侧向流动地基单桩基础离心机振动台试验研究

该文在清华大学土工离心机振动台上开展了倾斜可液化地基中刚性单桩基础的试验研究, 观测了地基的加速度、位移、孔压和桩基础的弯矩等响应。研究结果显示:地震中地基浅层部分较快达到液化状态, 不同深度超静孔隙水压力的累积与消散并不相同;砂土的液化使得地基的加速度响应发生变化, 有效地过滤了地震波的部分高频段;地震过程中桩身弯矩峰值出现在浅层地基达到初始液化后, 且最大弯矩出现在桩头;倾斜地基使得桩身产生了较大的残余弯矩。由此表明在侧向流动地基中, 液化前、液化后大变形和地震后永久位移三个不同阶段桩的受力并不相同。在进行可液化地基中桩基础的研究中, 应考虑这三个不同阶段桩基础的受力要求。该研究加深了对倾斜液化地基中桩基础的地震响应的理解, 有助于进一步的揭示地震过程中可液化地基桩基础的震损机理。     

液化侧向扩展场地刚性排水管桩群桩振动台试验研究EI北大核心CSCD

地震作用下土体发生液化侧向扩展对建筑物极具破坏性,特别是对建筑物的桩基、高架桥梁等,消除和减小土体液化扩展引起的对结构安全的危害具有极大的意义。刚性排水管桩由圆形空心刚性桩与排水体结合而成,其在具有排水功能的同时,又具有较大的承载力,但是目前针对刚性排水管桩群桩抗液化性能的研究仍十分有限。基于振动台试验,开展了桩顶承台竖向荷载作用下刚性排水管桩群桩与普通桩群桩处理液化侧向扩展场地的振动响应对比研究,分析了地基土的超孔压比、加速度、平均沉降、承台位移、挡板位移以及桩身弯矩等。研究结果表明:刚性排水管桩地基与普通桩地基相比,超孔压、桩身弯矩、地基沉降、承台位移、岸壁位移明显减小,而加速度增大,充分表明刚性排水管桩的抗液化效果显著。     

地震作用下软土中桩承桥墩系统响应特性分析

以软黏土中桩承桥墩系统为研究对象,分别采用等效理想弹塑性模型和双曲线型滞回本构模型来描述桩承桥墩系统和软土的动力响应行为,系统探究了地震动强度（基岩峰值加速度或基岩峰值速度）、桩身抗弯刚度和桥跨结构质量等因素对不同位置处加速度放大系数及桩基-桥墩系统最大弯矩系数的影响规律。研究发现：当基岩峰值加速度小于0.15g时,软土对地震波的放大效应较为强烈,而当基岩峰值加速度大于0.2g时,软土的阻尼耗能减弱了地震波的震动强度;桥跨结构质量的增加会显著降低桥墩顶部加速度放大系数;由于软土动力特性的非线性和软土-桩基之间相互作用关系的复杂性,桥墩和桩基最大弯矩系数与基岩峰值速度有着强烈的非线性特征,当基岩峰值速度大于0.2 m/s时,桩基-桥墩系统基本进入塑性变形阶段;桩身抗弯刚度和桥跨结构质量分别对桩基和桥墩最大弯矩响应的影响更大,表明桩基和桥墩地震响应分别取决于地震过程中软土的动力作用和上部结构的惯性力作用。     

液化场地钢筋混凝土桥墩残余位移分析

为探究场地液化对钢筋混凝土(ReinforcedConcrete,RC)桥墩残余位移影响机理，首先基于OpenSees有限元计算平台阐述了液化场地-结构有限元数值建模方法，通过与离心机试验结果对比验证了建模方法的可靠性。其次以一座实际工程中的单桩单柱式桥墩为原型，发展了液化场地-RC桥墩建模方法，建立非液化场地-桩-RC桥墩数值模型(模型1)和液化场地-桩-RC桥墩数值模型(模型2)，对两模型输入近断层地震动进行非线性动力时程分析。讨论了模型2场地液化情况，并对模型1与模型2的场地位移、桩身位移、桩身最大屈服曲率延性系数、墩顶残余位移及墩顶残余位移随地震动峰值加速度(PGA)变化情况进行对比。结果表明：地震过程中，模型2场地各深度出现不同程度液化现象；且土体中上部均达完全液化状态，土体水平极限抗力损失最大，对桩身侧向约束严重降低。液化导致场地震后残余位移显著增加，场地对桩身震后约束增强，导致桩顶残余位移增大。另外，由于地震过程中中上部液化土体对桩身侧向约束严重降低导致桩身塑性变形显著增大、桩身最大塑性变形位置明显下移以及桩身塑性变形区扩展，引起桩身更为严重的塑性损伤，进而增大桩顶残余位...     

