不同倾斜方式对倾斜液化场地地震响应的影响分析

在倾斜场地地震液化后,土体的侧向流动扩展引起的场地失效以及大变形问题的研究中,不同的倾斜方式会对试验结果产生一定的影响,而目前针对不同倾斜方式对倾斜液化场地土体地震动力响应影响评价的研究成果还较为少见。根据课题组开展的水平液化自由场振动台试验,首先基于OpenSees有限元平台建立了水平液化自由场有限元计算模型,在数值模型中考虑了模型箱对场地土地震响应的影响,通过对比数值计算结果与试验结果验证了数值模型的可靠性。在此基础上建立了倾斜液化自由场有限元计算模型,分别建立了层剪箱整体倾斜模型、层剪箱场地土倾斜模型和刚性箱场地土倾斜3种不同的数值模型来模拟振动台试验中采用的不同的倾斜方式。通过对比,分析了在0.3g汶川地震卧龙波作用下3个数值模型计算得到的自由场土体动力响应结果,并讨论了3种不同的倾斜方式对计算结果的影响,最后给出了针对倾斜液化场地地震动力响应数值模拟和振动台试验研究中的一些有参考价值的结论。

基于易损性分析的可液化场地单桩基础抗震性能研究

桩基础是可液化场地中常用的深基础形式,广泛应用于近海港口、大型建筑等,资料表明可液化场地中地震引起的桩基础损伤破坏案例屡见不鲜。为了评估单桩基础的抗震性能,针对可液化场地单桩基础离心机试验,借助OpenSees计算平台建立了动力相互作用有限元数值模型,并将结果与已有的试验进行比较,验证了模型的有效性。基于此,重点分析了场地液化、上覆硬土层、上部结构对体系地震响应及桩基础抗震性能的影响。以桩头位移及曲率作为抗震性能指标并采用推覆分析获取桩在不同损伤状态下地震易损性抗震性能指标的界限值,以PGA作为地震动强度指标,基于云图法建立了概率地震需求模型,进而绘制了桩基础的地震易损性曲线,评估了不同性能状态的损伤概率。结果表明:土体液化、上覆硬土层及上部结构均增加了桩的曲率、位移需求和桩基础的损伤破坏概率。

桩-土相互作用弹簧对倾斜液化场地-群桩-上部结构体系的影响

桩-土-上部结构体系的动力相互作用是一个复杂的过程,尤其是在倾斜液化侧向扩展流动(侧扩流)场地中,由于地震过程中场地产生地面永久大变形,桩土间有可能产生错动滑移与开裂等非线性反应,因此桩-土相互作用模拟至关重要。为了探究桩-土非线性接触对倾斜液化场地-群桩基础-上部结构体系动力响应的影响,本文基于OpenSees分别建立了考虑桩-土相互作用弹簧和桩土结点之间直接绑定的有限元数值模型。结果表明:考虑桩-土相互作用Pyliq弹簧时,土体加速度幅值略微降低,桩基对土体的约束明显变弱,土体残余位移增大。同时,具有Pyliq弹簧的模型能较好地模拟桩的曲率响应,而采用桩土结点直接绑定的模型高估了桩顶曲率,进而无法准确估计桩基抗弯最不利位置。桩-土相互作用弹簧对上部结构动力响应的影响较小。

混凝土碎石复合桩加固倾斜可液化场地的数值模拟研究

地震震害调查显示,缓倾场地的液化侧向扩展是常见的地基失效形式。由于混凝土桩具有较高的竖向承载能力和抗剪能力,而碎石桩具有较高的渗透性,可有效降低周围场地的液化程度,因此,混凝土碎石复合桩能否作为有效应对缓倾场地液化侧向大变形的工程措施,其可行性值得深入研究。基于OpenSees有限元平台建立了可液化土-桩基础的数值模型,并验证了模型的有效性。在此基础上,研究了混凝土碎石复合桩对倾斜液化场地的加固效果。此外,讨论了混凝土芯桩面积占比、碎石壳厚度对倾斜液化场地动力响应的影响。结果表明:混凝土碎石复合桩抗侧移效果明显,可有效降低周围场地侧向位移和混凝土桩身弯矩。当桩体的混凝土芯占比约为20%、碎石面积占比80%时为最优设计方案。

