土性对土–桩–核岛结构动力相互作用影响的试验研究EI北大核心CSCD

为了深入研究不同地基土层性质对于土–桩–核岛结构体系抗震性能的影响和相关桩基的震害机制,配制3种不同硬度的地基土模型分别进行振动台试验,并对试验宏观现象和试验数据进行分析对比。试验结果表明:地基土硬度对于地震荷载作用下“土–桩–上部结构”相互作用体系具有重要影响,随着地基土硬度的减小,土结分离现象更加明显,桩基的震害现象也更加严重;由于上部结构较大的惯性力作用,地基土硬度较小时,基桩不仅在桩头处出现破坏,在5~6倍桩径深度处桩身也出现了开裂和折断的破坏现象;为保证核电工程基础的地震安全性,建议加固或选择剪切波速大于300 m/s的土层作为地基。     

相互作用体系中桩基的动力响应

率先在国内开展了对一种新型变截面桩-土-高层建筑结构体系动力相互作用的试验研究。通过振动台模型试验,观察了桩-土-结构体系动力相互作用的现象,验证和掌握了新型桩体与结构的震害特点。根据试验测定的数据,研究了支盘桩-高层建筑结构体系的动力特性和地震反应,重点分析了支盘桩的动力响应。通过计算和分析得出:桩-土接触压力时程曲线揭示了在地震动激励下桩-土之间存在着拉开和再接触的现象,表明支盘桩在动力相互作用过程中承受了拉、拔荷载,说明和证实了当基础具有较大的抗拉、抗拔和抗扭曲能力时,才能更好的发挥动力相互作用体系的抗震性能和减轻震灾;桩基两侧对应测点的应变时程曲线呈反向关系,表明在地震作用下,相同时间内桩基一侧受拔,另一侧受压,解释了地震区房屋产生倾斜、倾倒震害现象的根本原因。     

变截面桩基础体系高层建筑结构的地震响应

基于振动台模型试验,采用大型软件MARC进行了数值仿真试验,再现了在地震作用下桩基–结构相互作用体系的动力响应。研究结果表明:基础类型变化对高层建筑结构产生的变形影响较大,桩基–结构相互作用体系中上部结构的最大层间剪力和倾覆力矩等都比刚性地基上结构体系的要小,桩基–结构体系中相当一部分地震能量通过支盘扩散到土层中,减小了上部结构的变形能。而刚性地基上结构体系中相当一部分的地震能量则转化为上部结构的变形能,导致结构损伤较大。同时,振动台试验和数值仿真结果表明:支盘桩结构体系的阻尼能较大,能够有效地提高基础和结构体系的抗震和减震能力,降低上部结构在地震作用下的地震响应,对抵御地震、减少地震破坏具有十分重要的意义。     

三维波动土中带承台单桩的纵向振动特性研究

基于考虑三维波动的桩周土模型和虚土桩法,研究三维波动土中承台–桩–土相互作用的纵向振动特性。首先,根据桩周土和虚土桩的成层性将桩土系统划分为若干层,运用阻抗函数递推法得到桩顶的位移阻抗函数,进而得到承台–桩系统的位移响应的频域解析解,利用Laplace逆变换得到承台–桩系统位移时域响应的半解析解。然后通过参数分析,研究桩周土的剪切波速、黏性阻尼系数和泊松比对承台–桩系统纵向振动的影响;同时研究多层土中硬质夹层剪切波速,厚度和深度对承台–桩系统纵向振动的影响。研究结果表明,相比于桩侧土黏性阻尼和泊松比,桩侧土剪切波速对承台–桩系统纵向振动影响更大;上层土对承台–桩系统纵向振动的影响大于下层土。最后将理论计算结果与现场实测曲线进行对比,证明该三维波动土中承台–桩–土相互作用的模型较为合理。     

桩基变刚度调平设计的实施方法研究

针对高层建筑桩–箱、桩–筏基础反力、变形的实测结果显示,按常规理念设计的桩–箱、桩–筏基础有两点不足:一是碟形差异沉降引起上部结构较大次生应力;二是马鞍形的反力分布导致基础筏板内力增大。通过大比例尺模型试验结果分析,提出了以调整桩土支承刚度分布为主线,根据荷载、地质特征和上部结构布局,考虑相互作用效应,采取增强与弱化结合、减沉与增沉结合、局部平衡、整体协调,实现差异沉降、承台(基础)内力和资源消耗的最小化。对于变刚度调平设计,进行上部结构–基础–地基(桩土)共同作用分析,进一步优化布桩和承台配筋,结合工程实例对变刚度调平设计中的具体强化指数和弱化指数的取值进行分析说明。     