成层液化场地条件下单桩振动分析

将层状土中桩基振动相关理论扩展应用到考虑土层液化的桩基振动的研究,借助于Winkler弹簧-阻尼器模型描述液化土和非液化土与桩基之间的动力相互作用,利用初参法和传递矩阵法得到了地震激励作用下考虑土层液化的桩基桩顶位移放大因子。结果表明,液化后的土层软化系数、土层厚度、桩身抗弯刚度和桩身线质量密度等对考虑液化的桩基振动特性有较大的影响。     

饱和砂土中直群桩及土体地震动力响应特征研究

为了更好地研究地震作用下饱和砂土中群桩及土体动力响应特征,设计了饱和砂土液化场地2×2直群桩动力响应离心机振动台试验,获得承台、土体加速度以及孔压动力时程曲线。为了更深入地分析群桩及土体地震动力响应特征并满足对比研究的需要,在试验基础上,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,并与试验结果进行对比验证。结果表明:在峰值加速度0.3g El-Centro地震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相比较输入波明显缩小,0.3g大震作用下地基浅层加速度显著衰减,地基液化区域由浅入深逐渐发育;饱和砂土地基超静孔隙水压力发展影响土体和桩基承台加速度响应,土体液化直接导致加速度数值减小;数值模拟加速度结果与试验的加速度动力响应特性略有区别,数值模拟加速度地基浅层出现先放大后缩小的规律,深层土与输入波形基本一致;数值模拟超静孔隙水压力与超静孔压比与试验基本一致,而模拟得到的承台位移结果相较于试验偏于保守。     

考虑附加抗力影响的单桩水平受力分析方法

单桩基础受水平荷载作用时,桩身截面转动引起的竖向摩阻力形成土对桩的附加抗力矩,同时桩端土对桩也有一定的附加抗力效应。为了研究桩身和桩端附加抗力对单桩水平承载特性的影响,该文基于API规范推荐的砂土摩阻力模型,结合桩身径向土压力引起的极限摩阻力增强效应,推导出砂土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解;采用API规范推荐的黏性土摩阻力模型,推导出黏性土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解。基于双曲线桩端竖向应力-位移模型,在考虑桩端桩-土界面脱开效应的基础上,得到了桩端抗力矩的离散数值解和简化公式解,桩端水平剪力的离散数值解;进而提出基于Winkler地基梁模型的有限元计算方法,并编制了程序。通过对比试验数据,初步验证了该文方法的正确性,进行了水平承载力的参数分析,结果表明:随着长径比的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比逐渐减小;而随着桩直径的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比并未显著变化。     

SH波作用下液化土中桩-土-上部结构的动力相互作用

以桩-土相互作用的Winkler模型为基础,将桩等效为Timoshenko梁,上部结构等效为刚性质量块,研究了桩基底土体承受垂直入射简谐SH波作用的液化土层中桩-土-上部结构系统的动力特性。考虑土体的自由场位移以及上部结构质量、转动惯量和桩轴向压力的二阶效应,建立了液化土层中单桩-土-刚性上部结构系统的边值问题,并利用分离变量法得到桩变形的解析解。在验证理论模型和解析解合理性和有效性的基础上,分析了几何和物理参数等对桩头位移放大因子和动力放大因子的影响,研究结果表明:单桩-土-上部刚性结构系统存在明显的共振现象,且土体自由场位移对桩头位移放大因子影响显著。随着土体液化程度的发展,单桩-土-刚性上部结构系统基频、桩头动力放大因子和桩失稳临界荷载逐渐减小。     

双参数层状地基中大直径单桩水平振动解析解与分析

基于Pasternak地基和桩体Timoshenko梁理论,考虑了轴向作用二阶效应,建立了大直径桩-成层土相互作用体系水平振动分析简化模型,采用微分变换方法和双剪切理论,结合桩土连续边界条件,进而推导出桩身位移、内力、转角解析解,并与已有相关解析解进行退化对比验证。在此基础上,探讨了桩身长径比、地基剪切系数、桩土模量比、桩身剪切变形系数及轴向荷载对桩基水平振动特性的影响规律。计算分析结果表明推导所得对应解析解,能综合考虑轴向压力二阶效应、桩周土和桩身剪切变形的影响,可为大直径桩基工程相关水平向振动分析和设计提供参考。     

