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。     

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。     

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。     

液化场地超高层建筑群桩基础动力响应试验研究

进行液化地基–群桩–超高层建筑相互作用体系的振动台试验,再现饱和砂土地基液化诱发的结构体系侧向大变形的震害现象。通过试验,研究相互作用体系下地基液化、体系侧向大变形前后群桩基础的动力响应,对地基超孔隙水压力、群桩体系的基频、阻尼比、桩身应变、桩底接触压力和桩顶位移进行计算和分析。得到的规律主要有:群桩内外超孔隙水压力变化过程存在差异;随着激励峰值的提高,砂土层达到液化条件,群桩体系的频率降低、阻尼比增大;桩基的动力响应与地震波加速度峰值和频谱特性均有关;桩身应变变化量峰值沿桩身向上逐渐增大,桩顶裂缝多;不同地震波激励下,桩顶位移响应规律差异较大;承台两端角桩在地震波激励过程中表现出明显的一拉一压现象,揭示了结构体系大变形的根本原因。提出:提高群桩的抗压拔性能、改善地基的液化条件可提升超高层建筑–群桩体系的抗震能力。研究结果对超高层建筑–群桩体系抗震研究及防灾减灾具有重要意义。     

液化场地-群桩基础-结构体系动力响应分析—大型振动台模型试验研究

进行了液化场地-结构体系动力相互作用大型振动台试验,对土体和桩基的加速度反应、饱和砂土层的孔压反应等进行了测试。重点阐述了土体和群桩基础的加速度地震响应特征和饱和土体的孔压发展规律,并对土体侧向变形规律进行了分析。试验研究结果表明：0.05g拍波输入时,土体和桩基对加速度反应有着明显放大作用,土体各处孔压比增长幅度不大,土体侧向位移较小;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,桩基加速度反应规律与土体反应基本一致,土体孔压比增长明显,上部土体完全液化;土体水平侧向变形较大。本文成果可为液化场地-群桩基础动力相互作用研究做对比分析和验证数值模拟工作提供参考。     

液化场地–群桩基础–结构体系动力响应分析——大型振动台模型试验研究

进行了液化场地–结构体系动力相互作用大型振动台试验,对土体和桩基的加速度反应、饱和砂土层的孔压反应等进行了测试。重点阐述了土体和群桩基础的加速度地震响应特征和饱和土体的孔压发展规律,并对土体侧向变形规律进行了分析。试验研究结果表明:0.05g拍波输入时,土体和桩基对加速度反应有着明显放大作用,土体各处孔压比增长幅度不大,土体侧向位移较小;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,桩基加速度反应规律与土体反应基本一致,土体孔压比增长明显,上部土体完全液化;土体水平侧向变形较大。本文成果可为液化场地–群桩基础动力相互作用研究做对比分析和验证数值模拟工作提供参考。     

液化地基上隔震结构群桩与土动力相互作用振动台模型试验研究

开展了液化场地–桩–隔震层–上部结构动力相互作用体系的大型振动台模型试验,再现饱和砂土地基液化诱发的地基震陷震害,详细阐述了隔震结构群桩基础与地基的地震响应特征和饱和土体孔压发展规律。试验结果表明：隔震结构群桩基础的角桩桩身应变幅值明显高于中间桩,中间桩顶部应变幅值又明显高于角桩;隔震结构地基液化后上部结构摇摆和基础转动反应急剧增加,进而导致群桩基础桩顶弯矩急剧增加,使得桩身最大弯矩幅值由地基液化前的桩身中上部转移到地基液化后的桩顶位移,同时隔震结构下部桩顶弯矩幅值比桩身弯矩幅值也要大得多,充分说明在土–桩–隔震层–上部结构的动力相互作用下桩顶更易造成严重的地震破坏。     

基于OpenSees PL液化土中桩基横向动力响应数值模拟研究

强震作用下的桩基础动力响应特性一直是岩土工程抗震领域研究的热点问题。基于液化土中桩基振动台试验和Biot固结理论中的u-p形式公式,采用有限元软件Open Sees PL建立三维有限元模型,并进行数值模拟分析,将数值模拟结果与试验结果进行对比。结果表明:在正弦波输入下,干砂试验单桩台面、承台加速度和位移时程与模拟台面、承台加速度和位移时程从形式和数值大小上均相差不大;液化砂土试验单桩承台加速度幅值和位移与模拟承台加速度幅值和位移略有差别,但试验台面加速度和位移幅值与模拟台面加速度和位移幅值比较接近。El Centro地震波输入下也可以得到相近结论。     

可液化地基中单桩基础的三维数值分析方法及应用

在砂土液化大变形物理机制的基础上,建立了三维的砂土液化大变形统一本构模型,该本构模型能够实现对不同状态砂土单调和循环加载以及液化前后力学行为的统一描述。利用这一本构模型,在Open Sees有限元平台上发展了针对可液化地基中桩基础震动的三维弹塑性有限元动力时程分析方法。在有限元分析中,土体采用u–p格式流体固体耦合立方体单元模拟,桩基础采用立方体实体单元模拟。利用本文建立的本构模型和相应分析方法,对水平可液化地基中单桩基础,以及发生侧向流动的倾斜地基中单桩基础的离心机振动台试验进行了三维有限元数值模拟。模拟结果验证了数值方法在模拟地基和桩基础震动响应方面的有效性。     

