土层液化条件下桩土相互作用p-y关系分析

依据加权余量法原理,建立了确定桩与液化土层相互作用振动台模型试验动力p–y曲线的方法。分析了具有不同初始相对密度的土层在液化过程中动力p–y曲线的弱化以及桩土相互作用阻尼的变化,对动力p–y曲线和拟静力弱化p–y曲线进行了比较。结果表明:依据静力p–y曲线、按折减系数法确定拟静力弱化p–y曲线时,折减系数的取值不仅取决于土层初始相对密度,还与土层的埋深有关。     

液化土层中桩基抗震性能振动台试验研究

通过振动台试验,研究了饱和砂土中桩基的振动特性,对桩土振动过程中的动力相互作用有了初步的认识。根据试验结果,做出了砂土液化后,距模型桩不同位置处的砂土的动力p-y曲线与API推荐做法得到的静力p-y曲线,并对两者进行了比较,说明了饱和砂土液化降低了模型桩的横向承载能力,但并没有使模型桩的横向承载能力完全丧失。提示工程设计人员在对可液化砂层的横向承载能力进行考虑时,完全不考虑可液化砂层的横向承载能力是保守的。     

液化土层中桩基抗震性能研究

通过振动台试验，研究了饱和砂土中桩基的振动特性，对桩土振动过程中的动力相互作用有了初步的认识。根据试验结果，得到距模型桩不同位置处的砂土的动力p-y曲线与API推荐做法得到的静力p-y曲线，并对两者进行了比较，说明了饱和砂土液化降低了模型桩的横向承载能力，但并没有使模型桩的横向承载能力完全丧失。提示工程设计人员在对可液化砂层的横向承载能力进行考虑时，完全不考虑可液化砂层的横向承载能力是偏于保守的。     

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。     

砂土地基小直径单桩的浅层土p–y曲线

小直径桩在桩基础的抗震设计、加固中已得到越来越多的应用。针对美国石油协会(API)规范的p–y曲线法和中国规范的m法对小直径单桩的适用性问题,通过拟静力试验研究了砂土地基小直径单桩的浅层土(深度小于1 m)p–y曲线。对实测桩身弯矩采用分段函数的拟合方法来推算土反力和桩身变形,获得了小直径单桩在饱和中砂中的浅层土静力p–y曲线,并基于试验结果提出了三线性本构。进一步地,通过数值模拟分析比较了所提出的浅层土三线性p–y曲线、API规范的p–y曲线、中国规范的m法对预测小直径桩基受力和变形的有效性。结果显示API规范的p–y曲线可能稍低估桩基的水平承载力,并获得更深的桩身最大弯矩位置,而提出的浅层土三线性p–y曲线可更好地预测桩基的整体水平力和位移关系、桩身弯矩及变形。另外,传统的m法仍然适用,当桩身变形较小时(土面桩身变形不超过6 mm),m值宜取推荐范围内的较大值,而当桩身变形较大时,m值宜取推荐范围内的最小值。     

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。     

基坑开挖与邻近桩基相互作用的弹塑性解

基于弹性理论法和p–y曲线法,通过桩土间设置的界面滑块和土体统一极限抗力来考虑土体塑性屈服,提出了基坑开挖对邻近桩基影响的弹塑性解。其基本思想是将桩基视为一维杆系结构,其和周围土体的相互作用通过设置的由弹簧和滑块构成的界面单元实现。当土体处于弹性状态时,桩土变形协调,滑块不发生作用;当土体应力达到极限抗力时,土体发生塑性变形,滑块承受极限抗力并发生塑性滑动。计算中,土体弹性模量随土体位移变化,即桩土之间非线性关系,其值可通过各土层处p–y曲线确定。实例分析表明,该方法计算结果合理可行,能够较为有效的分析基坑开挖对邻近桩基的影响。     

弱化饱和砂土中桩的p–y曲线与极限抗力研究

利用给土层施加反压的方法控制饱和砂土中的超孔隙水压力,以此模拟饱和土层液化过程中具有一定残余孔压时的弱化状态。进而对不同弱化状态饱和砂土与桩的相互作用进行模型试验,研究p–y关系与水平极限抗力随饱和砂土中残余孔压增加时的变化规律。结果表明:对于相对密度为30%的饱和砂土,随土层中残余孔压增加,同一水平位移下桩受到的土层抗力逐渐降低;如果土层中无残余孔压,桩的水平极限抗力实测结果与理论计算结果接近;当土层中的残余孔压分别达到土层上覆有效压力的0.25,0.5,0.75倍时,桩的水平极限抗力分别降低30%,55%与80%;土层液化后,桩的水平极限抗力大约降低90%,这点与已有的振动台及离心模型试验结果基本一致。     