成层地基中倾斜荷载桩改进有限杆单元法研究

传统有限杆单元法不能考虑倾斜偏心荷载下基桩的P-Δ效应,假定桩身位移为三次幂函数,结合倾斜偏心荷载下单桩受力微分方程确定的桩身弯矩、剪力与桩身水平位移关系,导得具有简洁形式、计入P-Δ效应的杆单元刚度方程,进而得到改进的有限杆单元方法,并给列出了用该法进行成层地基中倾斜偏心荷载、桩自重、水平分布荷载、竖向分布荷载和竖向分散集中荷载综合作用下并考虑桩身倾斜影响基桩内力位移分析的具体计算步骤。结合某工程实例,对上述方法进行了验证。最后对影响倾斜荷载桩的主要因素如埋深、桩材、基桩自由长度、桩身倾斜度、竖向荷载偏心矩以及荷载倾角等对基桩受力特性影响进行了分析,获得了一些定性的结论。     

水平—轴向荷载联合作用下灌注桩设计方法的研究

本文导出了考虑桩身侧阻作用时，水平荷载，轴向荷载，桩顶弯矩共同作用下灌注桩桩身内力和位移的解。在此基础上，研究了上述荷载共同作用下灌注桩的设计方法。     

隧道-土-桥桩相互作用体系振动台试验与数值模拟研究

以大连实际工程为背景,通过振动台试验研究了双隧道-砂土-桥桩系统在地震作用下的动力相互作用（SSSI）,得到结构、场地的动力响应规律,并与ABAQUS数值模拟结果进行对比。数值模型引入Kelvin本构模型子程序,利用等效线性方法处理砂土在计算过程中的非线性问题。将试验结果与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上设计了8种工况,通过对比分析研究了体系内各结构之间的相互作用规律。结果表明,隧道会放大桥桩、临近隧道的峰值加速度,而桥桩却会对侧穿隧道的峰值加速度起到减弱作用;隧道与桥桩的存在均会增大彼此的截面剪力与弯矩,其中受影响的区域主要集中在隧道上下拱,桥桩的桩底与桩-土交界面。     

砂土液化场地桩基地震反应分析

用整体动力有限元方法进行砂土液化场地桩-土-结构动力相互作用及桩基地震反应分析。在土体侧向的边界节点处用弹簧并联阻尼器来进行模拟；在土体平面应变单元和桩体梁单元连接处，用补充约束方程的方法进行节点耦合，使两种不同类型单元满足连续条件。结合典型工程实例选择桩-土-结构及荷载参数，重点讨论了三种不同情形下砂土液化场地土-结构相互作用对桩基地震反应的影响，分析和比较了三种情形下体系1至6阶的自振周期、基桩危险截面处的位移与内力时程和最不利时刻桩身的位移与内力等，得到了一些对工程实际有益的结论。     

高铁移动荷载作用下桩承式路基的振动特性

采用ABAQUS有限元计算程序,建立轨道结构-路基-地基相互作用三维有限元模型,通过编制FORTRAN子程序实现列车荷载的施加,忽略轮轨接触及轨道不平顺的影响,计算分析250km/h列车荷载作用下钢轨振动位移幅值、加速度时程和频谱。讨论列车移动荷载作用下桩身直径、桩长和桩间距等参数对桩承式路基振动的影响。计算结果表明:钢轨竖向振动位移幅值较大,约为水平振动位移幅值的16倍。钢轨竖向振动主频分布较广,低频、中频和高频皆有分布。桩承式路基基床表面位移振动幅值较自由式路基的振动幅值明显减小,约为自由路基的60%。桩的振动主频随桩长和桩身直径的增加先增大后减小,桩长为10m和桩身直径为1.0m时桩的振动主频最大。     

碎石桩加固可液化场地数值模拟与分析

采用砂土液化大变形模型模拟饱和砂土及等效非线性增量模型模拟碎石桩,对碎石桩加固约19 m厚饱和砂土场地的动力离心模型试验进行数值模拟,在加固区与非加固区不同部位的加速度和超静孔隙水压响应时程与试验数据符合较好。在试验验证的基础上,对不同震动强度下碎石桩的排水与加密效应对加固可液化场地的动力响应影响进行了模拟研究,包括:超静孔压累积与消散,土体液化变形的发展,及加固区内部与外部响应差异等。结果表明:碎石桩加固可明显改善土体抗液化能力,在所分析的0.2 g震动强度工况,碎石桩加固区除桩间土浅层1 m~2 m少量部位外未出现土体液化,基本达到加固消除液化的目的。碎石桩抗液化的有效影响范围约为2.5倍~3倍桩径,在浅层小而随深度增加;外围桩发挥着加固区排水屏障和非加固区排水通道的作用;碎石桩加固加密土体时,会提高土体的剪应力比峰值。     

