【摘要】：可液化地基中樁基礎(chǔ)震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律是巖土工程抗震領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)研究課題之一。本文結(jié)合震害資料分析、動(dòng)力離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，揭示了可液化地基中單樁基礎(chǔ)在地震過(guò)程中的震動(dòng)規(guī)律和震后受力與沉降規(guī)律，從本構(gòu)關(guān)系、數(shù)值算法到建模方式形成了一套可液化地基中單樁基礎(chǔ)震動(dòng)響應(yīng)計(jì)算方法。論文主要在以下方面取得新成果： （1）建立了三維砂土液化大變形統(tǒng)一本構(gòu)模型及其并行數(shù)值算法，發(fā)展了針對(duì)可液化地基中樁基礎(chǔ)震動(dòng)的三維彈塑性有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析方法。該本構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同狀態(tài)砂土單調(diào)和循環(huán)加載以及液化前后力學(xué)行為的統(tǒng)一描述。在該模型數(shù)值實(shí)現(xiàn)中，解決了應(yīng)力積分，三維映射規(guī)則求解和并行化問(wèn)題。對(duì)經(jīng)典單元和邊值問(wèn)題的模擬驗(yàn)證了本構(gòu)模型和數(shù)值算法的有效性。三維彈塑性有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析方法能夠有效地模擬可液化地基中單樁基礎(chǔ)的動(dòng)力離心模型試驗(yàn) （2）建立了考慮中性面位置變化的固結(jié)和震后再固結(jié)過(guò)程中樁基礎(chǔ)軸力和沉降的計(jì)算方法，提出了修正中性面實(shí)用計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)固結(jié)和震后再固結(jié)離心模型試驗(yàn)的模擬，驗(yàn)證了計(jì)算方法的有效性。 （3）揭示了可液化地基中單樁基礎(chǔ)的震動(dòng)規(guī)律，包括基本受力機(jī)制、運(yùn)動(dòng)與慣性相互作用耦合模式，以及震動(dòng)響應(yīng)影響因素。樁頭轉(zhuǎn)動(dòng)約束的差異導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)相互作用在有承臺(tái)與無(wú)承臺(tái)兩種工況中產(chǎn)生相反的彎曲方向，有承臺(tái)工況中慣性與運(yùn)動(dòng)相互作用產(chǎn)生彎矩方向相反，無(wú)承臺(tái)工況中兩者方向相同；樁-土-上部結(jié)構(gòu)體系總的動(dòng)力相互作用產(chǎn)生的彎矩為兩種相互作用產(chǎn)生的彎矩的矢量和；對(duì)有承臺(tái)和無(wú)承臺(tái)單樁基礎(chǔ)的受力，運(yùn)動(dòng)相互作用和慣性相互作用分別起主要作用；傾斜地基中側(cè)向殘余彎矩隨側(cè)向流動(dòng)增大而增大，，并可能為彎矩峰值；表層非液化層的存在可導(dǎo)致土層交界處彎矩出現(xiàn)最大值。 （4）分析了震后再固結(jié)過(guò)程中單樁基礎(chǔ)的軸力與沉降變化規(guī)律。液化地基震后再固結(jié)過(guò)程中負(fù)摩阻力引起的樁基礎(chǔ)軸力最值與固結(jié)過(guò)程無(wú)關(guān)，僅受地基最終狀態(tài)影響；再固結(jié)過(guò)程中樁基礎(chǔ)的沉降主要受中性面位置的控制，中性面位置受再固結(jié)過(guò)程影響。
【圖文】：

譬如阿拉斯加地震中尚未開(kāi)始建設(shè)上部結(jié)構(gòu)的 605A 橋（圖2.2）；亦有震后液化后地基土層側(cè)向流動(dòng)引起的樁基礎(chǔ)破壞，例如著名的新瀉昭和橋（圖 2.3 和圖 2.4）。當(dāng)結(jié)構(gòu)慣性作用較大或地基運(yùn)動(dòng)變形較小時(shí)，慣性相互作用也可能成為樁基礎(chǔ)震害發(fā)生的重要誘因，如阪神地震中在無(wú)側(cè)向流動(dòng)地基上的某 3 層建筑（圖 2.5）。更多情況下，可液化地基中樁基礎(chǔ)的側(cè)向震害是由運(yùn)動(dòng)相互作用與慣性相互作用共同耦合形成的動(dòng)力相互作用造成的，最典型的震害實(shí)例如新瀉地震中發(fā)生破壞的 NHK 和 NHFC建筑樁基礎(chǔ)（圖 2.6）。在樁土運(yùn)動(dòng)相互作用為主引起的樁基礎(chǔ)破壞中，兩個(gè)值得特別注意的震害實(shí)例分別是阿拉斯加地震中 605A 橋和唐山地震中天津新港海洋石油研究所單層排架廠房樁基礎(chǔ)的破壞。其共同特點(diǎn)在于，地震發(fā)生時(shí)兩工程均尚未開(kāi)始上部結(jié)構(gòu)的建設(shè)，即樁基礎(chǔ)幾乎是在樁土運(yùn)動(dòng)相互作用下發(fā)生了破壞。其中，阿拉斯加地震中 605A 橋作為其上游老 605 橋的替代橋梁，在地震發(fā)生時(shí)僅完成了樁基礎(chǔ)和橋墩的建設(shè)。橋梁的 27m 混凝土鋼管樁基礎(chǔ)震后在樁頂發(fā)生了 15°傾斜（圖 2.2）。該橋所在 Snow River 河谷砂土層 12~18m深度以內(nèi)砂土標(biāo)貫擊數(shù)僅有 5~10，松砂層以下的細(xì)砂層擊數(shù) N 則為 30 左右（Ross

2.3 昭和大橋在新瀉地震后照片（Hamada，19向流動(dòng)引起的樁基礎(chǔ)破壞的最為著名的實(shí)例是新3）。這一震害實(shí)例屬于有側(cè)向流動(dòng)和上部結(jié)構(gòu)但破壞現(xiàn)象明顯，震后震害調(diào)查相對(duì)充分，因此已究方面的一個(gè)標(biāo)志性案例，對(duì)于樁土相互作用研和橋長(zhǎng) 303.9m，寬 24.0m，由 12 跨組成，每?jī)煽玟摴軜吨�。Iwasaki（1986）在其震害報(bào)告中指基表面 7~8m 深度范圍土層產(chǎn)生了向河心方向的向位移達(dá)到了 1~2m。Yoshida et al（2007）在對(duì)大橋的倒塌大約在主震后 70s 以后發(fā)生，大橋的 跨連鎖的坍塌（圖 2.3）。后來(lái)將破壞最為嚴(yán)重 2.4 中給出了該樁基礎(chǔ)的變形。該樁長(zhǎng) 25m，所6mm 段組成，底部 13m 由一段壁厚 6mm 鋼管組向河心方向發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲破壞，并在河床以
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TU473.1;TU435

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2579572