可液化土–高层结构振动台试验的土性参数识别

 基于已进行的可液化地基–桩–高层结构振动台试验,利用参数识别技术对试验记录的土体加速度和孔隙水压力进行分析,研究场地液化机制及土的动力特性。由振动台试验的土体加速度记录,通过剪切梁模型,求出土体的动剪切应力–剪切应变曲线,研究土体的动剪切模量及阻尼特性随动剪切应变的变化关系,并进一步研究土体剪切波速、有效应力路径及桩和土的剪切应变等情况。结果表明：在较强地震激励下,动剪切应力和动剪切应变滞回圈更饱满,表现出更强的滞回特性;土的刚度随着深度的增加而增大;孔压比存在明显的上升,孔隙水压力增长对土的剪切波速有影响,土的刚度随着孔隙水压力的上升而降低;利用参数识别技术得到的土的刚度与土动力性质试验得到的结果比较一致,而阻尼要高于土动力性质试验的结果;群桩内外土体的剪切应变形状相似,外侧土体的剪切应变比内侧土体的剪切应变大。该土性参数识别技术对于研究液化场地及液化场地中结构的抗震设计具有一定的参考价值。     

黄土塬地区大直径长桩承载性状与优化设计研究

 黄土塬地区桩基问题研究匮乏,依托陇东首栋超高层建筑,在试验桩身上布置混凝土应变计、钢筋应力计,承台底板下和桩端布置土压力盒,对原地基土、单桩基础和单桩承台基础分别进行现场原位载荷试验;利用ANSYS有限元软件对全短桩基、全长桩基及长短桩组合桩基在竖向荷载作用下的筏板沉降变形、地基土应力场与沉降变化进行分析。结果发现：(1) 黄土塬场地地基土夹层交互分布、湿陷性不连续,存在由非湿陷性黄土变成湿陷性黄土的可能,桩周土层对桩基内力传递与分布影响显著,桩身出现多个中性点,湿陷性土层下限深度确定更加复杂;(2) 各级荷载作用下,桩基Q-S曲线呈缓变型发展,表现为典型的摩擦型桩,桩身内力发挥具有异步性;试验加载至8 000 kN时,桩顶最大沉降为8.15 mm,单桩和单桩承台端阻力分别仅占桩顶荷载的4.8%和2.1%;(3) 单桩承台基础中承台底部实测反力呈倒“盆”形分布、边缘应力较大,桩–土–承台体系的承载性能优于单桩基础;桩基础设计时,可结合经验以承载力和最大允许变形量进行控制,提高桩身线刚度抵抗自身压缩变形,减小桩基上部沉降;(4) 长短桩组合桩基础充分利用与发挥了长桩控制沉降的作用与地基土浅层承载的能力,减少了长桩数量,节省了桩基造价,值得进一步深入研究。     

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.     

Shaking table test and theoretical analysis of the pile–soil–structure interaction at a liquefiable site

Pile foundations are widely used to support high‐rise buildings, in which piles transmit foundation loads to soil strata with higher bearing capacity and stiffness. This process alters the dynamic characteristics of the pile–soil–structure system in seismically active areas, especially at a liquefiable site. A series of shaking table tests on liquefiable soils in pile group foundations of tall buildings were performed to evaluate the liquefaction process and dynamic responses of the pile, soil, and structure. The soil was composed of two layers: the upper layer was a clay layer and the lower layer was saturated sand. These layers were placed in a flexible container that was excited by El Centro earthquake events and Shanghai Bedrock waves at different levels. The test results indicate that the pore pressure ratio is gradually enhanced as the amplitude of the input acceleration increases. The liquefied sand has a filtering effect on the vibration with a high frequency and an amplified effect on the vibration with a low frequency. With increased excitation, contact pressure and strain amplitudes of the pile increase, whereas the peak acceleration magnification coefficient decreases. The seismic responses of a structure with pile–soil–structure interaction are generally smaller than those on a rigid foundation.     

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。     

微生物灌浆加固液化砂土地基的动力反应研究

饱和松砂地基在地震等周期性荷载作用下易发生液化，而松砂边坡在降雨或地下水位上升过程中易发生“静态”液化，这些都易造成路基沉陷、滑坡、地下管道及隧道的上浮等与液化相关的工程灾害。相对传统的地基加固技术，微生物灌浆加固技术是利用一项微生物成矿学的最新进展，即微生物诱导碳酸钙结晶技术，通过向松散砂土地基中低压传输微生物细胞以及营养盐，最终在砂土孔隙中快速析出碳酸钙胶凝结晶，改善地基力学性能。微生物灌浆加固技术具有扰动小、工期短、加固效果明显和低耗能等优势，是目前地基加固研究的前沿问题。通过标准动三轴及振动台试验来检测微生物灌浆是否能够用于液化地基加固。首先，概要介绍了微生物灌浆加固技术的原理、方法以及国内外研究发展水平，给出了适用于液化砂土地基加固的微生物灌浆方法。其次，通过标准动三轴及小型振动台试验，研究了微生物灌浆加固液化砂土的抗液化性能，以及其它动力性能，并与传统的液化地基加固方式进行了对比分析。试验结果表明，微生物灌浆加固砂柱及模型地基的抗液化性能显著提高。可以说，微生物灌浆技术在液化砂土地基加固方面具有潜在的工程实用价值和广阔的应用前景。     

