强震作用下近断层桥梁桩基动力响应

为探明强震作用下断层上、下盘桥梁桩基动力响应差异,依托海南省海文大桥工程,通过振动台模型试验,研究了0.15g～0.60g地震动强度作用下断层上、下盘桩基的桩身加速度、桩顶相对位移、桩身弯矩响应规律差异与桩基损伤特征。研究结果表明：在不同地震动强度作用下,断层上、下盘桩基的桩顶加速度峰值相差0.291～0.488 m·s^-2,桩顶加速度放大系数相差0.067～0.195,原因为断层对两侧岩土体影响范围存在差异与桩周岩土体“非线性”差异;随着地震动强度的增大,断层上、下盘桩基的桩顶相对位移差值逐渐增大,最大差值为0.77 mm;断层上、下盘桩基的弯矩最大值相差5.294～82.932 kN·m,且弯矩最大值均出现在覆盖层软硬土交界面与基岩面附近,原因在于下盘作为稳定盘,受上盘土体挤压作用,对下盘岩土体的振动剪切有一定抑制作用;地震动强度为0.35g时,断层上、下盘桩的最大弯矩均未超过抗弯承载力,满足海文大桥抗震设防烈度Ⅷ度(0.35g)的要求;地震动强度为0.35g～0.45g时,断层上盘桩的基频变化幅度较小,地震动强度为0.50g～0.60g时,断层上盘桩的基频显...     

强震作用下的砂土液化对桩基力学特性影响

为了提高位于液化土层桥梁桩基的抗震性能, 基于三向六自由度大型振动台模型试验, 分析了地震波作用下桩顶水平位移、桩身加速度及弯矩等动力响应, 并研究了地震波加载后桩基的损伤。试验结果表明: 在地震波作用下, 随着液化层埋深的增加, 土体液化后产生的侧扩效果逐渐减弱, 因此, 桩顶水平位移峰值逐渐减小, 但是当地震加速度超过0.6g时, 桩顶水平位移峰值不受液化层埋深的影响; 因地震荷载作用下粉细砂土层液化, 桩身加速度在该土层位置明显增大; 上部覆盖层压力作用使土层抗剪强度增大, 因此, 桩顶放大系数随着液化层深度的增加而增大, 且桩顶放大系数在Kobe波作用下最大, 5002波作用下最小, 砂土液化同时造成土层强度降低, 从而使桩身加速度在该土层出现放大效应; 桩身弯矩最大值均出现在液化层和非液化层分界处, 且在相同强度地震波作用下, 桩身弯矩最大值随着液化层埋深的增加呈增大趋势, 当地震加速度从0.30g增大到0.35g后, 桩身弯矩增幅为33.3%, 增幅最大; 不同类型地震波对桩基的破坏程度并无差异, 在加速度0.35g作用下, 桩基基频无变化, 但当地震波强度超过0.40g时, 桩基基频从1.65 Hz突降到0.45 Hz, 因砂土层液化产生侧向位移, 桩身剪切变形, 最终导致桩基损坏。综上所述, 当液化层较浅时, 应重点考虑地震波作用下过大的桩顶水平位移; 在桩基抗震设计时, 必须考虑液化层和非液化层分界处桩基的抗弯能力和液化层埋深的影响。     

