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。     

液化土体侧向扩展条件下群桩动力响应振动台模型试验

为研究液化土体侧向扩展对群桩基础动力响应的影响,设计了可液化场地流动变形对桩基础地震反应影响的小型振动台模型试验。采用"钢带法"估计不同位置、不同类型场地地基土的侧向位移,探讨了地基土侧向流动速率与桩基结构地震内力的相关性,对比分析了上部结构惯性力及场地类型对桩身内力反应的影响,研究了由倾斜场地土体侧向扩展导致的群桩偏移运动。试验结果表明,桩周及下游土体的侧向位移随着土层深度的减小而逐步增大。可液化土体发生液化时所产生的流滑效应促使土体孔压加速消散。在水平场地条件下,土体侧向扩展沿土层深度方向线性分布;而倾斜场地条件下,土体的侧向扩展沿土层深度呈"抛物线型"分布。随着地基土液化,群桩基础受到的土体侧向约束力逐渐降低,进而使得群桩的峰值位移逐渐减小。     

液化侧扩流场地桩基动力反应振动台试验数值模拟

针对已完成的振动台试验,采用OpenSees数值模拟计算平台,建立液化侧扩流场地群桩振动台试验数值模型。该模型中,采用线弹性梁柱单元模拟桩和挡墙,采用刚性连接单元和零长度单元模拟桩-土界面。自由水体通过施加节点孔压和节点力模拟。引入多屈服面塑性本构模拟饱和砂层,采用两相完全耦合的u—p形式模拟土体位移和孔压。通过对比振动台试验结果表明,建立的有限元数值模型能够可靠地再现砂层和桩基的动力响应,进而验证数值模型的可靠性。同时,针对两个代表性时刻,分析了桩-土体系的侧向变形响应。所采用的分析方法和相关结论也为同类桩-土体系数值模拟提供一般性分析方法和思路。     

排水刚性桩处置可液化倾斜场地的振动台试验研究∗

排水刚性桩将竖向排水体和刚性桩相结合,是一种有效的地基抗液化处理措施。但目前对排水刚性桩在可液化倾斜场地中抗液化侧向变形的性能研究还比较缺乏,制约了其推广与应用。通过振动台试验,开展了可液化倾斜场地中排水刚性桩和普通刚性桩的对比研究,从土体内部动孔压响应、液化土体的流动性质、桩顶水平位移等角度研究了排水刚性桩对可液化倾斜场地的处理效果,并考虑了群桩布置形式的影响。结果表明,排水刚性桩是一种有效的加固可液化倾斜场地的处理措施,可以较好的限制液化土体侧向变形;相同群桩布置形式下,排水刚性桩限制土体流动变形效果优于普通刚性桩,且这种限制效果在坡顶位置更为明显;对于普通刚性桩,群桩梅花形布置形式相对于正方形布置形式能更好的阻止液化土体的流动变形,而对于排水刚性桩,群桩布置形式影响较小。     

厚软场地上大跨径桥梁设计反应谱研究

大跨径桥梁塔高、跨径大、自振周期长,深厚、软弱场地的长周期地震动对桥体结构影响较大。我国《公路工程抗震设计规范(JT J004-89)》也只适用主跨不超过150 m的梁桥和拱桥,国内长期以来没有一个适用于大跨径桥梁的抗震设计规范或指南。本文结合大跨径桥梁工程实例,根据场地土层静、动力性能参数的原位测试和动三轴试验结果,进行厚软场地土层地震反应分析,研究厚软场地的地震动效应,讨论了不同地震动强度时厚软场地的设计反应谱特征,分析了现行规范设计反应谱应用的局限性,成果对相关工程有重要指导意义,对大跨径桥梁抗震设计规范的制定也有借鉴作用。     

