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《哈尔滨工业大学》 2016年
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液化侧向扩展场地桩—土体系地震模拟反应分析

苏雷  
【摘要】:地震中液化引发场地侧向扩展是导致桩基震害的主要原因之一。振动台试验是研究液化侧向扩展场地桩-土动力相互作用最有效的途径之一。数值计算是振动台试验的有力补充,同时也是将理论研究工作拓展到实际工程的必要技术环节。然而,目前研究工作更多集中于室内试验的数值计算和拟静力计算,应用于实际工程尚缺乏充分的试验与理论依据。鉴于此,本文针对地震下液化侧向扩展场地桩-土相互作用体系,通过大型桩基振动台试验和理论分析相结合的方法,建立液化侧向扩展场地桩-土动力相互作用简化分析方法并提出桩-土界面连接方式。同时,将该连接应用于液化侧向扩展场地桩基振动台试验数值分析,研究数值模型的主要影响因素。此外,考虑桩基非线性和侧向扩展大变形会导致计算量增大,为提高计算效率,建立群桩振动台试验并行数值模型,并验证其可靠性。最后,将该方法应用于实际液化侧向扩展场地预应力混凝土群桩的数值模拟。具体研究内容、方法及成果如下:1.大型液化侧向扩展场地桩基(单桩和群桩)振动台试验。针对典型近岸液化侧向扩展场地特点,借鉴同类振动台试验设计经验,通过设置岸壁触发砂土液化侧向扩展,成功实现了动力输入下砂土液化侧向扩展,并对液化侧向扩展场地土层孔压、加速度和侧向扩展位移及桩的侧向位移和弯矩响应进行系统分析。2.液化侧向扩展场地单桩简化分析方法。针对单桩基振动台试验,基于非线性Winkler地基梁模型,采用弹性梁单元模拟桩,修正的p-y弹簧单元模拟液化土体,零长度单元模拟桩底连接,将试验记录的侧向扩展位移作为p-y弹簧单元外侧节点的位移剖面,建立了液化侧向扩展场地桩-土相互作用简化分析方法,基于试验结果对简化分析方法的可靠性进行验证;并分析了桩模量、桩径和桩底刚度对桩基响应的影响。3.桩-土界面连接方式。在刚性桩-土界面连接的基础上,通过定义界面的剪切屈服力和增加并联的两类零长度单元,模拟地震过程中桩-土界面剪切力的耦合效应,实现桩-土界面的滑移,避免土体液化侧向扩展过程中桩上产生过大的轴向力。4.液化侧向扩展场地单桩基振动台试验数值模拟。针对单桩基振动台试验,利用初始状态分析法,通过施加节点孔压和相应节点荷载模拟自由水体,采用并列线性梁单元模拟岸壁,基于上述的桩-土界面连接方法,建立了液化侧向扩展场地单桩基振动台数值模型,并基于振动台试验结果对数值模型的可靠性进行验证;在此基础上,分析了阻尼系数、渗透系数和上部结构配重对桩-土动力相互作用的影响。5.液化侧向扩展场地群桩基振动台试验数值模拟。在单桩基振动台数值模型的基础上,将单桩体系转变为群桩体系,建立相应的群桩振动台数值模型,并验证其有效性。基于此,考虑混凝土桩基的非线性,建立了群桩基振动台试验的并行计算数值模型,并基于串行数值计算结果验证并行计算方法的可靠性,重点分析了群桩的弯矩-曲率和纤维应变响应特性。6.实际液化侧向扩展场地预应力混凝土群桩基数值模拟。考虑混凝土桩预应力的特点,数值模拟中,将预应力混凝土桩和土体单独建模,确保预应力作用下混凝土桩自由变形,同时在重力作用下土体位移置零。在此基础上,采用上述桩-土界面连接单元组装桩和土体模型,建立实际液化扩侧流场地预应力混凝土群桩基并行计算数值模型,并分析地震下桩基的轴力、剪力、弯矩、曲率和纤维应变响应特性。本文研究成果进一步加深对液化侧向扩展场地桩基地震响应特性和震害问题的理解。尤其是所完成的液化侧向扩展场地桩基大型振动台试验、针对试验所做的大量的数值模拟分析和实际液化侧向扩展场地群桩基并行计算数值模拟分析,以及分析所获得的一些认识。这将为同类试验和数值模拟研究提供必要技术细节,对于进一步深入研究液化侧向扩展场地桩基地震响应特性具有重要意义,并为逐步完善液化侧向扩展场地桩基抗震设计积累宝贵的基础资料。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TU473.1;TU435

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1 苏雷;液化侧向扩展场地桩—土体系地震模拟反应分析[D];哈尔滨工业大学;2016年
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