液化侧向扩展场地-桩基础抗震研究综述

桩基础作为一种重要的深基础形式,广泛应用于近海桥梁、海上风电、港口码头等工程中,然而近年来发生的地震中,出现了大量伴随液化侧向扩展的桩基础破坏实例,引起岩土地震工程界的广泛关注。国内外学者采用模型试验、数值模拟、简化分析方法等手段展开研究,成果丰硕,通过对桩基础地震反应深入系统的分析,深化了对桩基础抗震性能的理解,但由于模型试验方法与测试技术的不同、数值模型与分析方法的差异性、桩-土-结构地震反应的复杂性等原因,围绕液化侧向扩展场地-桩基础的抗震研究仍需大量具有实际意义的工作。通过查阅震害调查资料,阐述了液化侧向扩展及桩基础震害现象,然后围绕振动台试验中实现液化侧向扩展的方式、关键试验测试技术等方面进行总结,针对已开展的倾斜液化自由场及桩基础1-g振动台试验和离心机试验做简要介绍。回顾了液化侧向扩展大位移分析方法、桩-土精细化数值模拟方法、简化分析方法的研究现状与进展,着重对有限元方法中的桩-土界面模拟、饱和两相介质u—p格式高效数值计算方法进行探讨。对比了国内外规范对液化侧向扩展场地桩基础抗震设计的要求。指出现有研究中的不足,并对今后研究中需要重点关注的问题进行阐述。

液化侧向扩展场地-群桩基础-结构体系地震破坏反应大型振动台试验方案设计

为系统研究液化侧向扩展场地钢筋混凝土群桩基础-上部桥梁结构的地震破坏机理,依托中国建筑科学研究院抗震实验室地震模拟振动台系统,开展了液化侧向扩展场地-桩基础-结构体系大型振动台系列试验。根据试验的研究目标,首先对系列试验的总体设计进行介绍,详细阐述了场地的制备与结构的设计和制作、各类传感器的布设及新型传感器的应用、地震动选取与工况安排等内容。利用试验数据对层状剪切箱的边界效应做简要分析,对阵列式位移计(SAA)直接测试液化土体侧向位移的结果进行评估。结果表明:模型箱边界效应不显著,SAA可有效测量可液化土体的侧向位移,为系列试验的对比分析奠定了基础。试验最终实现了液化诱导侧向大变形与桩基塑性破坏的宏观效果,达到预期目标,说明该次系列试验方法及其方案是合理的。该文试验技术与方案为今后同行开展类似试验提供一套系统、完备的方法。

可液化倾斜场地的侧向扩展机制分析

针对已完成的液化水平自由场大型振动台试验,采用OpenSees有限元平台,建立了振动台试验的数值分析模型,并验证了该模型的可靠性。基于此,建立了地基整体倾斜的自由场数值模型,重点讨论了场地土体的非循环地震响应和液化侧向扩展机制。结果表明,建立的数值模型可以有效地模拟可液化场地的地震反应。倾斜场地中,可液化松砂与上覆非液化层界面处具有显著的相对位移,饱和砂土的应变累积从松砂层浅层开始,逐步向深层发展,超孔隙水压力增长和土体非循环应变累积未表现出耦合的现象,场地的中部土体控制非循环横向位移的发展。另一方面,土体液化过程中,当沿滑动面的剪切应力小于初始静剪应力时,液化侧向扩展启动。此时饱和松砂层的剪应力比在0.04~0.06范围内,略小于初始静剪应力比。此外,还发现液化诱导侧向扩展需要场地具有一定的倾斜度(大于0.5°);土的侧向位移符合余弦分布模式;随着场地倾斜度的增大,可液化深层土对整体侧向位移的贡献更显著。

液化场地-群桩-上部结构动力相互作用简化分析方法

基于已完成的液化场地-群桩基础-上部结构体系动力相互作用大型振动台模型试验,采用API规范推荐的p-y曲线模型,将液化自由场动力分析得到的土体位移时程和孔压比时程作为简化分析模型的外部输入条件,在OpenSees有限元平台中建立了液化场地-群桩-上部结构系统动力相互作用简化分析模型。模型综合考虑了地震荷载作用下的砂土液化效应、群桩效应以及承台与土之间的动力相互作用。基于建立的简化分析模型,分析地震荷载作用下液化场地-群桩-上部结构系统中桩基和上部结构的动力响应,并与振动台模型试验结果进行对比。对比表明,两者结果均较为吻合,验证了本文数值建模过程以及所提出的简化分析方法的可靠性。

