桩-土动力相互作用接触面研究综述

桩-土动力相互作用的问题是岩土工程、地震工程和结构工程的重要研究内容,其复杂性源于土动力性能和桩-土接触面的动力接触行为的复杂性,因而接触面的研究是桩-土动力相互作用的主要课题之一。回顾了接触面的研究历程和现状,介绍了接触面的变形机理和接触面数值计算方法,阐述了桩-土接触面分离和滑移的判断方法,并对今后的研究提出了几点看法。     

有限元法和M法在桩土动力相互作用分析中的比较与探讨

建立了能反映桩体与土体相对运动和其实际几何尺寸的非线性桩土动力相互作用的分析模型,重点研究了渡槽结构桩土动力相互作用的数值分析方法,并以南水北调中线穿黄河渡槽结构桩土动力相互作用问题为对象,分别采用传统的M法和非线性有限元法进行了数值模拟计算．     

基于Opensees的桩土动力p-y曲线模型研究

桩土动力p-y曲线法在岩土工程中已得到广泛应用。通过Opensees软件中内嵌的Pysimple1材料模型,利用p-y单元建立了土-单桩-承台相互作用简化模型。分析在砂土和黏土p-y单元中的桩身和桩头承台动力响应特点,同时对不同自由场土体长度下桩身和桩头承台动力响应进行了分析。结果表明,砂土p-y单元的桩头承台加速度峰值大于黏土单元,位移峰值小于黏土单元,桩身的剪力、弯矩都比黏土要大。自由场土体长度越短,承台的位移和加速度就越大,当自由场土体长度达到300 m时基本满足计算精度要求。     

考虑结构—土—结构动力相互作用的重力坝地震响应分析

为研究地震作用下相邻新、老重力坝的彼此相互作用对响应的影响规律,基于阻尼溶剂抽取法(Damping Solvent Extraction Method,简称DSEM)模拟无限地基辐射阻尼效应的思想,建立了新坝—土—老坝动力相互作用模型,并推导了具体的数值实现公式。进而运用UPFs的二次开发特点,通过创建用户单元在ANSYS中实现了所开发模型的嵌入。最后,结合工程实际条件,探讨了地震作用下老坝拆除前后对新建重力坝动力响应的影响规律。计算结果表明:老坝的存在降低了新坝在地震动作用下的动水压力的大小,在老坝拆除前后对新坝的动力特性分布规律影响较小,而对于幅值有一定的影响。本模型表现出了良好的工程适用性,结合通用有限元软件丰富的结构单元模型及非线性分析能力可开展类似工程的抗震安全评价分析。     

水-桩-土-桥墩结构体系的地震反应分析

以双柱式桥墩为研究对象,以基于Morison动水压力公式的附加水质量考虑水体对桥墩的影响,考虑了土体和桥墩混凝土的非线性特征,建立了水—桩—土—桥墩结构体系的地震反应分析模型,分析了地震作用下水体对桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响及其动水压力影响系数。结果表明:动水压力改变了桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力的影响更符合工程实际情况。     

国内外高桩码头抗震性能和设计方法研究进展Ⅱ:桩-土相互作用

通过对高桩码头震害的分析,分析了高桩码头破坏的主要原因。在此基础上,从高桩码头抗震设计方法、桩-土相互作用、斜桩和桩-上部结构连接的抗震性能等方面,论述了国内外高桩码头抗震研究的进展,总结了这些研究成果在高桩码头抗震设计规范中的应用,指出了高桩码头抗震性能研究的不足及需要深入研究的问题。对国内如何吸收国外高桩码头抗震的研究成果及抗震设计规范的修订方向提出了建议。该系列论文分为3部分,此为第2部分,主要介绍高桩码头抗震计算中桩-土相互作用的评估方法以及高桩码头的动力分析方法和研究成果。研究表明,评估桩-土相互作用的方法已较为完善,而对高桩码头抗倒塌性能以及近断层地震动下码头反应特性的研究还有待深入。     