地震作用下特大型桥梁嵌岩桩基础动力响应

依托铺前大桥实体工程, 基于人工质量模型和桩-土惯性相互作用机理, 通过振动台模型试验, 选用叠层剪切式模型箱, 模拟了自由场在地震作用下的振动反应, 分析了0.15g ~0.60g (g为重力加速度) 地震动强度下大直径桥梁嵌岩桩基础加速度、相对位移、弯矩等响应特性和损伤情况等。研究结果表明: 桩基础加速度峰值从桩底至桩顶呈增大趋势, 加速度放大系数随地震动强度的增大逐渐减小, 输入地震波为0.55g 时, 桩顶加速度放大系数趋于稳定值1.34;桩顶加速度时程响应频率低于桩底加速度时程响应频率, 上部覆盖层对地震波的放大作用和滤波效应明显; 随着地震动强度的增大, 桩顶相对位移峰值近似呈线性增大, 在0.15g ~0.60g 地震动强度下, 桩顶相对位移峰值变化范围为1.97~6.73mm; 桩基础弯矩沿桩长呈“3”字形变化, 上部软硬土层分界处和基岩面附近弯矩达到峰值, 并随地震动强度的增大而增大, 地震动强度为0.50g 时达190.9kN·m, 超过桩身抗弯承载力; 桩基础基频随地震动强度的增大呈整体降低趋势, 在0.50g 地震动强度下, 其基频较0.35g 地震动强度下低50.1%, 桩基础产生损伤; 桩顶与承台连接处、上部覆盖软硬土层界面和基岩面附近桩身在地震作用下易产生裂缝, 桥梁桩基础抗震设计时应着重考虑。     

桩-土-断层耦合作用下桥梁桩基竖向承载特性

基于海南铺前大桥, 采用室内模型试验与数值仿真, 分析了断层-桩-岩土相互作用时桥梁桩基的距离效应与承载特性。研究结果表明: 在模型试验中, 对于直径为6.3 cm, 长度为60 cm的桩基, 当断层与桩基水平距离由9.45 cm增加到22.05 cm时, 承载力增幅为26.7%, 当水平距离由22.05 cm增加到31.50 cm时, 承载力增幅仅为3.8%, 断层与桩基水平距离对桩基承载力影响度降至6.5%, 可以忽略; 当桩长一定, 荷载相同时, 断层与桩基水平距离越小, 桩身轴力变化越小; 当断层与桩基水平距离由9.45 cm增加到22.05 cm时, 桩身30 cm处桩侧阻力增大了0.059 kN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了44.5%, 当水平距离由22.05 cm增加到31.50 cm时, 桩侧阻力增大了0.029 kN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了8.3%。在数值仿真中, 在桩基直径为1.5 m, 长度为30 m, 覆盖层厚度为10 m的工况下, 当断层与桩基水平距离由1.5 m增加到6.0 m时, 承载力增幅由11.0%减小到6.5%, 当水平距离由6.0 m增加到7.5 m时, 承载力增幅减小到4.9%;当断层与桩基水平距离由7.5 m减小到1.5 m时, 桩身轴力沿桩长方向减小趋势逐渐变缓, 当桩长一定, 荷载相同时, 断层与桩基水平距离越小, 桩身轴力变化越小; 当断层与桩基水平距离由1.5 m增加到6.0 m时, 桩身16 m处桩侧阻力增大了1.90 MN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了28.0%, 当水平距离由6.0 m增加到7.5 m时, 桩侧阻力增大了0.33 MN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了5.0%。模型试验与数值仿真结果均表明, 在5倍桩径范围内, 桩基竖向承载特性受断层与桩基水平距离的影响较大; 超出5倍桩径后, 水平距离的影响较小, 甚至可以忽略; 断层与桩基水平距离对承载力、桩侧阻力的影响度与桩侧阻力占比的仿真值均减小较快, 在水平距离为5倍桩径时, 较模型试验值分别降低了2.2%、6.0%、0.174, 结果较理想化, 可用作工程参考。     

