液化场地桩基地震失效机制:现状与挑战

震害调查表明,多次破坏性地震中均发生液化场地桩基严重破坏的典型实例。针对地震土体液化诱发桩基破坏这一突出难题,国内外学者围绕液化场地桩基抗震的紧迫需求,采用多重研究方法,揭示液化场地桩基弯曲、屈曲和沉降等多种失效模式,取得系列丰硕研究成果。首先开展典型液化场地桩基震害实例的调研与分析,总结液化场地桩基震害主要的表现形式和破坏模式,剖析各种桩基失效模式触发机制和演化机制,指出当前研究的重难点问题,并给出液化场地桩基抗震研究进一步需要努力的方向。期望这项工作能够给研究者们提供一些有用的参考,并助力于我国液化场地桩基抗震理论的不断发展和完善。

盐沼泽区冻融作用下桥梁桩基腐蚀损伤模拟试验

为探究高寒盐沼泽区冻融循环作用下桥梁桩基的腐蚀损伤,采用室内模拟试验,模拟在养护冻融循环条件下不同桩基混凝土配合比与不同复合盐溶液体积浓度对桩基混凝土抗侵蚀性能的影响,通过对桩基混凝土外观、质量、抗压强度、动弹性模量以及微观SEM测定的方法,分析桩基础的腐蚀损伤机理。结果表明:不同桩基混凝土配合比对桩基础的抗侵蚀性能有严重影响,当在桩基混凝土中加入粉煤灰、硅灰和膨胀剂(配比Ⅲ)时,其相对动弹性模量减小不到10%,抗侵蚀系数稳定大于0.9,质量损失小于5%,桩基混凝土表面只有轻微脱落现象,能够提升桩基础抗侵蚀性能;在不同体积浓度的复合盐溶液中浸泡,桩基混凝土在冻融循环的条件下表现出不同程度的腐蚀情况,体积浓度越大,复合盐离子相互抑制作用越明显,桩基混凝土腐蚀情况减弱,当体积浓度达到15.4%时,质量损失出现负增长。由微观SEM测试结果,钙矾石、硅灰石膏、Friedel盐是导致桩基混凝土腐蚀损伤的主要产物;建议选用桩基础的设计年限折减系数为0.6,可防止冻融循环对基准体积浓度溶液腐蚀下的桩基础设计年限的不利影响。

液化地基中桩的破坏机理研究进展

地震诱发的地基液化对桩基础的破坏极大,液化地基中桩的破坏机理是岩土地震工程中的一个重要研究课题。目前地基液化时桩—土—结构系统的地震性态尚没有认识充分,已有的研究内容较多局限于桩身材料的强度破坏方面,难以考虑液化土体侧向流动、基桩屈曲失稳、以及土与结构动力相互作用等复杂因素的影响。本文重点加强以下3个方面的深入探讨和研究:(1)液化地基中桩的屈曲失稳;(2)液化地基中桩基破坏的数值模拟新方法;(3)液化地基中桩-土-结构的动力相互作用分析。

高浓度硫酸盐环境下桥梁桩基混凝土防腐技术

结合西南某公路桥梁工程桩基混凝土的抗硫酸盐腐蚀需求,研究10%(质量分数)高浓度硫酸盐溶液作用下防腐技术对混凝土抗压强度、抗压强度耐蚀系数及硫酸根离子传输的影响。通过气泡结构和微观形貌分析了防腐技术的作用机理。结果表明,高浓度硫酸盐侵蚀环境下,“膨胀剂+矿物掺和料”类防腐剂防腐效果表现为早期优异后期破坏严重,“盐结晶抑制”类防腐剂长期抗腐蚀效果更优。矿物掺和料、“膨胀剂+矿物掺和料”类防腐剂主要通过提升密实度和优化孔径分布来延缓硫酸根的侵入,而“盐结晶抑制”类防腐剂既可一定程度优化混凝土孔隙结构,又可抑制结晶性膨胀产物的生成。

软基桥头高填方对桥头桩基破坏影响机理分析

厚层软基桥头附近桩周土体由于桥台填土外荷载作用发生变形或位移,致使桥头附近桩墩被破坏。通过对典型工程案例分析认为,软基中桥头填土路基对邻近桥梁桩基的影响不仅发生在施工期间,而且会在施工期后相当长的一段时间内发生。采用快剪强度指标进行边坡稳定性分析是确定滑移带位置的有效分析方法。在软土地区进行桥头填土时应进行认真详细的勘察,以了解土层情况,并仔细验算不同工况下桥台及台前一定距离内地基的稳定性,从而有针对性地采取相应的土体或结构加强措施。