土体液化大位移条件下群桩动力反应振动台模型试验

设计并开展了可液化场地群桩基础大型振动台模型试验,再现了倾斜场地土体液化、流滑以及桩基倾斜等宏观现象,分析了场地土体及桩基结构地震反应特征。结果表明:群桩存在时的液化倾斜场地流滑可区分为局部流滑和整体流滑两个阶段;倾斜场地土体中的振动孔隙水压力演变过程和空间分布受土体流滑影响,桩间土相对不易液化;斜坡倾角越大,土体侧向大位移可引起更大的桩侧动土压力反应和桩基承台偏移量。但是,该文试验结果表明,桩基结构的倾斜在一定程度上弱化了其内力反应;无论是倾斜场地还是水平场地,桩身弯矩最大值均出现在非液化土层与液化土层分界面附近。     

不同桩头约束下水平受荷单桩简化计算方法

桩头转动约束对水平加载单桩的响应有显著影响。转动刚度K和桩头约束度λ是常用的桩头转动约束表征量。该文采用p-y曲线法分析了砂土中水平受荷竖直弹性长桩响应随K和λ的变化规律,提出了桩头位移和土面下桩身最大弯矩随λ变化的经验公式。基于上述经验公式和特征荷载的归一化表达式,提出了给定K或λ情况下计算桩头位、桩头弯矩、土面下桩身最大弯矩及其埋深位置的整套简化计算方法。该简化方法实现了考虑桩头转动约束单桩非线性响应的手工计算。该方法与p-y曲线法对比验证了该方法的准确性。     

可液化地基上桩基基础小高宽比隔震结构体系振动特性试验研究

为研究地基液化对小高宽比隔震结构体系振动特性的影响，通过振动台模型试验再现了桩基基础小高宽比隔震结构体系在液化场地上的地震反应过程，分析了地基液化过程中基础及隔震层振动特性和隔震结构地震响应规律。结果表明：地基液化后小高宽比隔震结构的一阶自振频率较刚性地基时大幅增加，阻尼比较刚性地基时也明显增加；液化地基上隔震层对群桩基础水平向加速度反应起明显的放大作用，隔震效能消失，但隔震层对桩基承台转动角加速度反应起显著的减震作用；液化地基上小高宽比隔震结构楼层加速度峰值放大系数的分布规律与非液化地基上隔震结构相比也具有明显差异，呈现出弯曲放大的特点，隔震结构顶层加速度峰值放大系数增大尤为明显；液化地基上小高宽比隔震结构的最大层间位移反应远超刚性地基上隔震结构在强震作用下的最大层间位移反应，可能导致基于刚性地基假定设计的隔震结构在地基液化时不满足抗震设计要求。     

SH波作用下桩-液化土-结构体系的水平振动特性

将桩等效为Timoshenko梁,上部结构等效为单自由度弹簧质量块,基于桩-土相互作用的Winkler模型,研究了在垂直入射简谐SH波作用下桩-液化土-上部结构耦合体系的水平振动特性。考虑土体的自由场位移、上部结构的平动和转动惯性以及和桩轴向压力的二阶效应,建立了单桩-液化土-上部结构耦合体系的边值问题,得到桩变形和上部结构运动的解析解。数值分析了几何和物理等参数对桩头和上部结构位移放大因子和动力放大因子的影响,结果表明:单桩-液化土-上部结构体系存在明显的共振现象,且土体自由场位移对桩头和上部结构的位移放大因子影响显著;随着上部结构刚度的增加,桩-液化土-上部结构体系的基频增大,位移放大因子峰值减小;随着土体液化的发展,单桩-液化土-上部结构系统基频和动力放大因子逐渐减小。     

可液化砂土中单桩地震响应的振动台试验研究

通过小型振动台动力模型试验,观测了饱和砂土中桩—土—结构（PSSI）在模拟地震力作用下的动力响应。研究结果表明：超静孔隙水压力在振动过程中不断增长,不同深度的土层均达到液化,并且离土面越近越先达到液化;土层的液化伴随着桩侧摩阻力的大大减弱,上部结构物的大部分荷载由桩底较硬持力层土承担,桩基的竖向承载力降低,上部结构的沉降量加大。同时在地震力的作用下PSSI效应加大了底层上部结构的地震反应。本研究加深了对饱和砂土在地震力作用下PSSI效应的理解,有助于建立或优化可液化土中桩基抗震设计方法。