强震作用下群桩基础抗液化性能的振动台试验

为研究强震作用下群桩基础抗液化性能优于单桩基础的具体表现形式,依托海南省海文大桥工程,采用振动台模型试验开展单桩、四桩、六桩基础处理液化地基的差异性研究,分析了3种不同工况下饱和粉细砂土层中孔压比、桩身加速度和弯矩时程响应差异及其三者相互关系。研究结果表明：0.35g地震动荷载作用下,3种工况均产生液化现象,饱和粉细砂土层深处的孔压比开始增长时刻及稳定时刻均滞后于浅层;六桩基础完全液化耗时比四桩基础延缓4.41~4.82 s,四桩基础完全液化耗时比单桩基础延缓4.00~4.42 s;随着桩数的增加,同一深度处饱和粉细砂土层中桩身最大加速度及其放大系数均逐渐减小,桩身最大加速度出现时刻逐渐滞后,且随着孔压比的增大,桩身加速度逐渐减小;六桩基础最大弯矩较四桩基础小25.95%~43.50%,四桩基础最大弯矩较单桩基础小28.80%~33.10%,单桩基础最大弯矩出现时刻比四桩基础早1.22~1.27 s,四桩基础较六桩基础提前0.66~0.72 s,且桩身弯矩随孔压比的增大逐渐衰减,说明液化前饱和粉细砂土层具有软化减震作用。可见,六桩基础抗液化性能优于四桩及单桩基础,在液化土层桩基础抗震设计中,可通过群桩基础形式提高其抗液化性能。     

黄土陡坡桩基受力变形特性参数分析

以山西右平高速沿线某在建陡坡桥梁桩基工程为依托,采用数值仿真手段对不同土体强度、临坡距和坡比下桩基的受力变形特性进行研究。研究结果表明,土体强度、临坡距以及坡比对黄坡土陡上桩基受力变形特性影响较大。当土体强度较小、临坡距较小、坡度较大时,桩基最大位移出现在桩头位置,最大弯矩出现在桩体中部位置,且为正弯矩;当土体强度、临坡距以及坡度达到一定界值时,桩基受力模式发生转变,桩身由正弯矩转化为负弯矩。     

堆载宽度对邻近桥梁桩基的影响

采用数值方法对堆载土体对邻近桩基的水平位移、应力以及弯矩进行模拟分析。结果表明:不同分布宽度堆载基本不会影响桩底位移,且位移主要发生在地表上侧桩身。随着堆载分布宽度增大,桩身水平位移不断增大,在地面以上部分桩身水平位移基本一致,而在地面下部分,桩身水平位移从桩底到地面基本呈线性增大。不同分布宽度堆载对桩身水平应力作用规律基本相同,即从桩底到桩顶,应力先增大到峰值后回落,应力最大值区间基本在-5～-15m范围内,且随着堆载宽度的增加,桩身最大水平应力逐渐增大,但增大速率逐渐减缓。不同分布宽度堆载对桩身弯矩作用规律相同,堆载在不同宽度时对桩身弯矩影响最大位置在地表以下标高-2m附近。     

整体式斜交桥中桥台钢桩地震响应

采用有限元分析软件SAP2000建立了某整体式斜交桥的三维结构模型,通过离散非线性弹簧单元模拟桥台-台后土以及H型钢桩-桩周土的土-结构相互作用,通过一系列双向地震作用下的非线性时程分析,研究了桩的朝向、桩周土刚度及桩头转动刚度对整体式斜交桥中H型钢桩地震响应的影响规律。研究结果表明：双向地震作用下,H型钢桩的横桥向位移显著大于纵桥向,且受桩朝向的影响更为明显,强、弱轴弯矩均呈正反双向分布,屈服面函数最大值一般位于桩顶,另一峰值则位于桩身2～4 m埋深处;钢桩绕强轴弯曲布置时,桩顶纵桥向位移相比绕弱轴弯曲时降低18.2%,但横桥向位移增大47.7%,桩顶处绕强轴弯矩增加约3.9倍,桩身反向强轴弯矩峰值降低67.0%,桩顶处绕弱轴弯矩基本不变,桩身反向弱轴弯矩峰值增加约1.0倍;随着桩周土刚度的降低,桩顶纵、横桥向位移增大,桩顶屈服面函数值降低,而桩身屈服面函数峰值增加,桩身更不易保持弹性;当桩头采用柔性连接时,桩顶纵、横桥向位移均增大,桩顶屈服面函数值降低,有利于保护桩头,而桩身屈服面函数峰值增加,当桩头转动刚度过低时甚至可能大于桩顶刚度,导致桩身在罕遇地震作用下先进入塑性。     