薄膜压力传感器(FSR)曲面土压力测量研究

岩土工程现场及室内模型试验中常用刚性土压力盒测量土压力,但传统刚性土压力盒(SPC)由于隔膜下陷、"嵌入"效应、不能完全贴合测量表面、需要较大的埋设空间等自身局限性,在测量例如桩或埋地管道等弯曲表面土压力时并不适用。基于薄膜压力传感器(FSR)的特点设计了测量电路和标定装置,分析了标定特性,并初步探究了挠度对薄膜压力传感器(FSR)测量的影响,最后通过试验对比分析了传统刚性土压力盒(SPC)和薄膜压力传感器(FSR)测量弯曲表面土压力的性能。结果表明薄膜压力传感器(FSR)能有效避免"嵌入"效应,减小测量误差,并且安装方便。

倾斜液化场地−桩基−结构体系在近场脉冲与非脉冲地震动下地震响应差异分析

对比研究了倾斜液化场地−桩基−结构体系在近场脉冲和非脉冲地震动作用下的响应。首先基于OpenSees有限元平台建立了倾斜液化场地−桩基−结构体系的有限元模型,与大型振动台试验结果进行对比,验证了数值模型的可靠性。在此基础上,建立典型倾斜液化场地−桩基−结构体系的有限元模型,对比分析近场脉冲与非脉冲地震作用下体系的地震响应规律,并开展地震动强度指标与地震响应之间的相关性分析。结果表明:与非脉冲地震动相比,近场脉冲地震动作用下,场地残余位移明显增加,在松砂层顶部最为明显,约增大40%;桩身弯矩和桩身残余位移显著增加,尤其是桩顶位置处;非脉冲地震动下地震动强度指标与各响应之间的相关性高于脉冲地震动作用,选取3个相关性较好的强度参数:峰值速度/峰值加速度(PGV/PGA)、阿里亚斯强度AI、平均周期Tm,可在一定程度上表征地震动对液化场地−桩基−结构体系破坏反应的影响。

双向地震作用下液化水平和倾斜场地-桩基-桥梁结构地震反应的差异研究

根据已经完成的液化侧向扩展场地-群桩基础-上部结构体系大型振动台试验,在有限元软件OpenSees中建立了可液化倾斜场地振动台试验的有限元模型。通过与试验结果对比,验证了数值模型的可靠性。基于此,建立了典型水平和倾斜液化场地-桩基-桥梁结构体系的数值模型,讨论了双向地震作用下水平和倾斜场地体系地震响应的差异,结果表明:相比水平场地,倾斜场地超孔隙水压力在峰值阶段波动幅度更大,土体的侧向位移增加明显,尤其是在饱和砂土中部位置;倾斜场地中桩基础的破坏程度更大,可液化层中部桩基曲率最大可增大约13倍,桩身水平位移显著增加;而水平场地桥墩曲率比倾斜场地桥墩曲率大,建议在液化场地桩基设计中应考虑场地倾斜带来的影响。

地震作用下碎石桩场地侧向位移规律研究

基于OpenSees有限元软件建立液化场地-碎石桩动力相互作用模型和液化自由场地模型,将两类模型的场地孔隙水压力和侧向位移反应进行对比分析,揭示碎石桩加固液化场地机理及规律,并分析场地倾角和碎石桩渗透系数对碎石桩抵抗液化自由场地侧向位移的影响规律。研究结果表明,渗透性较高的碎石桩可加快孔隙水压力的消散,减弱场地液化程度,进而减小场地侧向位移;当场地倾角较大时,随着场地倾角的持续增大,碎石桩抵抗液化自由场地侧向位移的效果逐渐减弱;碎石桩渗透系数较小时,提高碎石桩渗透系数可显著减小液化场地侧向位移,当渗透系数增至一定程度时,碎石桩渗透系数对液化场地侧向位移的影响较小。

