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。     

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。     

振动台多功能叠层剪切箱研制

 振动台模型试验是研究地震作用下土–结构动力相互作用的重要方法,而土箱的性质将直接影响到试验结果的可靠性。在总结国内外研制土箱经验的基础上,研制出刚度可调的多功能叠层剪切箱。该剪切模型箱可完成单向和多向振动台土–结构动力相互作用试验;针对不同试验中所选择的模型土种类的不同,本剪切模型箱可调整水平向剪切箱刚度,以更好地模拟水平场地边界效应问题。通过全黏土层中三层三跨地下结构试验验证剪切模型箱模拟水平场地边界效应问题;并通过砂土夹层中三层三跨地下结构试验,验证本剪切箱能够较好地完成三维土–结构相互作用振动台试验。     

合肥膨胀土剪切波速的特征分析

0　前　　言 yh汪闻韶院士指出 :在全球地震灾害中 ,很多现象与土工问题有关 ,最突出的是土的液化现象 ,其次是土体变形、裂缝和失稳 ,它们都与土体状态 ,特别是与它的剪切刚度或剪切模量联系的动力应力应变关系和抗剪强度特性有关 ,而剪切波速又与剪切模量的平方根成正比。因此剪切波速就成为土工抗震中的一个重要物理量 ,当今在土工抗震工程中对剪切波速的应用和研究有 :①作为划分建筑场地土类型的定量界限 ;②作为评价地基饱和土液化可能性的依据之一 ;③为土工地震反应计算中不可缺少的参数等[1] 。由于各地区土层沉积环境不同 ,即使是同一种类型的土 ,剪切波速也并不是一个定值 ,而是在某一范围内变化的     

桩-液化土相互作用p-y曲线修正计算方法研究

利用大型振动台桩–土–承台试验,以API规范为基础,提出可液化土层中桩基动力p–y曲线双参数修正方法及修正计算公式,解决目前API规范折减系数法计算可液化土层中桩基动力p–y曲线不符合实际、工程设计上难以接受的问题。采用4种不同密度可液化砂土层等幅波振动台试验,以砂土密度作为主要控制因素,对API规范计算公式中土体初始模量和极限土阻力这两个参数进行修正,提出修正系数。采用地震波输入大型振动台桩–液化土–承台相互作用试验进行验证,结果表明所提修正公式与试验结果较为符合。修正公式保留了API规范的基本模式,修正系数表达简单明了,物理含义明确,具备工程应用前景。     

城市建设引发场地土变异的剪切波速试验分析

对大规模的城市建设行为,在当前振动源越来越多的情况下,总结了分析城市建设荷载的表现形式及其导致的场地土结构、性状的变化,得出场地土动力参数与剪切波速关系,测试研究场地土在不同密度、含水量、应力状态下剪切波速的变化情况,探讨了城市建设引发的场地土层动力特性变异规律,并与建筑场地打桩前后剪切波速变化的工程实例进行了对比分析。试验结果表明,地面建筑、地下工程、地下水开采等城市建设行为,造成了土体的密度、含水量以及应力变化,场地土剪切波速发生变更,引起场地土动力特性变异,整体或局部改变了建筑场地类别。建筑场地抗震设计应该适当考虑大规模城市建设引发的场地土动力特性变异对抗震参数取值的影响。     

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.     

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。     

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。     

考虑土体真三维波动效应时桩的振动理论及对近似理论的校核

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体径向和竖向位移,对完整端承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合振动特性进行了分析。假定桩为竖直弹性等截面体,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼。首先通过引入势函数对土体位移进行分解,将土体动力平衡方程解耦并求解,得到土层的振动模态形式和阻抗因子;然后利用该解以小应变条件下桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到桩的频域响应解析解,进而得到土层局部复刚度和桩顶复刚度。从土层阻抗因子、土层局部复刚度和桩顶复刚度3方面,将所得解与平面应变解和其他忽略土体径向位移的简化解在主要影响参数变化情况下进行比较,研究表明,不同解在硬土、细长桩并处于低频时有较大差别,随激振频率的提高,它们将趋于一致。     

Study on influence of different buried depth of steel cylindrical breakwater on seismic stability of structure