某桩基承台质量对上部化工塔稳定性影响分析

为研究地震作用下桩基承台的结构形式及其质量大小对上部高耸结构的影响,以土—结构动力相互作用的相关理论为基础,通过采用黏弹性人工边界模拟土体边界,建立了桩—土—承台—上部结构动力相互作用二维模型。以某在建中的高耸化工塔为例,对相互作用体系在地震荷载作用下的动力反应进行数值分析与研究。结果显示,在将承台由大质量块实心体改为质量更小的结构体时,体系的地震反应并不比原结构大,甚至还略有减小。另外,如果在原承台基础上使承台材料的密度在一定范围内变化,那么随着密度的增大,体系的地震反应也随之有所增大,这表明桩基承台的大质量并未使上部化工塔结构更稳定。     

桥梁逆作承台–群桩复合基础应用与现场实测研究

为进一步研究逆作复合基础在桥梁工程中的适用性,开展了桥梁逆作承台–群桩复合基础的实桥应用研究,针对有水和无水的施工环境,分别提出了桩与承台间预留孔采用带剪力连接键的钢护筒和收口网模板的构造设计与连接施工工艺,并通过12组接头承载性能试验验证了工艺方案的可靠性。通过现场实测,揭示了桥梁逆作承台–群桩复合基础受力机理,测试结果表明:采用逆作方案,先施工桩基和预留桩孔的承台,待盖梁施工完成后再封桩,使桩与承台形成整体共同参与受力,能够使封桩前承台底土承担上部荷载,有效发挥浅层地基土的承载能力;封桩后,基础沉降增量和承台底土压力增量均明显减缓,继续增加的上部荷载主要由桩基承担,能够有效控制封桩后桥梁沉降。     

土–桩基–核岛体系动力相互作用振动台试验及数值模拟

利用振动台试验研究了土–桩基–核岛体系动力反应规律,分析了桩身内力分布特征、变形规律和桩身破坏模式。试验结果表明:输入不同幅值的地震动时土层与桩基础结构均出现加速度放大情况,其中远离结构自由场放大系数峰值出现土层表面,桩间土层放大系数峰值出现在土层中部,表明桩基础对土层加速度放大情况有一定影响;桩身在中部出现加速度放大峰值后在靠近承台位置出现减小,表明上部结构对桩身加速度放大分布有显著影响。桩身剪力在桩-承台连接处最大并随深度增加而减小,弯矩在桩顶部及中上部位置较大。桩-承台连接处、桩中部(约6倍桩径)为桩身薄弱环节,破坏形式为拉伸剪切破坏及弯曲破坏。群桩各桩的破坏顺序为沿振动方向一侧边桩先出现破坏并引起中部角桩破坏,后中桩破坏,另一侧边桩最后破坏。水平地震荷载作用下群桩的可能破坏机制是沿振动方向的边桩由于受桩周土的约束较弱、最先受到地震的作用,更容易先发生破坏,并引起其它位置的桩发生破坏。     

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。     

竖向荷载作用下承台(基础)-桩不同构造形式下的工作性状分析

在文献[1]采用的现场试验对桩与承台（基础）之间不同构造方式下的承台（基础）-桩-土相互作用进行的研究基础上,首先采用有限元数值分析模拟承台-单桩-土系统的相互作用,通过参数调整,使其能够模拟文献[1]进行的现场试验并给出较为接近的结果。在此基础上,采用数值仿真试验对多桩情况下桩顶与承台直接接触、复合地基及桩顶预留净空基础在竖向荷载作用下的工作性状进行了对比分析与研究,比较了相同荷载、桩长、桩距、承台厚度等情况下各种构造形式基础的受力特点。同时,通过改变桩长、桩距、预留净空大小等影响因素,进一步研究了桩长、桩距、预留净空对多桩桩顶预留净空基础的桩土荷载分担比例和沉降的影响。     

支盘桩–土–高层建筑结构振动台试验的研究

 设计和实施支盘桩–土–高层建筑结构动力相互作用体系的振动台试验,再现框架结构和桩基的震害现象。通过振动台试验,研究相互作用体系的地震响应、支盘桩对结构体系的阻抗作用和单、双跨框架结构抗震性能的差异,对该体系的试验现象、基频、阻尼比、振型、位移反应和上部结构顶层加速度反应进行了计算和分析。结果表明：相互作用对结构的动力特性和地震反应均有较大的影响,支盘桩具有较好的抗压、抗拔和抗扭曲作用;相同工况时上海人工波激励下的结构最大位移反应比El Centro波大,说明结构的破坏除与震级有关外,还与地震波的波形有关;双跨框架结构的抗震性能明显好于单跨,并与汶川地震中很多单跨教学楼倒塌的现象一致。研究结果对抗震设计和防灾减灾具有重要的研究意义。     