桩径对桩土相互作用p-y曲线影响的研究

利用三维有限元方法建立桩土相互作用模型,针对0.02 m到2.134 m不同直径的桩与砂土相互作用时的p-y曲线进行计算,分析桩径对桩侧土层水平极限抗力与极限位移的影响.结果表明,土层极限抗力随桩径增加而逐渐增大,且与API规范、Reese方法建议的土层水平极限抗力吻合.桩径变化时土层的极限位移与Reese建议的值不完全一致;当桩径d≥0.4 m时,土层的极限位移大约为桩径的3/80,这与Reese建议的结果一致;当桩径d<0.4 m时,土层的极限位移明显大于Reese建议的3/80倍桩径,此时只有当桩侧位移足够大时,桩侧土体才能发生破坏.进一步的反分析与模型试验结果验证了上述结论的正确性.此研究成果为今后应用小直径桩进行桩土相互作用研究提供了依据.     

土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用研究

在我国西部强震区拟建的土石坝多坐落于覆盖层上,覆盖层土体具有动力非线性和饱和特性,土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用复杂。为研究土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用特性,分别采用地震动一致输入方法(联合地震惯性力和约束边界)和非线性波动输入方法(联合自由场非线性动力响应和非线性人工边界),对覆盖层上土石坝进行有限元动力反应分析,考虑了覆盖层厚度、土体动力特性、地震强度及地震波频谱特性的影响效应,着重讨论了大坝的加速度反应峰值。结果表明:在覆盖层土体饱和特性的影响下,一致输入方法不能合理模拟大坝体系动力的相互作用,所获得的坝体竖向加速度反应误差显著。非线性波动输入方法理论上更为严密,其所获得的坝顶竖向加速度峰值较一致输入方法降低明显,降低率为20%～62%,且当输入地震动以高频成分为主时一致输入方法的误差较大。对于坝顶水平向加速度峰值,非线性波动输入方法较一致输入方法的降低率为5%～32%。当土体材料阻尼效应明显时一致输入方法的误差较小,当输入地震动以低频成分为主时其误差较大。一致输入方法会明显低估覆盖层上土石坝的极限抗震能力。当土石坝可能遭受竖向分量较大的近场地震时,有必要采用非线性波动输入方法评价大坝抗震性能。     

基于PIV技术的冲刷条件下桩-土水平变形机制

桩基通常深埋地下，岩土体内桩-土水平变形难以通过现场试验观测。为研究水平荷载作用下桩-土变形机制，考虑桩身抗弯刚度、土体密实度和冲刷坑尺寸等因素，基于粒子图像测速(PIV)技术在砂土中开展了一系列单桩水平加载模型试验，获得了桩侧土体位移、应变分布发展规律，并讨论了柔性桩和刚性桩的水平桩-土相互作用模式，及局部冲刷对水平桩-土相互作用的影响。结果表明：(1)水平荷载作用下桩侧土体的位移和剪应变均是沿着水平和深度方向逐渐发展变化，因此现有桩基水平受荷分析的应变楔模型中整个应变楔内土体应变均匀发展的假定需要修正；(2)桩身水平位移第一零点以上的桩前土体被动受压区和桩后土体主动施压区是主要的桩-土相互作用区，但对于刚性短桩第一零点以下的桩-土相互作用不可忽略；(3)桩侧冲刷坑底部以上冲刷土层对降低桩-土变形仍可起到一定的作用。     

穿黄隧道土-衬砌结构相互作用初步研究

对于南水北调穿黄工程地下隧道土-结构相互作用问题,采用有限元数值分析方法和离心模型试验进行了研究,得到在不同工况下作用于隧道上的土压力分布和衬砌的应力分布.简要介绍了数值分析和试验研究的基本情况和初步研究结果.     

