液化场地桩-土-结构体系动力反应与抗震分析

第1章绪论 1.1工程背景与存在问题 桩基具有承载力高、稳定性好、适用性广和沉降小等优点，广泛用于桥梁、港口等建筑物中［1］。然而，历次震害调查表明强震下场地液化是桩基结构显著破坏的重要原因［2-10］。例如，在1964年日本新潟（Niigata）地震、1964年美国阿拉斯加（Alaska）地震、1975年中国海城地震、1976年中国唐山地震、1995年日本阪神地震、2008年智利康塞普西翁地震、2008年海地太子港地震、2011年日本东北大地震等历次强震中，均发现了大量因场地液化而引起桥梁桩基严重破坏的典型实例，并且若液化土体上覆于非液化硬土层，桥梁桩基毁坏尤其严重。该现象已成为工程抗震分析与安全性评价的一个重要且备受关注的科学问题［11-13］。液化场地桩-土-结构体系动力相互作用的物理过程极其复杂，粗糙的桩基动力响应分析模型与抗震措施很可能导致精细的上部桥梁结构抗震措施变得无效［14-15］。为此，深入研究液化场地桩-土-结构体系动力响应与抗震分析，对解决液化场地桩-土-结构体系抗震问题有着极其重要的作用［16］。 近年来，我国基础建设发展速度日益加快，且较多采用桩基。我国地震多发，且分布广、强度大，建设一般位于可液化场地，所以桩基结构抗震已成为我国亟待解决的棘手问题［17］。目前，我国现行规范中液化场地桩基抗震设计存在明显的缺陷，规范中一般不考虑桩-土-结构体系动力相互作用与土体液化效应对桩基结构抗震性能的不利影响，存在较明显不足［18-21］。相比之下，美国、日本等的规范中针对液化场地桩基抗震设计有较详细的规定，并发展了基于性能的桩基抗震设计方法。产生如此差距的原因有两方面：一方面是我国在桩基抗震分析方面研究尚不够深入，对桩基震害的潜在威胁认识不足［12］；另一方面是我国现行的液化场地桩基抗震设计规范制定主要基于20世纪70年代唐山地震、海城地震等震害经验，限于当时的经济水平，且桩基使用并不广泛，虽然地震场地液化较多，但是较少见到场地液化桩基震害事例，故而长期未重视液化场地桩基抗震设计的研究，造成我国液化场地桩基结构抗震现状不容乐观。近年来，国内外学者已逐步认识到解决这一问题的严重性与紧迫性。鉴于上述，团队针对强震作用与液化场地条件，研究桩-土-结构体系动力响应与抗震分析方法，历经20多年攻关创新与实践，在液化场地桩-土-结构体系动力相互作用模型试验、理论分析和基于性态的抗震理论与方法等方面做了一些创新性的工作，对于进一步提高我国桩基抗震设计水平且尽快与国际接轨，努力保障我国桩基工程抗震性能与地震安全性，逐步完善我国抗震设计规范在液化场地桩基抗震设计方面的关键技术细节，无疑具有重要的科学意义与工程价值。 1.2桩基地震响应与抗震分析 液化场地桩-土-结构体系动力响应与抗震分析目前仍处于在震害分析、振动台及离心机试验基础上，积极探索发展合适的数值方法阶段。一方面为完善现有试验技术及方法并积累基础数据，继续开展试验研究；另一方面以有效应力分析为基础的整体有限元分析模型，以非线性文克尔地基梁假定为基础的实用p-y曲线分析模型与以比奥两相介质动力学理论为基础的桩-土-结构体系动力相互作用分析模型等为代表的数值方法也取得长足进步，发展的分析方法也逐步纳入相应的抗震设计规范。 1.2.1液化场地桩-土-结构体系动力相互作用模型试验 试验研究是分析液化场地桩-土-结构体系动力相互作用直接且重要的手段之一，主要包括振动台试验、离心机试验和现场试验。 1.振动台试验 1964年Niigata地震和Alaska地震中大量桩基破坏是促使研究者采用振动台试验研究液化场地桩基抗震的*直接原因［12］。国外，日本的Kubo［22，23］是世界上**位注意模型相似比并较早进行桩-土-结构体系动力相互作用振动台试验的学者，Kagawa和Kraft［24］首次输入正弦波进行砂土液化对桩-土-结构系统整体刚度影响的振动台试验。国内，刘惠珊［25］*早进行液化场地桩基振动台试验，只是未考虑上部结构。