陡坡桥梁桩基水平承载特性分析

本研究以某陡坡桥梁桩基为研究对象,建立了倾斜荷载作用下桩基的有限元模型,分析了荷载加载顺序、荷载类型、桩身弹模和土体主要力学特性等因素对陡坡桥梁桩基水平承载特性的影响规律。研究结果表明:施加竖向荷载会增加桩顶水平位移和桩基内力,竖向荷载对桩顶水平位移的作用机理应同时考虑“P-△”效应和桩周侧向的土压力效应。本研究提出了坡顶荷载-桩身最大弯矩关系的三阶段特征,揭示了土体黏聚力、内摩擦角和弹性模量均与桩顶水平位移呈递减关系。该研究成果可为山区陡坡桥梁的设计与施工提供参考。     

地震地基液化大变形对桥梁桩基危害性三维数值分析

为研究地震地基液化大变形对桥梁桩基的危害性, 建立了含液化层的二层与三层土体系计算模型, 考虑桩土共同作用的非线性关系, 利用FLAC-3D有限差分软件对液化侧扩地基中的单桩、群桩进行了动力有限差分分析, 探讨了地基液化大变形条件下桩基位移与内力变化分布规律。分析结果表明: 二层与三层土体中, 液化土层和非液化土层交界面处产生的桩身弯矩极值是控制桩身破坏的关键因素, 液化土层本身对桩身弯矩的影响很小; 桩帽对桩顶的侧移有一定制约作用, 但对桩身弯矩极值的影响不显著; 群桩中上坡桩与下坡桩的侧向位移与桩身弯矩分布模式相似, 但上坡桩发生的侧向位移和桩身弯矩要略大于下坡桩情况。     

地铁隧道邻近地裂缝带的地震响应

采用数值模拟方法, 在不同震级人工地震波作用下, 研究了具有近距离平行地裂缝的地铁隧道的加速度、位移和内力特征, 计算了地裂缝的影响区域、围岩动土压力变化规律和隧道与围岩接触动土压力变化规律。研究结果表明: 在地表距隧道水平距离约25~50m范围内加速度响应存在一个附加放大区域; 当输入地震动强度较小时(50年超越概率为63%), 地铁隧道拱顶和拱底处相对水平位移都较小(约为0.39mm), 但随着输入地震动强度的增大(50年超越概率为2%), 拱顶和拱底的相对水平位移均逐渐增大, 最终增大至1.53mm; 在地震动作用下, 隧道结构的左、右拱肩和拱脚处的轴力都较大, 其中右拱脚处的轴力最大, 为1 926kN; 隧道结构的左、右拱腰处的弯矩和剪力都较大, 其中最大弯矩与最大剪力在右拱腰处, 分别为78.54kN·m与1 830kN; 随着地震动强度的增大, 隧道结构的内力逐渐增强; 地裂缝附近的动土压力较大, 并向两侧逐渐减小; 在中震作用下隧道拱顶处, 地裂缝上盘影响宽度为25m, 下盘影响宽度为20m, 在拱底处, 地裂缝上盘影响宽度为26m, 下盘影响宽度为22m;在大震作用下, 地裂缝上、下盘影响宽度较中震时增大约35%;地裂缝附近的隧道拱顶和拱底的动土压力变化规律与无地裂缝时基本一致, 但隧道结构附近的动土压力较大, 其最大值为138kPa; 在地震动作用下, 隧道结构拱腰处的接触动土压力增量较大, 右拱腰处即靠近地裂缝一侧最大, 增量为45.27%, 拱顶次之, 增量为13.41%, 拱底最小, 增量为6.86%。     

苏瓦纳米机场轻轨工程高架桥梁桩基受冲刷的影响分析

水流冲刷是造成桥梁毁坏的重要原因之一。以苏瓦纳米机场轻轨工程高架桥梁桩基为例,建立了桥墩局部冲刷形态模型,分析了桩基变形、桩身轴力及桩侧摩阻力受冲刷的影响,同时分析了受不均匀冲刷时桥梁桩基性能的变化。计算结果表明:局部冲刷对桥梁有严重影响且会影响到其他桩基,上游桩基受冲刷造成的地表变形对下游桩基有一定的影响;得到桩身轴力及摩阻力所受冲刷影响范围及峰值所在位置。可以为工程设计提供参考。     