基于FLAC3D液化场地桩基动力反应振动台试验数值分析方法∗

液化场地桩基动力响应是岩土地震工程领域重要的研究课题,而研究液化场地桩基动力响应有效的方法包括大型物理模型试验和数值模拟。鉴于此,针对已完成的振动台试验,采用 FLAC3D有限差分计算程序,建立了液化场地桩?土动力相互振动台试验数值模型。在数值模拟中,承台采用实体单元,桩采用桩单元,柱墩采用梁单元, 考虑液化效应的饱和砂土采用 Finn 模型,粘土采用 Mohr?Coulomb 模型。模型边界采用自由场边界,采用弹簧?滑块?裂缝单元模拟桩?土界面。通过对比振动台试验结果表明：建立的有限差分数值模型能够再现结构和地基的动力响应,进而验证了数值模型的可靠性。同时,分析了引起数值计算结果与试验结果差异的主要原因。所采用的数值分析方法对类似布置的桩?土相互作用数值分析提供参考与借鉴。     

地震液化引起的地面大变形对桥梁桩基的影响研究综述

根据国内外文献资料,主要就地震高烈度区液化引起的地面侧向大变形对桥梁桩基的影响的研究现状进行分析,总结了地面大变形引起的震害情况、液化诱发地面大变形的机理及液化大变形的预测方法、桥梁桩基的震害和液化大变形对桥梁桩基的影响、桥梁桩基抗地面大变形的措施,以及存在问题和研究思路。     

大连长山矮塔斜拉桥抗震性能三维数值分析

为进一步认识矮塔斜拉桥地震动力响应特性,以大连长山矮塔斜拉桥为具体工程背景,采用ADINA三维实体单元模拟桥梁结构与桩基,全面考虑预应力钢筋作用和桩土相互作用影响,通过建立全桥大规模三维动力分析数值模型,针对桥梁结构-桩基-地基相互作用体系分别进行了地震反应谱分析、弹性和弹塑性动力时程分析,并对桥梁结构体系抗震性能进行了系统评价,计算结果表明:桥梁体系关键控制截面抗震强度和变形均满足规范要求,主墩位置易发生较大塑性变形;对矮塔斜拉桥等特殊桥梁进行抗震设计时,宜进行考虑主墩结构弹塑性影响的控制截面变形校核。     

可液化场地减震结构体系地震动特性影响效应研究∗

工程结构的地震响应规律与地震动特性紧密相关。为了研究地震动特性对可液化场地装设黏滞阻尼器的桩基‐结构体系地震响应和黏滞阻尼器减震效果的影响,选取24 条不同特性的地震动作为输入,针对可液化场地装设黏滞阻尼器的桩基‐结构体系数值模型进行非线性时程分析。结果表明：相比于远场地震动作用和近场非脉冲地震动作用,近场脉冲地震动作用下,液化场地减震结构体系具有更大的地震响应;近场脉冲地震动作用下,速度型黏滞阻尼器的减震效果得到了充分发挥;相同振幅下,地震动峰值速度(PGV)与液化场地减震结构体系地震响应的相关性最为显著,可作为评价液化场地减震结构体系地震响应的主要指标。研究结果对液化场地黏滞阻尼器的减震设计具有一定的借鉴意义。     

日本地震实时监测系统中液化识别方法可行性研究

日本地震超高密度实时监测系统(SUPREME)建设中的核心技术之一是依据强震记录对液化场地进行反演识别,系统中目前使用的是Suzuki法,但实际应用效果并不理想。选取不同地震下多种类别场地上的实际地震记录,对Suzuki法的适用性进行了研究,讨论了其不同指标对不同类别场地识别结果的影响。分析表明:Suzuki法对不同类别非液化场地的识别能力不同,最显著的缺陷是易将软土场地与液化场地混淆;方法所使用的4个识别指标中,过零周期为控制参数,其它指标仅起到初判作用;方法出现误判的原因是液化场地的过零周期范围与非液化中软土场地上的过零周期范围存在明显交叉,而这一点理论上是无法避免的客观存在;改进的方法是应放弃现有进行绝对值对比的做法,改用地震动某些参数的相对变化作为新的识别指标。     

