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。     

可液化场地桥梁群桩基动力反应振动台试验研究

针对上覆0.3m粘土层、下伏1.2m饱和砂层的可液化场地,采用2×2群桩-低承台-独柱墩结构,完成了可液化场地桥梁群桩基动力反应振动台试验。结果表明:随着埋深增加,土体孔压、加速度和位移趋于减小,随着输入频率的增大,土体孔压和加速度增大,土体位移则减小;桩的加速度和弯矩反应自下而上呈现增大趋势,桩的弯矩在承台处达到最大值,且随着输入频率的增大而减小;随着埋深的增加,桩上土反力和桩-土相对位移减小,土体模量增大;随着输入频率的增大,土体模量及耗能变小。     

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。     

地铁隧道地震反应数值模拟与试验的对比分析

根据可液化土层上土-地铁隧道结构动力相互作用大型振动台模型试验结果，以软件ABAQUS为平台，将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题，采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性，建立了土-地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型。对各种试验工况下地基土-地铁隧道结构体系的地震反应进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比。结果表明：数值模拟与振动台模型试验结果基本一致，呈现出相似的规律性，相互验证了基于ABAQUS软件的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

软弱场地地铁车站结构地震反应的数值模拟与模型试验对比分析

根据软弱场地土上地铁车站结构大型振动台模型试验结果,以软件ABAQU S为平台,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用二维和三维有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明:二维、三维数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,三维模型可更好地模拟软弱场地与地铁车站结构的动力相互作用及模型结构的动力反应。数值模拟结果和振动台试验结果可相互验证其可靠性。     

多层立交隧道复杂节点结构地震响应特性分析

以南京某工程的多层交叉节点结构大型振动台试验为基础,基于ABAQUS有限元软件,采用一致粘弹性边界模拟土体的边界条件,建立考虑土-节点结构动力相互作用的三维有限元模型,分析各试验工况下的结构及土体的地震响应,与试验结果进行对比,验证模型的正确性,在此基础上,分析原型结构的地震响应特性。结果表明:数值模拟结果与振动台模型试验的结果基本一致;多层立交隧道节点结构的破坏程度与其埋深密切相关,埋深越大破坏程度相对减小,多层立交隧道节点结构的薄弱环节主要集中在板与侧墙、中墙的交界处,且结构的地震动特性在很大程度上受周围土体的性质的影响。     

220kV变压器⁃套管体系抗震性能的数值模拟分析∗

为了进行高压变压器-套管体系抗震性能的数值模拟分析,并进行高压变压器-套管体系地震动模拟振动台试验方案的初步设计,针对OSSZ11-240 000/220 型变压器,采用ABAQUS 软件建立了变压器-套管体系的有限元分析模型,模拟了其自振特性和关键部位地震响应。在模拟结果的基础上,分析了变压器油箱顶板刚度对套管抗震性能的影响、套管根部的动力放大系数、以及套管地震响应的特点等。结果表明： ①变压器油箱顶板刚度较低会降低套管的自振频率,放大其地震响应,同时,油箱顶板上多个套管间的动力相互作用会改变其地震响应;②高压套管根部的动力放大系数最高达5.17,远大于规范推荐值;③缩尺模型与原模型模态和动力分析结果的对比验证了缩尺模型的合理性。建立的有限元方法可用于高压变压器—套管体系抗震性能的数值仿真分析、以及制定高压变压器—套管体系地震动模拟振动台试验的初步方案。     

分层液化土中桩基侧向动力反应机理的试验研究

饱和砂土中的桩基侧向动力响应研究一直是岩土工程界与地震工程领域关注的热点,尤其是群桩侧向动力响应机制是需要重点研究的课题之一。基于振动台试验,通过输入2种不同的波形,采用FBG光栅传感系统对饱和砂土中的单桩与群桩侧向动力响应特性和典型测试点的桩土动力p—y滞洄曲线进行研究。研究结果表明:振动初期,单桩和群桩试验孔压增长不大,随后单桩孔压迅速上升,振动后期逐渐下降至0.5,而群桩孔压则上升缓慢;单桩试验土表加速度在振动初期逐步升高后又迅速降低,且加速度放大值略大于台面加速度值,群桩试验土表加速度在振动初期逐渐升高时就达到了最大,且随着孔压比的升高,加速度没有继续放大,而是逐渐减小,直到后期与单桩试验土表加速度重合;饱和砂土液化对单桩承台加速度和位移的影响较大,群桩承台侧向动力响应对液化的敏感程度略低于单桩承台;在振动输入和承台输入相同的条件下,液化后的群桩基础比单桩基础能更好地抵抗侧向力的作用。     

