受已液化土层侧向变形的大小和方向控制;（３）可液化水平地基的侧向变形,可分为液化前较小的震动变形。液化后震动引起的大中变形以及地震后的永久侧向变形三种情形。可液化水平地基中桩基础的设计,应该考虑这三种不同工作状态下的抗震要求;（４）上部结构－桩－地基的相互作用和响应会因上述三种情况而异,有必要发展新的能够考虑可液化地基侧向变形影响的动力分析方法。     

桩–土动力相互作用问题中桩身刚度的影响效应研究

 通过开展2类刚度差异较大的桩基础的离心机动力模型试验,系统地讨论柔性桩和刚性桩的地震反应差异,以及周围土体对桩体的不同作用效应。对于柔性桩,周围土体的作用主要体现在对桩的约束效应上;然而对于刚性桩,土体更大程度上对桩体施加附加惯性力的作用,以致桩筏基础的周期明显高于无土时的周期;针对柔性桩和刚性桩显著的地震反应差异,巧妙地提出用桩筏结构自振频率 界定两者的行为,可为今后类似研究提供参考。     

Seismic performances of dyke on liquefiable soils

Various field investigations of earthquake disaster cases have confirmed that earthquake-induced liquefaction is a main factor causing significant damage to dyke, research on seismic performances of dyke is thus of great importance. In this paper, seismic responses of dyke on liquefiable soils were investigated by means of dynamic centrifuge model tests and three-dimensional (3D) effective stress analysis method which is based on a multiple shear mechanism model and a liquefaction front. For the prototype scale centrifuge tests, sine wave input motions with peak accelerations 0.806 m/s², 1.790 m/s² and 3.133 m/s² of varied amplitudes were adopted to study the seismic performances of dyke on the saturated soil layer foundation with relative density of approximately 30%. Then, corresponding numerical simulations were conducted to investigate the distribution and variations of deformation, acceleration, excess pore-water pressure (EPWP), and behaviors of shear dilatancy in the dyke and the liquefiable soil foundation. Moreover, detailed discussions and comparisons between numerical simulations and centrifuge tests were also presented. It is concluded that the computed results have a good agreement with the measured results by centrifuge tests. The physical and numerical models both indicate that the dyke hosted on liquefiable soils subjected to earthquake motions has exhibited larger settlement and lateral spread: the stronger the motion is, the larger the dyke deformation is. Compared to soils in the deep ground under the dyke and the free field, the EPWP ratio is much smaller in the shallow liquefiable soil beneath the dyke in spite of large deformation produced. For the same overburden depth soil from free site and the liquefiable foundation beneath dyke, the characteristics of effective stress path and stress–strain relations are different. All these results may be of theoretical and practical significance for seismic design of the dyke on liquefiable soils.     

可液化地基单桩基础离心机模型试验的三维数值分析

文章通过三维水土耦合动-静一体有限元程序DBLEAVES对饱和砂土地基（Dr=40%）单桩基础的离心机模型试验进行模型试验相对应的原型三维有限元数值模拟和分析。对比分析小震（峰值加速度0.08g）和大震（峰值加速度0.47g）情况下的土体加速度、超静孔隙水压、沉降位移以及桩身弯矩等变化规律。其中,地基土的性质采用应力诱导各向异性的交变移动弹塑性模型模拟,基桩采用弹性梁单元模型模拟。结果表明：①超静孔隙水压会“隔断”振动波的传递,当土体接近完全液化时,土表面峰值加速度会明显小于输入波峰值加速度,而当超静孔隙水压比较小时,土表面加速度相对于输入波则可能会放大;②地震时所达到的最大超静孔隙水压比是地基土沉降量的主要因素之一,且一大部分沉降发生在震后的孔压消散期;③数值模拟与模型试验结果的对比分析表明,交变移动模型可以较好地反映土体在交变荷载下的动力响应特性,验证了所采用的DBLEAVES程序和有限元方法的有效性。     

Applicability of the generalized scaling law to a pile-inclined ground system subject to liquefaction-induced lateral spreading

The generalized scaling law is based on the concept of two-stage scaling and allows currently available centrifuge facilities to model a large-scale prototype expanding over the spatial dimension ranging from 30 m or larger subject to earthquake motions. This paper presents the results of investigation on the applicability of the generalized scaling law to the fully nonlinear regime of soil-structure system with the induced strain level of 10% in the order of magnitude. The centrifuge model tests performed in this study under the modeling of models scheme consist of a pile model embedded in a inclined ground subject to liquefaction-induced lateral spreading. Four different centrifugal accelerations ranging from 13g to 50g are used whereas the actual size of the physical model is kept constant with an overall scaling factor of 1/100. The models are exposed to tapered sinusoidal input accelerations of frequency 0.59 Hz and amplitude 3.0 m/s² in prototype scale, and the results are compared in terms of prototype by applying the generalized scaling law. As for the response of the ground during shaking, essentially identical accelerations and excess pore water pressures are recorded for all cases, while the lateral displacement shows a variation ranging from 5% to 9% in terms of shear strain due to a slight variation in experimental conditions (e.g., input peak acceleration, achieved density distribution). Practically the same responses are measured among the cases in the dissipation phase of excess pore water pressure. With regard to pile behavior, nearly identical responses for the lateral displacements and bending moments are obtained for all cases both during and after shaking. These results demonstrated that the generalized scaling law is applicable to the fully nonlinear regime of soil-structure system subject to the cumulative shear strain in the order of 10% due to cyclic mobility of sands during earthquakes.     

New p-y model for seismic loading prediction of pile foundations in non-liquefiable and liquefiable soils considering modulus reduction and damping curves

In this study, a new p-y model is proposed for the seismic loading prediction of pile foundations using the Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) method. It matches the desired modulus reduction curve by identifying three parameters in a hyperbolic function and a linear function using a genetic algorithm (GA), and the desired damping curve by applying the Ishihara-Yoshida rule that controls the unloading–reloading curves iteratively through the three parameters. The rate effect is integrated into the proposed PySimple5 model for clay by exerting influence on the ultimate capacity and maximum material damping through a power function, while the pore pressure effect is reflected in the proposed Pyliq5 model for sand by relating the ultimate capacity to the mean effective stress. For a single pile in non-liquefiable soil, the predicted superstructure acceleration and pile bending moment by PySimple5 agree well with those from centrifuge tests for different soil shear strain levels, while the equivalent linear and PySimple1 models underestimate them for soil shear strain levels higher than 1%. For a pile in liquefiable soil, PyLiq5 shows a reasonable agreement with the centrifuge tests in terms of the superstructure acceleration and pile bending moment by considering the pore pressure effect.