倾斜液化场地桩基地震响应离心机试验研究

 倾斜液化场地中群桩地震响应受液化土层侧向流动和桩土相互作用影响和控制,故倾斜液化场地中桩基抗震性能问题是一个极其复杂问题。基于动态土工离心机试验来探讨考虑倾斜液化土侧向流动特点的群桩地震响应规律。试验设计不同地震强度下2个50 g典型土工离心模型试验,以研究倾斜液化场地中桩土加速度、位移、桩身弯矩和土体超孔隙水压力响应特性。试验提出倾斜饱和土层的制备方法,再现倾斜液化场地中桩基础在强震作用下的破坏程度、状态和机制,并进一步对比分析试验结果,取得较好的成果,此为倾斜液化场地桩基础的抗震设计提供可靠依据,对确保液化场地桩基础的抗震稳定性和安全性具有重要意义。     

结构-群桩基础地震响应离心振动台模型试验

为研究桥梁群桩基础的大质量承台和外露桩基对桩-土动力相互作用效应的影响,分别对低承台（与土接触）和高承台群桩基础进行了离心振动台模型试验。试验中地基土采用了黏质粉土,上部结构简化为质点和杆构件,基础形式包括单桩和群桩。为模拟地震剪切波作用下土层运动效应,采用叠环式层状剪切箱实现土体的层状自由剪切,箱内壁设置橡胶膜以消除边界反射效应。在加速度为5.0g的离心环境中,选取Chi-Chi地震波作为基底激励输入,在不同输入峰值加速度下,分析了结构-群桩基础的地震响应。试验结果表明：与低承台群桩基础相比,高承台形成的群桩外露会增加上部结构和承台的惯性效应,改变桩身峰值弯矩的分布,表现为承台与桩接触处的桩身峰值弯矩下降,但桩身最大峰值弯矩改变较小。     

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。     

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。     

饱和砂土坝基液化超重力振动台试验研究

坝基作为水利水电工程重要基础设施的核心部分,其在地震作用下的动力响应和稳定性受到广泛关注.针对饱和砂土坝基的动力响应和液化规律,开展了两组超重力振动台试验,分析了饱和砂土地基在坝闸荷载作用下的地震响应规律.根据两组离心试验结果,地震作用下自由场地地基下层土体发生软化,上层土体发生液化喷砂,加速度放大系数和超静孔压比沿深...     

基于频谱分析的饱和砂土场地直斜群桩承台——土体耦合作用下桩身弯矩分布规律研究

地震荷载作用下,群桩结构受到承台和土体共同作用,不同桩型的桩身弯矩会发生明显变化,尤其在饱和砂土条件下。因此,为研究上述问题,利用浙江大学ZJU400土工离心机进行饱和砂土场地直斜群桩地震动力响应试验,并通过频谱分析的方法,对饱和砂土场地和直斜群桩桩顶承台的频谱成分进行详细分析,之后根据得出的不同频率成分分别对直斜群桩桩身弯矩分布情况进行详细研究。研究结果表明:地震荷载作用下饱和砂土液化前后土体特征频率发生明显变化,液化后土体的特征频率明显变小;随着振动强度的增加,斜桩顶承台特征频率也发生了减小的现象,而直桩桩顶承台特征频率则始终保持在0～2Hz,未发生明显变化;不同振动强度下,不同频率成分对于直斜群桩桩身弯矩包络图的影响发生了较大的变化,在0.05 g工况下0～2 Hz频谱成分对斜群桩桩身弯矩影响要小于2～5 Hz,但其他工况下0～2 Hz频谱成分对于直斜群桩桩身弯矩的影响均最为明显。同时,随着振动强度的增加,土体埋深范围内直群桩桩身弯矩包络图的峰值位置发生了下移。因此,在实际工程中应考虑此问题,适当增加弯矩较大值位置附近的桩身抗弯刚度。     

刚性-亚刚性桩复合地基的振动台试验研究

本文开展了不同场地条件下刚性-亚刚性桩复合地基的振动台试验,对比分析了不同场地条件下刚性-亚刚性桩复合地基的地震动响应特性。试验结果表明:场地土特性对场地地震反应存在显著影响,不仅改变了桩体周围加速度峰值,还使桩顶的加速度时程曲线的形状发生了少许变化,对傅立叶谱曲线的影响也较大;与干砂场地相比,桩体在饱和砂土场地条件下沿桩身长度方向的应变峰值变化趋势更显著;地震动特性对饱和砂土场地的孔压发展存在影响;场地土特性对结构应变峰值影响显著。     

群桩场地液化土单一流速横向流动数值分析

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—可液化土体系的拟做振动台实验进行非线性数值模拟,得到液化土横向流动中孔隙水压力、流动变形对群桩基础前后桩的内力分布和横向位移的影响规律。     

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。     

基于ABAQUS高承台群桩基础振动台试验地震反应分析

本文以高承台群桩基础振动台试验为依据,基于有限元计算程序ABAQUS建立数值计算模型,该模型可以较好地模拟试验获得的加速度响应时程、动力放大效应与桩身内力。计算结果显示:与低承台相比,高承台的加速度动力放大效应更加明显,其桩身弯矩包络值最大截面位于地表以下1. 6倍桩身直径,反映出桩身外露会显著影响桩身的内力分布;群桩中各排桩的应力水平也不尽相同,沿激振方向最前排桩的桩身应力水平较高,后排桩次之,中间桩最小。     

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。