不同堆载形式对邻近既有桥梁桩基的影响

采用数值方法研究了不同堆载分布宽度和高度对邻近桩基的水平位移、应力以及弯矩的影响,结果表明:不同堆载分布宽度基本不会影响桩底水平位移;随着堆载分布宽度增大,桩身水平位移不断增大,在地面以上部分桩身水平位移基本一致,而在地面以下部分,桩身水平位移从桩底到地面基本呈线性增大;不同分布宽度堆载对桩身水平应力作用规律基本相同;不同分布宽度堆载对桩身弯矩影响基本相同。堆载高度对左右桩的竖向位移影响规律不同;对于邻近堆载体的桩基,堆载会影响整个桩身水平位移,随着荷载的增加,桩身水平位移整体呈现增长趋势,且最大值基本分布在顶部,位移方向水平向右,同时堆载还会影响右侧整个桩身水平位移。研究结果可为分析桥梁桩基稳定提供参考。     

柔性接头地铁隧道穿越地裂缝的地震响应

采用振动台模型试验, 模拟地震荷载和地裂缝场地沉降, 分析了穿越地裂缝区域且设置柔性接头的分段地铁隧道的动力响应, 研究了地裂缝场地沉降、裂缝发育特征、地铁隧道加速度响应特征、土压力与隧道各区段不同部位的应变规律。分析结果表明: 由地裂缝场地沉降与地震荷载耦合作用所产生的差异沉降和裂缝多集中于柔性接头部位; 各区段地铁隧道间的运动具有一定独立性, 上盘靠近地裂缝的地铁隧道的加速度峰值是下盘隧道的3.2倍; 距离地裂缝越近土压力越大, 且在耦合荷载作用下, 上盘土压力是下盘土压力的6.7倍; 地铁隧道各区段左右拱腰应变较大, 底板处应变次之, 拱顶部位应变较小; 柔性接头设置后各区段应变增率减小, 在距离地裂缝较近部位未出现明显的应变增加现象。可见, 在地震荷载与地裂缝场地沉降耦合作用下, 柔性接头能够减小地铁隧道地裂缝位置处的集中应力与地裂缝场地的变形。     

桥梁桩基冲孔桩施工的微振动响应研究

运用微地震监测系统对桥梁桩基冲孔桩施工的微振动响应进行了研究与探索.通过在施工现场进行的微震试验,分组采集施工荷载作用下的波形数据,对试验的数据进行相关分析,研究冲孔桩施工引起的地表振动加速度和能量的衰减规律,分析冲击能和桩孔深度对振动速度的影响.试验结果表明:冲孔桩施工时,岩土介质中冲击振动能量随传播距离的增加呈乘幂...     

侧墙开洞拱形地铁车站结构三维地震响应分析

基于数值模拟的方法,建立了土—拱形地铁车站侧墙开洞接通道相互作用的三维数值分析模型,研究了其在水平地震作用下的动力响应规律。结果表明,开洞部位结构边墙或中柱的加速度峰值随着开洞数量的增加而减小,而下边墙的加速度略大于上边墙的加速度;开口部位结构侧墙的最大压应力随开洞数量的增加逐渐增加、弯矩幅值却逐渐减小,而中柱的最大压应力和弯矩幅值均逐渐增加;开洞部位的加速度峰值、相对位移峰值及应力或内力幅值均与侧墙开洞形式有关,正方形开洞工况下的加速度相对最大、横矩形次之、圆形最小;相同开洞面积时,侧墙横向矩形开洞引起的地震反应比竖矩形的略大,开洞角部是抗震设计的薄弱环节。     