以位于高地震烈度区的某实际港口防护用的大直径薄壁钢圆筒-筒内改良土防波堤结构为研究对象,基于有限元数值模拟与室内振动台试验,探讨钢圆筒不同入土深度对该结构抗震稳定性的影响规律,得到在不同峰值加速度的地震波作用下,不同钢圆筒埋深比结构的位移与加速度时程反应曲线、地震作用前后地基土体的剪应力分布曲线。研究结果表明：钢圆筒埋深比、地震动峰值加速度、地基土压力是显著影响防波堤结构动力稳定性的重要参数,并且三者具有紧密的关联性。随着钢圆筒埋深比的增大,其地震位移响应与加速度响应呈现相反的变化趋势,并且地震前后的地基土压力变化幅度也相差较远。基于实际钢圆筒防波堤工程的场地条件与抗震等级,为保证钢圆筒防波堤结构的正常使用状态,提出了钢圆筒埋深比的合理取值范围。     

New p-y model for seismic loading prediction of pile foundations in non-liquefiable and liquefiable soils considering modulus reduction and damping curves

In this study, a new p-y model is proposed for the seismic loading prediction of pile foundations using the Beam on Nonlinear Winkler Foundation (BNWF) method. It matches the desired modulus reduction curve by identifying three parameters in a hyperbolic function and a linear function using a genetic algorithm (GA), and the desired damping curve by applying the Ishihara-Yoshida rule that controls the unloading–reloading curves iteratively through the three parameters. The rate effect is integrated into the proposed PySimple5 model for clay by exerting influence on the ultimate capacity and maximum material damping through a power function, while the pore pressure effect is reflected in the proposed Pyliq5 model for sand by relating the ultimate capacity to the mean effective stress. For a single pile in non-liquefiable soil, the predicted superstructure acceleration and pile bending moment by PySimple5 agree well with those from centrifuge tests for different soil shear strain levels, while the equivalent linear and PySimple1 models underestimate them for soil shear strain levels higher than 1%. For a pile in liquefiable soil, PyLiq5 shows a reasonable agreement with the centrifuge tests in terms of the superstructure acceleration and pile bending moment by considering the pore pressure effect.     

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.     

土层非线性非平稳有效应力动力响应可靠度分析

在非平稳一致地震输入下对非线性土层进行了有效应力动力响应可靠度分析。通过虚拟激励法,将非平稳地震加速度功率谱密度作为基岩上的虚拟输入,并利用Hardin-Drnevich双曲线模型考虑土层的非线性特性,迭代计算得到土单元的剪切模量与阻尼比。在此基础上,运用有限元方法对土层进行了地震响应分析,通过比较4种方法获得等效峰值剪应力和剪应变来计算等效动力剪切模量和振动孔压。结果表明,采用基于概率平均法的插值方法与确定性分析所得的平均值较为接近,说明由于孔压的不断上升与土层有效应力的降低,可液化地基的地震响应变为非平稳随机过程。     

液化场地浅埋钢筋混凝土结构物变形及 动土压力分析

 基于多重剪切机构塑性模型和液化前缘面的有效应力分析方法,分析不同地震强度下液化场地中浅埋大断面矩形钢筋混凝土结构物变形与地震动土压力分布特征,进而探索0.85 g输入地震波条件下结构物与液化土间的相对位移差、结构物侧壁和顶底板土体的动土压力、剪切应力、有效应力和超孔隙水压力的变化规律。研究得出结构物的最大变形、弯矩和曲率值随着地震强度的加大而增大,结构物最先发生屈服变形部位位于拐角处,并逐步向周围扩展;场地发生液化模型中的结构物–液化土相互作用系数数值小于场地未发生液化模型,结构物与土体间的相对位移差值随着场地液化而剧增到一定值;作用于结构物侧壁的动土压力最大值和震后值随地震强度加大而增加,但不是简单的线性增长;结构物侧壁动土压力随着振动持续而增长,而作用于顶底板土层的剪切应力和侧壁有效应力随着土体液化而剧减。研究结论可为液化场地浅埋结构物的抗震设计提供可靠的依据和参考。     

强地震荷载作用下临水挡土墙的拟动力法稳定性分析

 假设墙后填土破坏面为曲面,用正弦波模拟地震加速度时程曲线,采用拟动力法对临水挡土墙进行稳定性分析,确定了挡土墙和墙后填土所受的阻尼力和惯性力,获得地震荷载作用下挡土墙的被动土压力、抗滑和抗倾覆稳定性系数的封闭形式解析解。定量分析地震加速度、放大系数、墙后填土的物理力学参数和动水压力对挡土墙的滑动位移、挡土墙的抗滑和抗倾覆稳定性系数的影响,得出当地震加速度、放大系数越大,水位越高,内摩擦角越小,临水挡土墙的稳定性越差。     

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。