可液化土层中地下车站的地震反应分析

由于液化后应力应变行为模拟的困难及数值计算的不稳定性,可液化土层中地下结构的动力反应分析是岩土工程的难点课题之一。基于作者提出的能够模拟饱和砂土液化后大应变响应的弹塑性循环本构模型,采用完全耦合的饱和土动力反应分析程序,对阪神地震中破坏的大开车站进行分析,说明考虑液化变形的土与地下结构动力相互作用分析方法及其有效性。从饱和砂土单元在液化过程中的应力应变响应角度,揭示了地层和车站的大剪切变形与饱和砂层液化程度的关系,分析了大开车站地震破坏的原因。     

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。     

基于液化后变形分析方法的地下管线上浮反应研究

采用液化后变形分析方法模拟了饱和砂土地基地震时发生的液化流动,研究了地基中地下管线的上浮反应,讨论了管线直径、埋深、地下水位、地基土相对密度等因素对地下管线上浮位移的影响,并对地下管线抗震设计提出了一些建议。     

地震作用下可液化土的数值模拟与试验验证

将有限差分法程序用于可液化土的地震响应分析,采用动力和流体的流固耦合理论分析了振动过程中土体孔隙水压力的产生、扩散与消散,并对液化场地桩-土-结构相互作用体系振动台试验进行了三维数值模拟;通过与振动台试验数据的对比分析,验证了计算模型的可靠性和合理性。结果表明：采用的方法能较好地模拟可液化土的动力特性,所得结论为液化场地土-结构相互作用体系动力分析提供了参考。     

液化场地桩-土-结构动力相互作用的有限元分析

基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合理论,采用有效应力方法对液化场地桩基础的地震反应进行了三维有限元分析。在饱和液化砂土的循环塑性模拟中,采用了超固结边界面、Armstrong-Frederick型非线性运动硬化准则和非关联流动准则来描述动荷载作用下砂土的循环活动性以及液化强度等特性。对于桩的动力本构行为,则采用了可以考虑体积效应和轴向力影响的梁-柱单元来模拟。以某城市高架桥的实际工程为例,应用该方法对地基液化时桩-土-结构的动力相互作用进行了计算分析,并得到了一些有用的结论。     

可液化地基中地铁车站周围场地地震反应分析

地基液化是地铁车站结构在地震中发生严重震害的重要威胁之一。基于对砂土液化大变形本构模型的研究,建立了可液化地基–地铁车站结构非线性静动力耦合相互作用分析模型,分析了该相互作用体系的地震反应规律。首先,对地铁车站结构周围地基的动孔隙水压力、位移和加速度的时空分布规律进行了分析,重点分析了可液化地基上车站结构上浮、周围侧向地基地表的地震沉降、车站结构周围地基的液化区分布特性及其位移矢量场特征;其次,对车站结构周围可液化地基的地震反应对地面结构的地基稳定性及其所处地震环境的影响进行了初步研究,研究成果可对控制可液化地基上地铁车站结构地基的震害及其对地面结构造成的震害影响提供科学依据和参考。     

可液化场地下盾构扩挖地铁车站结构地震破坏机制振动台试验

 开展近远场水平地震动作用下可液化地层中盾构扩挖地铁车站结构振动台试验,分析模型地基土层的侧向变形、孔压比、加速度、宏观现象和动土压力以及结构的加速度、应变等物理量。研究结果表明,可液化模型地基在激振时经历先震密而后上浮的物理过程,震后有明显的喷砂冒水现象;地基土层侧向发生的是剪切型变形,其左摆与右摆过程中的峰值位移出现明显的不对称现象;小震时,模型地基中的加速度放大系数从下部到表层逐渐增大,中震及大震时,表现出先减小后增大的趋势;地震波沿模型地基向上传播的过程中,出现明显的高频滤波、低频放大的现象;可液化地基的孔压在地震作用下经历“急增长、慢消散”的变化过程;地下结构的存在对其周围地基孔隙水压力的增长(砂土液化)有明显的抑制作用。随着输入地震动强度的增加,动土压力明显增大,地下结构上、下方的土压力差值是结构发生液化上浮的内因,结构本身在强震过程中逐渐从弹性状态向弹塑性转化;液化场地条件下的结构侧方动土压力有随着埋置深度的增加而增加的趋势;可液化场地条件下盾构扩挖地铁车站结构的地震破坏机制是：中柱率先发生剪压破坏,而后是隧道开口部位与拱肩破坏,随后是侧墙与顶板的连接部位受拉破坏,最终形成机构而发生倒塌。     