含倾斜夹层场地动力响应的大型振动台试验研究

为了研究含倾斜夹层场地在地震作用下的动力响应及为可能的场地加固提供指导,基于大型振动台模型试验,研究了含倾斜夹层场地在El Centro地震波作用下的加速度、应变及位移响应特征,同时通过频谱分析讨论了夹层对场地稳定性的影响,并用拟静力分析得到场地的启动临界加速度及场地的稳定系数. 试验结果表明:夹层对于加速度峰值存在明显的削弱效果,加载地震波峰值越大,削弱程度越大,同时基岩中加速度放大系数呈现“量级饱和”特征;夹层处应变峰值最大,当加载地震波峰值大于0.33g时,场地平台与斜坡拐角下基覆中存在另一峰值,应变形状呈现“W”形;夹层对20 Hz附近频段的傅里叶幅值有一定的削弱作用,同一土层反应谱卓越周期基本一致,不同土层反应谱差别较大,夹层处（0.31 s）卓越周期大于基岩（0.19 s）与基覆处（0.21 s）;拟静力分析显示0.33g时场地的稳定系数为3.16,强风化带启动的临界加速度为1.42g.      

行波效应对长跨连续刚构桥地震响应的影响

为了研究行波效应对于桥梁地震响应的影响,以一座实际工程高桩大跨度连续刚构桥(70+7×105+70)m为例,通过Midas/civil软件建立有限元模型,运用相对运动法对其进行地震动时程分析。考虑了2种地震波和3种视波速的不同组合,对比分析了行波效应对桥梁地震响应的弯矩和剪力。计算分析表明,对于不同的地震波输入,其对弯矩和剪力的影响有较大的差别。行波效应对于桥梁不同位置地震响应内力值影响的程度和变化趋势不同,但总体是随着视波速的增大,行波效应对内力的影响程度减小,墩底弯矩在视波速为500 m/s时减小-17.11%;800 m/s时减小-11.22%;1 000 m/s时减小-8.83%。且这种变化的规律在桥梁顺桥向空间上有一定的规律性。     

盾构开挖引起邻近单桩水平向变形解析研究

为了探索邻近桩基在盾构开挖下水平变形规律，提出了一种邻近桩基水平向受力变形响应的解析方法。首先，基于Loganathan公式获得周围土体在隧道开挖影响下的自由位移，将既有桩基简化成欧拉梁，桩-土相互作用采用Kerr地基模型，建立既有桩基水平向受力平衡方程，从而获得单桩水平变形解析解。通过与有限元GEPAN数据对比，验证了该方法的合理性；与既有的理论解析对比，该方法更贴近有限元GEPAN数据。参数分析表明：增大盾构隧道埋深会致使桩基水平向最大变形位置深度增大，同时会引起桩身最大位移增大；桩基水平向变形响应会随着地层损失比增加而逐渐增大；桩基水平向位移会随着桩基与隧道水平距离的增大而减小，但桩身产生最大水平位移处埋深会随之减小。     

组合荷载作用下斜坡桩基水平承载特性研究

斜坡桩由于斜坡的存在承载力与平地桩有较大的不同， 现阶段设计中一般通过设计人员经验进行承载力折减， 不能准确体现斜坡桩的实际承载力。 为明确折减方法， 通过一系列的数值模拟来研究水平力及弯矩组合作用下的斜坡桩基水平极限承载力特性。 具体考虑了弯矩、 坡度、 竖向力三个因素对斜坡桩基水平承载力的影响。 研究结果表明： 随着弯矩的增大， 桩基水平极限承载力显著下降后会维持平稳， 不同坡度下， 弯矩对水平极限承载力的相对折减值接近， 可用公式拟合； 随着坡度的增大， 桩基水平极限承载力的下降趋势在不同弯矩下趋同， 为线性下降， 可拟合后供实际使用； 竖向力对桩基水平极限承载力起有利作用， 坡度越大有利作用越大， 但均不显著； 土体性质影响斜坡桩基水平极限承载力， 但土体性质对水平极限承载力相对折减值影响较小。 总体来说， 坡度及弯矩对桩基水平承载特性影响最大， 竖向力及坡度影响较小。 设计时通过坡度及弯矩对平地桩水平极限承载力进行折减可得组合受荷斜坡桩的水平极限承载力。