基于流体力学原理的液化边坡流滑推桩效应研究

发布时间：2020-06-07 01:51

【摘要】：大量震害调查资料表明地震作用下饱和砂土液化引起地基发生横向大位移是桩基遭到破坏的重要原因。然而,目前国内的研究大多集中于传统的固体力学方法,该方法将液化土体视为弹塑性地基模型,并不能准确地描述运动中的液化土体对桩产生的影响,因此在分析液化场地桩—土—结构相互作用的问题上存在一定的局限性。本文以新西兰地震中受损的Dallington桥为工程研究背景,通过相似比设计进行倾斜液化场地的桥梁桩振动台试验,并利用ADINA数值计算平台,将液化后土体视为非牛顿流体,利用流固耦合的分析方法,分别建立单桩与桥梁桩结构的数值计算模型,从试验分析和数值模拟两方面着手,探究边坡液化流滑对桩产生的动力响应问题。主要的研究内容及结论如下:(1)进行了可液化倾斜场地桥梁桩结构的振动台模型试验。分析了小震和大震作用下液化地基土的动力响应规律和桥梁桩结构的地震反应特性,总结了倾斜液化场地的加速度反应规律、孔隙水压力发展规律、结构的动应变和动土压力反应特征,并进行了破坏机理的分析。得到以下主要结论:倾斜场地坡面倾角的大小对表层土的流滑具有重要影响;倾斜坡面流滑阶段桩侧土压力反应具有明显的不对称性;液化后砂土具有流动性,土体发生横向位移对桩产生的推动效应,造成了结构的严重破坏;大震作用下,结构破坏形式与原型场地一致,可见桥台与桥面连接部位为结构的最薄弱环节,即使是整体式桥梁结构仍要引起重视。(2)简要介绍了不可压缩黏性流体和线弹性固体之间的三维动力耦合基本理论。将拉格朗日—欧拉(ALE)描述引入到流体的Navier-Stokes方程中,建立了ALE描述下的流体动力学基本方程。固体域涉及小应变大位移属于几何非线性问题,采用T.L.格式建立关于位移增量的方程组,利用虚位移原理进行有限元方程的离散;流体域选取压力和速度的插值基函数,获得了ALE有限元数值离散方程,最后运用同步求解法得到系统的流固耦合方程。(3)根据流固耦合基本理论,首先建立了可液化倾斜场地端承单桩的数值模型,探讨了桩基在长径比、桩顶惯性力、桩端嵌固条件影响因素下的动力响应特征,结果表明数值计算与模型试验在桩顶加速度、桩身应变、桩身变形上吻合较好,验证了数值计算的可靠性;其次进行了可液化倾斜场地桥梁桩结构的数值计算,分析了桥梁结构在倾斜液化场地中的动力耦合效应,总结了结构的加速度分布规律和沿桩身位移的变化规律,最后将地基土加速度反应规律、土压力反应特征及桩身应变分布规律与试验结果进行比较,验证了验证了试验方案的合理性和数值计算的可靠性。
【图文】：

桥梁破坏,现象

2（c）徒河桥因不良基础引起桥墩折断（d）蓟运河上的铁路桥由于岸坡土体滑移导致桥台扭转变形图 1-1 1976 年唐山地震桥梁破坏现象Fig.1-1 Bridge damage in Tangshan earthquake in 19761.2 新西兰 Christchurch 地震液化流滑桥梁桩基破坏回顾2010 年 9 月—2011 年 12 月 Christchurch 发生的系列地震分别是 2010 年 9 月 4 日 7.1级地震、2011 年 2 月 22 日 6.2 级地震、2011 年 6 月 13 日 6.0 级地震、2011 年 12 月 23 日5.9 级地震以及其他五次 5.0-5.8 级地震。地震发生在断层和城市边缘地区，强烈的地面运动导致整个城市发生巨大的破坏，形成了当今世上最广泛最严重的液化土记录之一。很多液化严重的地区经历了三至四次的重复液化，仅震后街道上就清理了超过 400000 吨的淤

双子,严重程度,地图,平原

江苏大学硕士学位论文砂。广泛的液化是由震动的强度和城市的地质背景所决定的，Christchurch 位东海岸的 Canterbury 平原上，占地 450 平方千米，，平原由 300-550m 深砾石、黏土和泥炭组成，河流源头沉积于西南方的阿尔卑斯山。Avon 和 Heathcote 过城市最终流向 Avon-Heathcote河岸，地下水位相对较高，由西向东上升了 1-海岸线水平[3]。11 年 2 月受到液化影响的地区见图 1-2[3]，横向大位移沿着城市里的 Avon 河市中心以东的许多中短跨桥梁（长度为 20m 至 70m）。以下对位于 Avon hurch 东部 5 座较全面反映 Christchurch 地震中破坏特征的桥梁进行简要的描测与测量在 2011 年 2 月地震发生后的几个星期内进行。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U443.15

【参考文献】