河谷差异地震作用下拱式倒虹吸地震响应分析

近年来调水工程数量逐渐增加,大跨输水结构抗震性能问题愈发突出。以滇中引水工程中龙川江倒虹吸为研究对象,建立三维有限元模型,将水平偏振横波(SH波)水平入射、斜入射以及垂直入射V形河谷场地计算结果作为地震动输入,分析地形效应引起的差异地震动对该大跨输水倒虹吸地震响应的影响,并与一致激励下结果进行对比。结果表明:考虑地形效应的差异地震动对结构重要构件受力和变形影响显著,结构不同构件表现不同,钢管、墩柱等构件横向受力和变形趋势呈现为:水平入射＞斜入射＞一致激励＞垂直入射,而差异地震动作用引起拱圈横向内力减小;结构刚度变化位置对差异地震动作用更加敏感,大跨度输水倒虹吸结构抗震设计有必要考虑地形效应及地震动入射角度的影响。     

地震作用下抗滑桩作用机制研究

采用 Ansys 有限元计算软件,选取某抗滑桩加固滑坡为例,采用人工地震波,研究地震作用下抗滑桩与坡体相互作用机制。研究结果表明：各特征点动土压力、动位移值均随着输入地震波加速度的增加而增加,其峰值出现时间稍晚于地震波加速度峰值时间。处于稳定岩体部分桩的反力最大值和分布形式因不同时刻的地震加速度不同有较大的差异。滑体内部段桩土压力在深度上的分布除桩顶以外,其余部分的土压力基本属于均匀分布。输入的地震波加速度越大抗滑桩的变形越大,桩身位移沿桩顶向下减小。     

多跨连续梁桥地震行波效应分析

地震动输入一直是工程抗震研究所关注的焦点。多跨连续梁桥纵向延伸较长,进行地震反应分析时应考虑有限波速所引起的行波效应。以某座12跨预应力混凝土连续梁桥为例,推导了结构的运动方程,采用有限元结构分析软件ANSYS建立了该桥的动力分析模型,进行了动力特性分析和时程分析。通过输入不同波速的地震波,计算行波激励下桥梁的地震反应,并和一致激励下的结果进行对比,分析行波效应对桥梁地震反应的影响。结果表明:随着波速的增大,桥梁的地震反应先减小后增大。     

地震作用下的电梯井结构与拱坝坝体的耦联分析

在地震作用下,拱坝的附属结构电梯井与坝体的耦联分析问题已经逐渐受到水工人员的重视与研究。本文以某高拱坝电梯井结构为研究对象,分析了电梯井结构与该拱坝坝体采取不同连接方式在相应的工况下对电梯井结构应力应变影响的规律。结果表明：电梯井结构与坝体在坝顶部位设铰接连接,同时回填到一定高程时,可有效地改善电梯井结构的应力应变状况。     

高拱坝强地震作用下损伤破坏分析

结合混凝土静动态试验，根据连续损伤力学中能量等效原理和有效应力概念，建立了能反映混凝土动态情况下多轴弹塑性损伤破坏模型，破坏准则中考虑了多轴损伤变量和应变率的影响。用于有限元数值模拟，对强地震作用下（峰值地震加速度为0.5575g）某高拱坝动力响应进行了数值模拟，获得地震全过程拱坝拉损伤、压损伤、总体损伤模式和应变率响应；分析结果表明了大坝的破损趋势，同时可看出导致大坝破损的主要原因是混凝土的拉伸损伤；并且得到大坝不同部位有着明显不同的率响应，将很大程度上影响坝体混凝土不同程度的动态性能；结果显示大坝在经历强震作用后总体损伤不大，借助损伤力学评价大坝经历强震后的安全性较好，但坝体存在抗震薄弱部位，设计和施工中应注意采取措施处理；同时坝体地震破损发展过程表明了大坝的破坏趋势，和该拱坝模型试验的破损情况比较一致。本文工作可为类似体型拱坝动力灾变过程分析和判断提供参考。     