对称斜群桩侧向动力响应及p-y曲线规律对比试验研究

通过电磁式振动台试验方法,根据相似比理论设计制作对称四直桩和对称四斜桩模型,进行饱和砂土中直斜群桩侧向动力响应试验研究。台面输入加速度峰值为0.15g的正弦波,其频率大小分别为1.5Hz、3Hz和6Hz,以对比分析在不同频率正弦波输入下的斜群桩侧向动力响应特性和p-y滞回曲线规律。试验研究结果表明:(1)在不同频率输入下,通过对比承台加速度和位移峰值大小,对称四斜桩能有效减小桩身的侧向动力响应,在抵抗水平地震作用方面效果要好于四直桩模型;(2)饱和砂土的液化速度与输入正弦波频率成正相关;(3)孔压上升初期p-y滞回曲线不规则,包围面积较小;孔压快速上升周期的p-y滞回曲线近乎椭圆形,包围面积增加,滞回耗能变大,桩土相对位移的正负变化体现了桩土互推的作用过程;(4)土样中接近土表面位置处的p-y滞回曲线的面积略大于较深处点,说明靠近土表位置处的桩土相互作用耗能更加显著。     

土-桩-框架结构非线性相互作用的精细数值模型及其验证

利用有限元软件ABAQUS,建立了土-桩-框架结构非线性相互作用(SSI)的二维精细有限元模型,分别采用记忆型粘塑性嵌套面模型和损伤塑性模型模拟土体和混凝土材料,采用梁单元和rebar单元模拟RC桩基及其内部纵筋,采用接触面对法模拟桩土接触效应,取得了良好的计算效果。将自由场、框架、土-桩-框架结构模型的分析结果和其它成熟的计算软件进行对比,验证了数值模型的有效性。分析发现:桩基外侧靠近承台处的土体的非线性反应很强烈,而桩基内部土体的非线性反应较小,很大程度上只是跟随群桩一起运动。由于桩土动力接触,桩顶的加速度反应可能超出上部结构,并且桩顶的加速度时程曲线上有非常明显的"针"状突变。随着地震动强度的增加,上部框架逐渐表现出单自由度体系的动力特征,加速度反应谱有从多个波峰退化为单一波峰的趋势。     

单圆双线地铁隧道基底粉细砂层动力响应分析

以南京地铁10号线过江段江北大堤附近典型截面为例,分别考虑了单线通行工况与会车8s、会车12s及会车16s3种典型会车工况,建立了隧道-土体有限元模型,分析了单圆双线隧道基底粉细砂层动力响应。结果表明,隧道基底粉细砂层加速度峰值随垂直深度增加而呈指数型衰减,到达23m深度时,4种工况加速度峰值已非常接近。基底下卧层土体最大位移随深度呈线性减小趋势,考虑各工况下各深度位置最大竖向位移,会车8s工况会车16s工况会车12s工况单车8s工况。列车动荷载所激发的粉细砂超静孔隙水压力约为静水压力的1%。粉细砂层最大超孔压随基底深度呈指数型衰减趋势。粉细砂层内最大孔隙水压力与总应力比值小于1,隧道基底粉细砂层不会发生液化。该结果可用于调控隧道控制截面位置基底粉细砂层动力响应与可液化性研究。     

非均质土层中单桩水平简谐动力响应特性的数值分析

运用土动力学和结构动力学原理,基于改进的Winkler地基梁模型,同时考虑桩侧土的弱化效应和地基土层的成层非均质性,采用数理方程方法分别求解土与桩的振动方程,建立了水平荷载作用下单桩侧向简谐动力响应特性分析的计算力学模型和方法,并将所得结果与有限元计算结果进行对比分析,验证了所提出的计算方法的合理性。通过对影响单桩水平简谐动力响应特性的各相关参数进行变动参数分析,总结出了各影响参数对单桩水平简谐动力响应特性的一般影响规律。     