基于《电力设施抗震设计规范》的地震动随机模型参数研究

依据《电力设施抗震设计规范》(GB50260-96)中的设计反应谱,对随机地震动功率谱参数的取值进行了具体研究。首先,采用时间包络函数考虑地震的非平稳特性,给出了地震动持时的取值;然后,根据加速度峰值等效原则,迭代计算得到地面的加速度功率谱密度曲线;最后,选定Clough-Penzien修正过滤白噪声模型作为拟合函数,通过非线性拟合技术拟合了与《规范》中的地震烈度、场地类别相对应的谱参数。研究结果表明,Clough-Penzien修正过滤白噪声模型能较好地拟合其曲线形状。本文给出了相对于规范中的地面加速度功率谱参数值,可供这种模型作为地震地面运动输入时选用。     

大型变电站在近断层地震动作用下的地震反应分析

结合近断层地震动特征,针对我国变电站量大面广的特点,建立了考虑变电站主体结构-电气设备相互作用的三维动力分析模型;选取多条实际近断层地震动记录作为地震动输入,采用非线性动力时程分析方法对大型变电站进行地震反应分析,并与远断层地震动作用下的地震反应结果进行了对比分析。结果表明,大型变电站在近断层地震动作用下的地震反应大于远断层地震动作用下的结果,该类建筑物对近断层地震动的作用较敏感,近断层处变电站的地震破坏影响程度更大。此外,还分析了近断层地震动作用下采用隔震技术的变电站地震反应,发现其抗震性能优于未采用隔震措施的变电站,即隔震技术适用于建造在近断层附近的变电站。     

土层地震反应分析的地面加速度峰值计算研究

针对不同的工程场地采用20组相互独立的基岩加速度时程作为输入地震波,对广东省307个项目的地震安全性评价中的662个地震钻孔剖面进行土层地震反应分析,用相对均方误差来定量评估所得到的地面加速度峰值离散值,发现地面加速度峰值的计算结果具有很大的离散性,最大相对均方误差为19%,平均相对均方误差为7.53%;地震基本烈度高的地区比地震基本烈度低的地区的相对均方误差大,场地类别差的比场地类别好的相对均方误差大;目前较为普遍地用1条或3条基岩加速度时程作为地震动输入是明显不够的,应适当地增加,对于高烈度地区和场地类别较差的场地更是如此,才能得到较为合理的地面加速度峰值。     

近断层地震动运动特征对长周期结构地震响应的影响分析

选择台湾集集近断层地震动记录作为地震动输入,系统考察了近断层地震动破裂方向性、上盘效应、脉冲效应等运动特征对双线性单自由度体系、长周期隔震建筑和斜拉桥结构地震响应的影响。计算结果表明,脉冲型地震动对结构的效应随双线性单自由度体系的初始自振周期增大而变大,在长周期段结构的脉冲效应最显著;地震动破裂方向性和上盘效应对单自由度体系位移需求的影响与体系周期有关。对于隔震建筑和大跨度斜拉桥等长周期结构,近断层地震动破裂方向性对结构的效应较显著;上盘效应对长周期结构的影响明显;地震动的速度脉冲运动特征总的来说放大了结构响应。     

渤海海底表层软弱土特征及其对地震动的影响

以渤海PL19-3油田工程场地为研究对象,利用钻探和剪切波速实测资料,根据中国规范GB50011-2001、美国规范FEMA-NEHRP和欧洲规范EC8,进行场地类别研究;通过地震动效应分析,得到海底表层软弱土对峰值加速度和反应谱的影响。结果表明,现行规范中的场地土类型划分标准是针对陆地场地土特征的,不能反映覆盖较厚的海底淤泥层的特征;海底表层软弱土对地震动加速度的幅值和频谱的影响非常明显,其对峰值加速度的放大倍数较高,但受土的非线性变形影响,随着地震动输入的增大,其放大倍数呈非线性降低,软土场地使得加速度反应谱谱形变宽,特征周期变大。本文的结果为开展海洋工程抗震标准、海域地震区划研究积累了相关基础资料。     