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。     

砂卵石地层圆形深基坑支护结构土压力

在以砂卵石地层为主的成都平原地区,近年来圆形深基坑工程逐渐出现,但一直无适宜的支护结构土压力的确定方法,对土压力分布特征尚不清楚。运用弹塑性数值模拟方法,充分考虑桩土变形协调关系,确定了成都地区砂卵石地层的圆形深基坑支护结构上土压力的分布规律,呈现出在围护桩中下部偏大的近似三角形分布模式,平均值小于Rankine主动土压力。开展了模型试验研究,针对试验模型,数值计算值与试验值分布规律整体上具有相似性,二者较为接近,说明了数值计算结果具有一定的合理性。     

Numerical analysis of a shaking table test on dynamic structure‐soil‐structure interaction under earthquake excitations

Structure‐soil‐structure interaction (SSSI) phenomena under earthquake excitations are investigated in this paper. Based on the results of the shaking table test, this work presents a 3‐dimensional finite element numerical simulation method using ANSYS software. In the simulation, an equivalent linear model is assumed for soil behavior, and contact elements are adopted to consider the nonlinearity state of the interface between foundation and surrounding soil. In addition, constrained equations are added to manage the uncoordinated degrees of freedom. By comparing the results of the finite element analysis with data obtained from the shaking table test, the dynamic response of the shaking table test can be simulated properly. Finally, the dynamic response of adjacent structures considering the SSSI effect is analyzed. The results show that with increased excitation, contact pressure, strain amplitude, and pile slip increase, whereas the peak acceleration magnification coefficient decreases. These results are significant for studying the effect of SSSI on seismic responses of structures.     

泰州大桥北塔群桩基础三维动力非线性抗震计算研究

 采用三维八节点等参单元与无限元相组合的数值方法进行土和大桥桩基的地震反应分析。基于ABAQUS软件,建立“承台–群桩–土体系统”的大型三维非线性时域地震动力反应分析的弹塑性模型与相应的计算方法。承台和桩采用混凝土损伤塑性模型,土体采用传统莫尔–库仑屈服准则的弹塑性模型。考虑承台和大直径超长钻孔灌注桩的天然自重、江床浅部松散砂性土层部分振动液化等不利因素对桩基础承载能力的影响。提出静、动力统一的黏弹性无限元边界概念,采用四CPU并行计算得到“承台–群桩–土体系统”同时承受竖向静载荷和水平动载联合作用时,群桩的动轴力、动剪力和动弯矩,桩周摩阻力和桩侧与桩周土体的接触压强等对设计和施工具有参考价值的成果,进而对大桥桩基的抗震性能有比较全面和深入的认识。     

预应力锚索桩板墙的地震响应及影响参数研究

汶川地震震害调查表明,使用预应力锚索的桩板墙变形协调性更好,抗震性能提高,但目前在预应力锚索桩板墙的抗震设计理论研究方面仍比较落后。本文利用FLAC^3D对预应力锚索桩板墙的地震响应特征进行了研究,包括桩身土压力分布、桩身变位及锚索内锚段应力的动力响应特性等,并通过改变地震动参数、材料参数和结构设计参数,进行了多种工况的分析,系统研究了影响参数对桩-土-锚动力耦合相互作用规律的影响。通过对FLAC^3D的数据分析,其研究结果表明:锚索限制了桩板墙结构的运动,墙后土压力在锚索附近显著增大;桩前基础表面的土体易损坏,因此,应高度重视桩前位置,这对抗震设计有积极影响;随着内聚力和内摩擦角的增大,桩的位移、应力和锚固轴力等减小;锚索存在临界有效锚固长度,在临界范围内,通过减小桩间距来提高加固效果并不明显。研究成果加强了对预应力锚索桩板墙抗震表现的认识,也为深化抗震机理研究提供了可靠的依据。     

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。     

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。     

地基条件对挡土墙地震土压力影响的振动台试验研究

地震土压力研究是挡土墙抗震设计的核心内容。汶川地震震害调查发现建于土质地基上的挡土墙较建于岩质上的更易发生震害,因此,研究地基条件对挡土墙地震土压力的影响是十分必要的,然而目前许多国家的铁路或公路抗震设计规范中未包含地基条件对挡土墙地震土压力的影响。鉴于此,为了深入了解地基条件对挡土墙地震土压力的影响,利用大型振动台试验这一最能直接反映地震响应特征的动力研究手段,就地基条件对挡土墙地震土压力的分布形式、合力大小、合力作用点位置的影响开展研究,并把实测结果与几个国家的抗震设计规范进行了对比,提出了挡土墙的抗震设计建议。