桩长对桩与桩相互作用影响的试验研究

为明确桩长对静压沉桩全过程中桩与桩之间相互作用产生影响的机理,通过室内模型试验,在中密实砂土中以2倍桩径为间距沉入双桩,研究了桩长对端阻力、卸除顶压后的桩周土压力以及双桩承载力特性的影响。结果表明:沉入过程中先沉桩和后沉桩的压入端阻力均随沉桩深度的增加而近似线性增大,当桩长(沉桩完成后沉入的总长度)为600 mm时,后沉桩仅比先沉桩的端阻力高0.2%左右,即此深度处2根桩的压桩端阻力基本达到极值;后压桩沉入前先沉桩的桩周土压力为后沉桩的90%左右,而后沉桩卸除顶压后先沉桩的桩周土压力总体为后沉桩的2~3倍,且随土压力盒埋深的增加而增大;相同深度桩周土压力均随桩长增大而降低;单桩试验时桩体极限承载力略高于先沉桩极限承载力2%~5%,提高的幅度随桩长增加而降低;不考虑桩间土作用双桩系统极限承载力约为单桩试验时极限承载力的2倍。研究成果对于进一步明确桩与桩相互作用机理和改善双桩承载力特性等均具有重要的工程意义。     

桩底注浆的作用机理及应用实践

桩底注浆可改善柱基土体的力学性质从而提高桩的竖向承载力,根据某工程钻孔灌注桩桩底压力灌浆现场试验和桩的静载试验,介绍了桩底压力灌浆的工艺及压力灌浆的效果,对压力灌浆提高钻孔灌注桩承载力的机理进行分析,并进行对比试验。结果表明,柱底注浆桩加载至10 000 kN时,桩顶累计沉降仅为20.8 mm,且沉降没有明显增大现象,也未到极限状态;柱底未注浆桩在7 000 kN荷载作用下超过24 h,沉降量超过60 mm,且沉降继续增大。桩底注浆后桩的承载力可提高80%以上,桩的沉降变形明显减小,故可缩短桩长,减少桩数,节约投资。     

柔性基础下端承桩复合地基变形分析

假定了桩侧摩阻力及桩间土剪应力的分布模式,根据桩土应力协调,得到了柔性基础下复合地基变形分析新方法,即考虑刺入的自由应变分析方法。应用已有变形分析方法和有限元方法对同一实例进行了分析,对计算结果进行了分析对比,得出该方法具有良好的适用性,并应用该方法对影响复合地基性状的相关因素进行了分析,得出了土体模量、桩径等对桩侧摩阻力、桩体应力、土体应力及地基沉降的影响规律。     

加筋土挡墙地震作用下动力有限元分析

应用有限元软件ANSYS对加筋土挡墙有限元模型在地震作用下的动力非线性响应进行了有限元模拟。分析所利用的是直接动力法,即将地震波直接输入ANSYS软件进行分析。文中对地震波的选取与调整方法进行了分析,目的在于可以提高模拟的真实性。在ANSYS中,所采用的主要是瞬态分析法的动力学原理,通过建模加载模拟,最终得出以下模拟结果。对加速度放大效应、土工格栅筋带拉力和挡墙水平位移等三个参量进行了较为深入的分析,最后在加筋土挡墙地震作用下动力响应方面,揭示了加筋土挡墙抗震行为基本特征并且得出了一些定性的结论。     

超声波激励下混凝土裂纹发热过程的试验研究和有限元分析

在混凝土超声红外热像试验基础上,针对混凝土试件特点,研究有限元数值计算方法,分析超声波激励下混凝土裂纹发热过程,对比发现试验结果和计算结果吻合的很好。说明建立的有限元数学模型合理,具有模拟内部缺陷发热过程的潜在能力,为超声红外热像检测技术在混凝土中的应用和推广提供了有价值的参考依据。