动水压力和PSI对深水高墩桥梁抗震性能的影响∗

以我国西部地区某库区一深水高墩大跨连续刚构桥梁为工程背景,考虑动水压力、桩-土相互作用以及二者联合作用的影响,确定了六类不同的分析工况,利用OpenSEES源代码分析平台分别建立有限元模型,通过输入两组空间地震波进行非线性时程分析,讨论了动水压力和桩-土相互作用对深水高墩大跨桥梁动力特性和抗震性能的影响。研究结果表明,考虑动水压力和桩-土相互作用会降低高墩大跨桥梁的振动频率,且二者的影响主要体现在下部结构振型参与率较高的高阶模态;动水压力效应会增加高墩在地震作用下的动力响应,但桩-土相互作用对非线性分析结果的影响没有明显的规律;同时考虑动水压力和桩-土相互作用时,深水高墩桥梁的地震响应并不是简单的相互促进或相互抵消,而与地震动的大小、频谱特性等相关;强地震作用下桥梁结构的桩顶水平位移较大时,抗震设计中更适合采用"p—y曲线"法模拟桩-土相互作用效应。     

桥梁相邻结构相对位移反应谱研究

基于相干函数和我国抗震设计规范定义的反应谱模拟了空间变化地震动,计算了桥梁相邻结构在不同视波速和相干程度空间地震动激励下的相对位移反应,以此确定为避免桥梁相邻结构碰撞所必需的伸缩缝最小间距,并分析了地震动空间变化和结构振动特性对桥梁相邻结构最大相对位移反应的影响。结果表明:地震动的空间变化对桥梁相邻结构的相对位移反应有着重要影响,当桥梁相邻结构拥有相似的振动频率时,影响最大;抗震设计标准推荐的调整相邻结构基本频率相近而减小相邻结构间的相对位移,从而达到避免结构碰撞的建议,仅在地震动空间变化效应可以忽略的前提下才有效。     

苏通大桥初设阶段主桥场地地震反应计算

本文计算了苏通大桥初设阶段主桥近300 m深场地的地震反应。将三种地震波从基岩输入,并考虑了行波效应,从而得到不同计算工况下8个桥墩所在场地的地震反应结果,列出了工程场地地表的部分绝对加速度和绝对位移的计算结果。从计算结果来看,土层的地震反应受到以下几个因素的影响:土层计算模型、土层的地质地形条件、行波效应。当有倾斜河谷地形时,采用一致输入下水平均匀分层土层的简单模型后,计算所得的工程场地地震动参数与实际场地精细化模型的计算结果有较大的差距。是否考虑基岩面上地震波的行进过程,也会对场地地表的地震动参数产生较大的影响。     

核电厂扩建工程设计地震动参数校核研究(英文)

核电工程从预可行性研究到正式施工设计,往往有一个很长的周期。以秦山核电二期工程建设项目为例,地震动参数确定是在十多年前完成的,因此其设计地震动参数的校核工作应当在吸收这十多年来我国在活动构造识别、地震活动的不均匀性处理、地震区带划分、潜在震源区的识别和参数确定、地震动衰减等方面的最新研究成果的基础上进行。研究结果表明,新增的地震地质资料进一步补充了原工作报告对地震地质研究的结论,地震的活动特征则没有发生根本变化;工作区内破坏性地震的平均震源深度约为12 km,与全国平均震源深度(约为15 km)有差别。在对工作区地震地质、地震活动背景最新研究的基础上,考虑本地区有代表性的不同潜在震源区的划分方案,分别采用对应的地震动参数衰减关系进行地震危险性概率分析计算,校核后综合确定秦山核电二期扩建工程厂址的极限安全地震动SL-2为0.15 g,这与1990年的结论一致。本文提出的核电扩建工程地震动参数校核工作的技术路线,可供类似的重大工程地震动参数校核参考。