海上风电支撑结构静力弹塑性Pushover分析方法

我国海上风电建设主要分布在东南沿海,该区域地震荷载作用显著,海上风电属于动力敏感结构,因此,在海上风电结构设计中,对其抗震性能进行评估十分重要,但当前海上风电的抗震性能评估方法不够完善。本文基于建筑结构和地下结构Pushover分析方法,建立了适用于单桩基础海上风机支撑结构的整体Pushover分析方法,开展了海上风电支撑结构抗震性能影响因素分析。研究结果表明,整体Pushover分析方法评估单桩基础海上风电的抗震性能具有一定的可靠性;对于砂土地基,弹性模量与内摩擦角的增大均会导致性能曲线斜率的增大;对于黏土地基,弹性模量与粘聚力的增大均会导致性能曲线斜率的增大;内摩擦角与粘聚力对砂土与黏土地基性能曲线的线性阶段几乎无影响。

上覆土层对倾斜液化场地-桩基-结构地震反应的影响研究

倾斜液化场地桩基的地震动力响应是岩土抗震工程领域关注的重要问题。本文依据振动台模型试验,基于OpenSees软件平台建立了倾斜液化场地-群桩-结构相互作用二维整体化数值模型,模型中考虑了桩-土接触的非线性以及土层的剪切局部化,并通过与振动台试验结果进行对比,验证了本文数值模拟方法的合理性和有效性。在此基础上,建立了针对实际场地的典型倾斜液化场地-群桩-结构相互作用有限元模型,讨论了不同上覆土层参数对场地及结构体系地震反应的影响。计算结果表明:随着上覆土层厚度的增大,饱和砂土层中的孔压比减小,土体的水平残余位移减小,同时桩身位移以及桩基曲率均有所减小;上覆土层强度对桩基动力反应的影响更加显著;上覆土层厚度的增加可以降低土层的液化程度并提高桩基的受力性能。

垃圾土路用特性与原位试验研究

垃圾土成分复杂,级配不良,一般不作为路基填料。但垃圾土占用大量空地存放,污染环境,已成为城市一大公害。为了研究垃圾土体填筑路基的可行性以及固化剂对垃圾土体路用特性的影响,综合采用室内和原位试验研究了垃圾土的路用特性。首先,实测了垃圾土的成分和基本物理性质指标;同时,在室内开展了基于颗粒级配和固化剂掺量的大型直剪试验,进行了不同固化剂掺量的击实试验和CBR试验。在此基础上,设计并实施了垃圾土路基足尺原位试验,实测了垃圾土路基施工期及工后的应力发展规律。研究结果表明,垃圾土颗粒级配和固化剂掺量对抗剪强度有较明显的影响。随着垃圾土d80的增加,黏聚力大小基本一致,内摩擦角增加明显,且垃圾土体粒径越大对内摩擦角影响越显著;掺入固化剂能够显著增加垃圾土的黏聚力、CBR值和最优含水率,但会减小垃圾土的最大干密度。原位试验结果表明,采用掺入固化剂的方式可使垃圾土路基稳定快、整体性好。该文研究成果可为垃圾土填筑路基工程提供参考。

双向地震作用对可液化倾斜场地-桩基-结构地震响应的影响研究

为研究水平竖向双向地震作用对倾斜液化场地-桩基-结构体系地震响应的影响,基于Biot多孔介质理论,将饱和砂土模拟为固液完全耦合的两相介质,采用多屈服面塑性本构模型模拟饱和砂土的地震响应,在OpenSees软件中建立了可液化倾斜场地-桩基-桥梁结构体系有限元模型,并与已经完成的液化倾斜场地-群桩基础-上部结构体系大型振动台试验结果进行对比,验证了数值模型的可靠性。在此基础上,建立了典型液化倾斜场地-桩基-桥梁结构体系的数值模型,探讨了水平单向和水平竖向双向地震作用下体系的地震响应规律。结果表明:相比水平单一方向地震输入,水平竖向地震耦合作用时,可液化土的孔隙水压力震荡强烈,可液化层土体的侧向永久位移明显增加,尤其是在饱和砂土中上层的位置;水平竖向双向地震作用下,桩的破坏更显著且易损伤位置增多,桩基峰值曲率最大可增加128%,可液化层中部的桩身侧向位移增加约30%;此外,增加桩的配筋率可以有效限制土体侧向位移从而降低桩的破坏程度;竖向地震作用增大了上部结构的惯性效应,使得桥墩墩底峰值曲率增大约100%,加剧了桥墩墩底的损伤程度。因此,在液化倾斜场地中桩基础的抗震设计时应考虑竖向地震作用的影响。