高速公路强腐蚀水质条件下桥梁桩基防腐与环保施工

介绍高速公路桥梁桩基处于强腐蚀水质条件下的施工方案、工艺。通过对桩基抗腐蚀性机理分析、施工方案选择及现场工艺试验,强腐蚀水质环境下镁盐、氯盐、侵蚀性CO_(2)腐蚀机理特点,制定的桩基施工防腐和环保方案、工艺的综合应用,结合现场试验检测,防腐采取最优混凝土配合比,合理调整配合比参数,经过动态防腐和环保处理措施,达到高标准的环境、水土保持及绿色环保的抗腐蚀要求。经过精心组织,精心施工,施工成果达到设计要求。

强盐沼泽区干湿循环作用下桥梁桩基腐蚀损伤

为探明干湿循环与强盐沼泽腐蚀作用下桥梁桩基混凝土材料损伤机理,通过室内模拟试验,研究了不同材料质量比的混凝土浸入不同浓度复合盐溶液,经干湿循环后的质量损失率、相对动弹性模量和抗侵蚀系数;基于扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和化学成分分析相结合的方法,研究了桩身混凝土抗腐蚀微观机理。研究结果表明:经干湿循环后混凝土质量增长是因为在材料内部生成了钙矾石、Friedel盐等膨胀性晶体,氯盐的存在能够抑制硫酸盐对于桩基混凝土的侵蚀作用;复合盐溶液浓度不同时,经过120次的干湿循环后,水泥、碎石、砂子、水、粉煤灰、减水剂、硅灰、膨胀剂质量比为327∶1103∶767∶170∶87∶7∶22∶44(质量比Ⅲ)的桩基混凝土试件的相对动弹性模量为92.7%,抗侵蚀系数最小为0.91,而在未添加硅灰和膨胀剂的质量比与仅添加硅灰的质量比下桩基混凝土试件的相对动弹性模量最大为89.7%,抗侵蚀系数最小为0.80,质量比Ⅲ的桩基混凝土试件的抗侵蚀性能较好,桩基混凝土试件受到膨胀力但内部未产生裂缝,说明添加硅灰和膨胀剂提升了桩基混凝土的抗侵蚀能力且可以确保桩基混凝土不产生裂缝。可见,实际工程中可综合考虑区域内腐蚀性离子类别等因素,在质量比Ⅲ的基础上进一步优化桩基混凝土的质量比。

可液化场地桥梁桩基震害及抗液化研究进展

1964年以来,世界范围内发生了多次产生大面积液化现象的破坏性地震,如新瀉、阪神、唐山和汶川地震等,地震中可液化场地桩基桥梁震害事例不在少数,造成了很大的经济损失和人员伤亡。在调研国内外大量相关文献的基础上,统计了近年来国内外桥梁基础震害的典型实例,重点总结国内外学者关于桩基抗液化的试验、数值模拟和理论分析方面的研究进展,并进行了相关的总结和分析,以期对桥梁桩基液化的进一步研究提供参考。

液化场地群桩基础地震反应离心机试验及损伤数值模型研究

地基液化导致桩基础破坏是地震中建筑物和公共基础设施震害的主要原因。开展离心机振动台试验探究液化场地中直、斜群桩基础地震反应,并建立动静耦合边界非线性砂土液化大变形桩基塑性损伤有限元数值模型,进行地震作用下群桩基础的塑性反应分析。研究结果表明:地震作用下,地基土液化最先出现在群桩基础周围的地基土表面处,随着地震动峰值加速度的增大,液化范围逐渐向地基深处和桩基础两侧发展;群桩基础的动弯矩在桩底、地基土表面、承台嵌固位置较大;直群桩基础桩身变形较大位置出现在桩底部和地基土表面位置处,斜群桩变形较大位置则出现在桩身中间处;地基土超孔压比在地基浅层最大,并随输入地震动峰值增大而增大;地基土受地震动影响产生液化的同时,会在桩周20倍桩径范围内产生地基隆起,远桩区域产生地基震陷;地震作用下,直、斜群桩受压损伤较小,受拉损伤严重,0.3 g强震工况直、斜群桩桩底受拉破坏。

