可液化地基中单桩基础震动规律和计算方法研究

发布时间：2020-02-14 18:06

【摘要】：可液化地基中桩基础震动响应规律是岩土工程抗震领域的热点和难点研究课题之一。本文结合震害资料分析、动力离心模型试验和数值模拟等手段，揭示了可液化地基中单桩基础在地震过程中的震动规律和震后受力与沉降规律，从本构关系、数值算法到建模方式形成了一套可液化地基中单桩基础震动响应计算方法。论文主要在以下方面取得新成果：（1）建立了三维砂土液化大变形统一本构模型及其并行数值算法，发展了针对可液化地基中桩基础震动的三维弹塑性有限元动力时程分析方法。该本构模型实现了对不同状态砂土单调和循环加载以及液化前后力学行为的统一描述。在该模型数值实现中，解决了应力积分，三维映射规则求解和并行化问题。对经典单元和边值问题的模拟验证了本构模型和数值算法的有效性。三维弹塑性有限元动力时程分析方法能够有效地模拟可液化地基中单桩基础的动力离心模型试验（2）建立了考虑中性面位置变化的固结和震后再固结过程中桩基础轴力和沉降的计算方法，提出了修正中性面实用计算方法。通过对固结和震后再固结离心模型试验的模拟，验证了计算方法的有效性。（3）揭示了可液化地基中单桩基础的震动规律，包括基本受力机制、运动与惯性相互作用耦合模式，以及震动响应影响因素。桩头转动约束的差异导致了运动相互作用在有承台与无承台两种工况中产生相反的弯曲方向，有承台工况中惯性与运动相互作用产生弯矩方向相反，无承台工况中两者方向相同；桩-土-上部结构体系总的动力相互作用产生的弯矩为两种相互作用产生的弯矩的矢量和；对有承台和无承台单桩基础的受力，运动相互作用和惯性相互作用分别起主要作用；倾斜地基中侧向残余弯矩随侧向流动增大而增大，，并可能为弯矩峰值；表层非液化层的存在可导致土层交界处弯矩出现最大值。（4）分析了震后再固结过程中单桩基础的轴力与沉降变化规律。液化地基震后再固结过程中负摩阻力引起的桩基础轴力最值与固结过程无关，仅受地基最终状态影响；再固结过程中桩基础的沉降主要受中性面位置的控制，中性面位置受再固结过程影响。
【图文】：

单桩基础,离心模型试验,典型布置

譬如阿拉斯加地震中尚未开始建设上部结构的 605A 桥（图2.2）；亦有震后液化后地基土层侧向流动引起的桩基础破坏，例如著名的新泻昭和桥（图 2.3 和图 2.4）。当结构惯性作用较大或地基运动变形较小时，惯性相互作用也可能成为桩基础震害发生的重要诱因，如阪神地震中在无侧向流动地基上的某 3 层建筑（图 2.5）。更多情况下，可液化地基中桩基础的侧向震害是由运动相互作用与惯性相互作用共同耦合形成的动力相互作用造成的，最典型的震害实例如新泻地震中发生破坏的 NHK 和 NHFC建筑桩基础（图 2.6）。在桩土运动相互作用为主引起的桩基础破坏中，两个值得特别注意的震害实例分别是阿拉斯加地震中 605A 桥和唐山地震中天津新港海洋石油研究所单层排架厂房桩基础的破坏。其共同特点在于，地震发生时两工程均尚未开始上部结构的建设，即桩基础几乎是在桩土运动相互作用下发生了破坏。其中，阿拉斯加地震中 605A 桥作为其上游老 605 桥的替代桥梁，在地震发生时仅完成了桩基础和桥墩的建设。桥梁的 27m 混凝土钢管桩基础震后在桩顶发生了 15°倾斜（图 2.2）。该桥所在 Snow River 河谷砂土层 12~18m深度以内砂土标贯击数仅有 5~10，松砂层以下的细砂层击数 N 则为 30 左右（Ross

照片,昭和,照片,向河

2.3 昭和大桥在新泻地震后照片（Hamada，19向流动引起的桩基础破坏的最为著名的实例是新3）。这一震害实例属于有侧向流动和上部结构但破坏现象明显，震后震害调查相对充分，因此已究方面的一个标志性案例，对于桩土相互作用研和桥长 303.9m，宽 24.0m，由 12 跨组成，每两跨钢管桩支撑。Iwasaki（1986）在其震害报告中指基表面 7~8m 深度范围土层产生了向河心方向的向位移达到了 1~2m。Yoshida et al（2007）在对大桥的倒塌大约在主震后 70s 以后发生，大桥的跨连锁的坍塌（图 2.3）。后来将破坏最为严重 2.4 中给出了该桩基础的变形。该桩长 25m，所6mm 段组成，底部 13m 由一段壁厚 6mm 钢管组向河心方向发生了严重的弯曲破坏，并在河床以
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU473.1;TU435

【参考文献】