饱和砂土场地2×2高承台直斜群桩动力响应规律研究∗

为研究饱和砂土场地地震液化情况下直斜群桩水平动力响应规律,使用浙江大学ZJU400土工离心试验设备进行了饱和砂土场地2×2高承台直斜群桩的离心机振动台模型试验,通过两组试验分别对于不同土层处的加速度时程以及孔压比进行分析。同时,结合饱和砂土的液化情况,分别针对2×2高承台直斜群桩在振动过程中承台水平动力响应以及桩身弯矩峰值的变化进行了对比分析。试验结果表明:随着振动强度的增大,饱和砂土层液化深度逐渐增加,尤其在近桩位置土层孔压比变化更为明显;直群桩承台水平加速度峰值在一定范围内出现了放大的现象,而斜群桩承台则基本未发生此显现;随振动强度的增加桩身弯矩峰值分布发生较大变化,其变化情况与饱和砂土液化有着较为密切的关系,在0.05g和0.1g工况下斜群桩桩身弯矩峰值明显小于直群桩,而0.3g工况时斜群桩桩身弯矩峰值出现了显著增加的现象并超过了同工况下直群桩情况。     

刚性桩复合地基地震响应的拟静力简化计算方法

刚性桩复合地基在建筑结构中已得到广泛应用,但对其地震作用下的动力响应研究还不够充分。采用上海市《建筑抗震设计规程》8度罕遇地震的规范标准反应谱拟合生成人工地震波,以软土场地中的某10层钢筋混凝土框架结构为对象,将土体自由场变形和上部结构惯性力对桩身内力的影响分开考虑,提出一种拟静力简化计算方法,分析刚性桩复合地基的地震响应。并建立刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,利用数值方法进行动力时程分析,验证了拟静力方法的合理性。进一步分别计算了自由场位移对桩基的作用、刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体地震响应以及桩筏基础地震响应。结果表明:拟静力方法与数值方法较为吻合,复合地基的桩身内力和筏板底加速度峰值均小于桩筏基础,褥垫层对地震波具有滤过作用,显著减轻了地震的作用效应。     

不同承台形式斜直交替群桩⁃土⁃结构地震相互作用特性分析∗

为研究不同承台形式斜直交替群桩?土?结构在地震互相作用, 利用FLAC^3D有限差分软件作为研究工具，采用El Centro地震波作为动荷载。分别建立了斜直交替群桩?土?结构的低承台、高承台数值模型。并对地震作用下可液化土体的孔压比变化、桩基的受力与位移、桥墩顶部的位移进行分析研究。研究结果表明：在地震作用下,土层中孔隙水压力分布是自上而下逐渐增大。振动加速度峰值时部分土体由于发生剪胀孔压出现瞬时负值。砂土层中桩基中部区域容易产生液化现象。同一模型中，直桩的最大弯矩小于斜桩的最大弯矩。在低承台模型中，直桩和斜桩的最大水平位移均发生在桩基顶端，直桩的竖向位移沿埋深是一恒值，而斜桩的竖向位移沿埋深是变化的。在高承台模型中，斜桩的水平位移沿埋深不再是单调变化，最大值发生在砂土层中。高承台模型中斜桩和直桩的竖向位移和水平位移均明显大于低承台模型桩体。两个模型的桥墩顶部最大水平位移出现的时刻基本相同。     

地基液化导致沉箱码头破坏及地基加固方法的非线性数值分析

地震作用引发的地基液化,往往导致沉箱基础的破坏。本文基于Biot两相饱和多孔介质动力耦合理论,采用FE-FD耦合数值分析方法,对液化海床沉箱基础的地震反应进行非线性有效应力分析。在数值分析过程中,建立了以土骨架位移和超静孔隙水压力表达的us-pw动力固结方程和循环弹塑性本构模型,该方法能够很好地模拟地震作用下沉箱码头的动力特性及液化破坏的影响。通过数值模拟计算,分析了采用碎石桩进行置换砂区域的防液化加固方法,并就碎石桩处理区域的选择提出了建议。     

软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基工作状态分析

软土场地碎石桩因具备桩体侧向变形大、超孔隙水压力消散慢的问题,导致出现基础沉降大、土体固结排水速度慢等工程病害。路堤下采用加筋碎石桩复合地基是处理软土场地的主流方法。本文采用二维有限元方法,建立考虑路堤填筑过程的软土场地路堤-加筋碎石桩复合地基数值模型,探讨了加筋碎石桩复合地基承载力的影响因素。基于达西定律和比奥固结理论,分析高地下水位场地条件下加筋体刚度和桩数对加筋碎石桩复合地基工作状态的影响规律。研究表明:增大褥垫层厚度和减小褥垫层模量均能够提高桩土应力比,改善桩顶应力集中的问题。与传统碎石桩相比,高地下水位条件下加筋碎石桩复合地基中超孔隙水压力消散速率快,桩数增加可以有效提高复合地基排水速率。