PHC管桩复合地基抗液化能力研究

为研究PHC管桩处理可液化地基的效果,结合工程实例,采用FLAC3D数值模拟软件研究PHC管桩复合地基受地震荷载作用下的抗液化特性,并就灌注桩与PHC管桩的加固效果进行了对比研究。研究结果表明,PHC管桩复合地基的抗液化能力较未加固地基大幅提高,在同一地震荷载下,PHC管桩复合地基的液化度为0.20,而未加固地基液化度为0.48;此外,根据动力计算结果对比分析,PHC管桩加固可液化地基效果较灌注桩更好。研究成果对PHC管桩加固可液化地基工程实践有一定指导意义。     

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。     

可液化地层中矩形隧道的上浮响应分析

在地震荷载作用下易导致饱和砂土液化从而引起地下结构发生上浮,以往多集中于圆形隧道的研究。文章基于有限差分软件FLAC2D,建立饱和砂土中土体和地下矩形隧道结构相互作用分析模型,充分考虑孔隙水与土之间的耦合,分析地下结构在地震过程中超孔隙水压力变化、加速度反应、上浮位移以及结构周围土体的变形规律。并探讨矩形隧道结构埋深、断面面积和断面长宽比对结构上浮位移的影响规律。分别提出评价矩形隧道上浮位移与结构埋深和断面面积的计算公式,利用此公式可以为类似工程中隧道结构的抗震稳定性分析提供指导和借鉴。     

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。     

地震液化灾害自适应步长计算方法及控制参数研究

饱和砂土液化是岩土地震工程和土动力学研究领域的重要课题。在动力液化数值计算中,计算精度和计算效率一直是衡量数值方法的重要指标。在水土二相耦合弹塑性计算的数值平台上开发了自适应步长方法,通过位移误差、孔压误差和混合误差的评估体系建立了时间步长自动调整的策略及相关控制参数。通过控制参数的影响性分析,确定了主要控制参数为误差允许值和孔压误差比例系数,辅助控制参数为初始时间步长、步长调整的下限和上限。对处于液化场地的地铁车站模型进行了动力自适应步长数值计算,获得了上浮位移和超孔压比的发展过程,预测出液化上浮的灾害。同时也对比了固定步长法和自适应步长法的精度和效率,发现采用自适应步长法可极大的节约计算成本并不失计算精度。     

Numerical Analysis of the Seismic Behavior of Tunnels Constructed in Liquefiable Soils

This paper includes a numerical study of the seismic behavior of tunnels constructed in liquefiable soils. It is carried out using finite element modeling based on the (u-p) formulation (displacement for the solid phase and pore-pressure for the fluid phase). The behavior of the soil material is modeled using a cyclic elastoplastic constitutive relation involving both isotropic and kinematic hardening. The paper is composed of three parts. The first part includes a brief presentation of the numerical model used in this study; the second concerns the analysis of a reference example; the last part presents a parametric study of the influence of both loading and soil characteristics on the seismic response of tunnels constructed in saturated soils.     

Numerical assessment of the seismic response of an earth embankment on liquefiable soils

This study presents a numerical assessment of the seismic behaviour of an earth embankment founded on liquefiable foundation soils during earthquake loading. Analysis was carried out using an effective stress-based, fully coupled, finite element method. The behaviour of the sandy soil is described by means of a cyclic elastoplastic constitutive model which was developed within the framework of the Armstrong–Frederick type non-linear kinematic hardening concept. The numerical method and the analysis procedure are briefly outlined and as an example, the seismic response of an earth embankment on a saturated sand foundation is assessed. Based on the numerical results, the distinctive patterns of seismic response of the embankment are discussed. Special emphasis is given to the computed results of excess pore water pressures, co-seismic and post-seismic deformations, and accelerations during the seismic excitation. It has been found that the numerical model can capture fundamental liquefaction aspects of the embankment foundation system and produce preliminary results for its seismic assessment.      

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.