适于不同深度土层液化的剪切波速判别公式

剪切波速测试是工程上常用的现场技术,正逐步成为液化判别方法的基本指标之一。利用早期的Andrus数据库对中国《岩土工程勘察规范》方法和Andrus方法进行检验,发现了二者存在的问题。提出了双曲线形式的剪切波速判别模型和公式。采用新的Kayen数据库对三者进行了对比检验,并讨论了提高判别精度的可能性和方式。结果表明:中国现行的《岩土工程勘察规范》中剪切波速判别液化方法,无论对浅层还是深层土,判别结果均严重保守,甚至会把十分密实的砂土判成液化,十分不合理;国际上应用广泛的Andrus方法对浅层土判别结果过于保守,对深层土判别成功率可以接受,但其临界剪切波速曲线在深处存在回弯的不合理现象;所提出的双曲线液化判别模型和公式,能够深浅兼顾,无论对浅层还是深层土都能给出较好的判别结果,克服了中国规范方法和Andrus方法的弊端,且形式简单便于工程应用;采用剪切波速进行液化判别时,应采取多次测试,以降低数据离散性,提高判别的准确性。     

土工格栅控制液化土体流动变形的试验研究

液化导致的土体大变形以及侧向流动是地震引起建筑物破坏的主要原因。采用土工格栅作为主要加固材料,开展建筑物荷载作用下液化场地流动变形的振动台试验研究,考虑水平层状土工格栅、包裹状土工格栅和土工格栅+无纺布联合处理等3种加固方案对结果的影响,从超孔隙水压力发展、建筑物沉降量以及格栅应变特性等分析加固方案对液化变形的处理效果。试验表明:采用上述3种加固方案所得的相同埋深处超孔隙水压力峰值基本相等,表明土工格栅的加入基本不能改变地基的液化状态,而后期超孔隙水压力在土工格栅+无纺布联合加固方案下消散速度最快。与其它两种加固方案相比,土工格栅+无纺布联合加固方案下建筑物沉降量最小,相比未加固工况沉降量减少24%,土工格栅中间位置的应变峰值小于边缘位置的应变峰值。采用土工格栅+无纺布联合加固时,具有较大表面积的无纺布对该覆盖区域液化土体有较好的约束作用,限制了砂土颗粒的竖向移动。此外,砂土颗粒对无纺布的作用力将由土工格栅承担,这种作用力将有利于土工格栅与砂土之间的摩擦效应,进一步限制液化砂土的流动变形。     

砂桩加固液化砂土振动台试验中的孔隙水压力

以砂桩加固液化砂土的振动台试验为基础,通过测试加固与未加固模型土、同一桩距不同桩长下加固液化砂土的孔隙水压力,试验得出,未加固模型土埋深较浅的土层易液化,液化持续的时间较长,并随着深度的增加,液化程度有减小的趋势.     

大直径钢管桩竖向承载力计算方法研究

随着海上油气资源的深度开发与海上风电工程的投资建设,大直径钢管桩基础以其结构简单、安装便利、承载性能优越的独特优势被广泛使用。随着钢管桩直径的增加,其承载模式有别于传统的小直径桩。分析了太沙基、梅耶霍夫、别列柴策夫深基础承载力理论公式与建筑桩基技术规范、港口工程桩基规范、API、DNV规范以及考虑土拱效应的计算方法之间的差异性,并应用上述方法计算了实际工程中大直径钢管桩的竖向承载力,将计算结果与动测结果进行对比。结果表明:理论算法中太沙基法与梅耶霍夫法计算值较大,别列柴策夫公式和考虑土拱效应计算法相对准确;建筑桩基技术规范、港口工程桩基规范相对于API、DNV规范更加保守。     

液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用振动台试验模型相似设计方法

当今，模拟振动台试验是研究工程抗震能力与破坏机理的重要手段之一。模型相似设计是确保振动台试验能够尽可能真实地反映原型动力性状的关键之一。基于目前广泛应用的Bockingham π定理，主要采用量纲分析方法，并且结合考虑模型与原型之间的材料变形应力-应变本构关系及桩-土接触边界动力响应相似性，求解液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用振动台试验的模型设计相似关系，同时提出人工质量问题的解决办法。