高海拔强盐沼泽区桥梁桩基损伤现场模拟试验

为了探明高海拔强盐沼泽区公路桥梁桩基受干湿循环和冻融循环的损伤状况,采用现场模拟试验,研究了桩身位置、混凝土配合比、混凝土掺合料与外防护措施等对桥梁桩基力学性能的影响,采用SEM分析、EDS分析和化学成分分析等手段探究了桩基损伤的微观机理。研究结果表明:桩基混凝土抗侵蚀能力及其内部钢筋锈蚀受桩身位置影响,对于基准混凝土试件,龄期为360 d时,水中、地表、地下0.25与1.25 m的桩基混凝土抗侵蚀系数依次为0.80、0.63、0.75和0.76,对应位置钢筋面积锈蚀率依次为76%、91%、66%和65%;桩基混凝土抗侵蚀能力受混凝土配合比与掺合料的影响,整体上掺入矿渣的混凝土抗侵蚀能力最强,龄期为360 d时,当砂子、水、碎石、减水剂、水泥、阻锈剂和膨胀剂的含量一致时,掺入87.25 kg·m-3粉煤灰、21.8 kg·m-3硅灰、87.25 kg·m-3矿渣的混凝土试件的平均抗侵蚀系数分别为0.79、0.89、0.91;钢护筒在短期内能保护桩基混凝土不受到外界侵蚀,在长期侵蚀下保护期限一般为2~3年;从90 d龄期到360 d龄期,桩基混凝土中C元素的质量分数从0增长到9.61%,生成了越来越多的CaCO3分子,再加上钙矾石等晶体的膨胀,使得桩基混凝土膨胀开裂。

高寒盐沼泽区干湿-冻融循环下桥梁桩基腐蚀损伤与承载特性

为探明青海地区桥梁桩基在干湿-冻融循环条件下的腐蚀损伤特性,依托德香高速公路工程,在现场埋设钢筋和混凝土试件进行干湿-冻融循环1年,采用室内试验将混凝土试件进行干湿-冻融循环225次,对比分析了不同位置和不同循环时间条件下混凝土质量、抗侵蚀系数、相对动弹性模量、抗压强度、微观机理以及钢筋锈蚀率的变化规律;采用数值仿真分析了未防护桩基20年内承载力变化规律,并提出了高寒盐沼泽区桥梁桩基防护措施。研究结果表明:随着试件埋设深度的增加,现场桩基混凝土试件的抗侵蚀系数相关度增大,最大值为0.93;随着时间的增加,桩基混凝土试件的抗压强度最大损失率为38.20%,埋深0.25 m处钢筋的面积锈蚀率最大,为91%;表面涂抹环氧树脂可以有效减少钢筋锈蚀率,桩基混凝土试件与钢筋的质量变化不明显;干湿-冻融循环225次时,桩基混凝土试件的边角处出现脱落,四周出现裂纹,但质量变化较小,相对动弹性模量降低了39.10%,抗侵蚀系数降低到0.51,混凝土的抗压强度损失率为65.88%,其内部因出现Friedel盐等膨胀性物质而趋于破坏;随着剥落厚度和腐蚀深度的增加,前8年桩基的承载力基本不变,8年后其承载力逐步降低,若不进行维护,第20年桩基承载力降低34.45%;建议在桩基服役8年后,要进行重点防护。

高原地区高耐腐蚀桩基混凝土研究

高原地区存在冻融和盐沼泽区,导致较大的普通混凝土桩基腐蚀损伤,降低桩基承载能力,危害桥梁结构安全。本文研究了各腐蚀因素导致的混凝土劣化机理,在此基础上针对高耐腐蚀桩基混凝土提出工作性评价指标,并通过试验研究胶材对混凝土强度的影响,同时研究水胶比和矿物掺合料对混凝土耐腐蚀性的影响。结果表明,不同胶凝材料组成混凝土抗硫酸盐侵蚀性能大小依次为:硅灰+粉煤灰双掺>单掺粉煤灰>粉煤灰+矿渣粉双掺>单掺矿渣粉>抗硫酸盐水泥>普硅水泥。在此研究基础上推荐高耐腐蚀桩基混凝土配制要点,最终用于高原地区铁路桥梁建设。

土性对土–桩–核岛结构动力相互作用影响的试验研究

为了深入研究不同地基土层性质对于土–桩–核岛结构体系抗震性能的影响和相关桩基的震害机制,配制3种不同硬度的地基土模型分别进行振动台试验,并对试验宏观现象和试验数据进行分析对比。试验结果表明:地基土硬度对于地震荷载作用下“土–桩–上部结构”相互作用体系具有重要影响,随着地基土硬度的减小,土结分离现象更加明显,桩基的震害现象也更加严重;由于上部结构较大的惯性力作用,地基土硬度较小时,基桩不仅在桩头处出现破坏,在5~6倍桩径深度处桩身也出现了开裂和折断的破坏现象;为保证核电工程基础的地震安全性,建议加固或选择剪切波速大于300 m/s的土层作为地基。