作者带领团队于2006年实施了一系列高频强震波输入下液化场地桩-土-结构体系相互作用振动台试验，为后续开展类似试验积累了有益经验；2009年和2013年分别在中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动实验室完成了正弦波输入下液化场地桩-土-结构体系相互作用振动台试验，实施了液化侧扩流场地桩-土-结构体系相互作用振动台试验；2016年在南京工业大学江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室完成了液化场地桩基弯曲-屈曲耦合失效振动台试验，验证惯性荷载和轴向荷载共同作用引起液化场地桩基屈曲失效，所开展的振动台试验系统研究了液化场地桩-土-结构动力相互作用特征、桩基失效机理和安全性评价等［26-31］。 2.离心机试验 国外，Fiegel和Kutter［32］首次利用离心机试验考察了微斜液化场地地震响应特征。Abdoun［33］和Wilson等［34］研究了液化场地单桩和群桩动力响应规律与力学特征。国内，苏栋和李相菘［35］、汪明武等［36］研究了地震下液化场地单桩上土压力变化规律，以及液化侧扩流斜坡场地群桩地震响应特征。王睿［37］系统地探究了液化场地单桩受力机制、运动荷载与惯性荷载的耦合模式。刘星［38］率先研究了水平和竖直地震联合作用下液化场地群桩基础的动力响应特征。Zhang等［39］发现液化侧扩流场地斜桩的前桩大于后桩的弯矩。2019年，作者带领团队在中国水利水电科学研究院离心机试验室，完成了实测强震输入下液化斜坡场地高桩码头地震反应离心机振动台试验［40］。 3.现场试验 由于地震的突发性和不确定性，在地震区布置地震观测仪器记录地震输入下液化场地桩-土-结构体系动力相互作用响应显然是不现实的。但是考虑到现场试验可以真实地反映桩-土-结构体系动力相互作用、应力应变环境等优点，这是室内试验无法准确模拟的。所以，研究液化场地桩-土-结构体系动力响应与抗震分析的现场试验显得尤为必要，也是对室内模型试验的有益补充。Ashford等在日本十胜（Tokachi）人工岛上采用“人工爆破”触发场地液化，桩头施加循环荷载，实施足尺单桩与群桩试验，评价了单桩与群桩的侧向承载特性，发现液化土体侧向大位移显著大于桩的变位［41］。美国杨百翰大学与加利福尼亚大学圣地亚哥分校合作实施了金银岛爆炸液化试验（Treasure Island liquefaction test，TILT）工程，采用爆炸触发场地液化方法，进行水平循环荷载下原型桩测试［42，43］。 1.2.2液化场地桩-土-结构体系动力相互作用理论分析 桩-土-结构体系动力相互作用的理论研究主要包括文克尔地基梁法、有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法、混合法等多种方法，其中以文克尔地基梁法和有限元法应用*为广泛。 1）文克尔地基梁分析方法 Matlock等［44］*早提出文克尔地基梁法，并首次将文克尔地基梁法扩展至桩-土-结构体系动力相互作用分析中。文克尔地基梁法是将桩-土相互作用通过一系列离散弹簧替代，相邻弹簧彼此独立。此时，桩-土相对位移不仅仅与桩自身的变形有关，还与自由场地土体位移有关。桩-土相互作用文克尔地基梁法已有较长研究历史，并发展了多种非线性文克尔地基梁模型，如Novak模型［45-48］、Kagawa模型［49，50］、Nogami模型［51，52］以及Otani、Naggar、Rojas等改进模型［53，57］。实践表明，当桩周土开始液化，这些模型并不能准确预测桩基动力响应。为此，针对可液化场地桩-土-结构体系地震相互作用，文克尔地基梁法的研究已成为国内外关注的焦点问题，并逐步进行不少尝试性工作并取得一些有益成果。 针对可液化场地，文克尔地基梁法的关键是合理选取液化砂土p-y曲线模型［58］。多数情况下，通过土的标准p-y曲线构建液化砂土非线性弹簧。事实上，研究者真正开始关注液化砂土p-y曲线建立的问题始于日本公路桥梁设计规程（日本道路协会，1980）［59］和铁路设施设计标准（铁道技术研究所，1992）［60］，其采用静力安全系数折减法修正标准p-y曲线建立液化砂土p-y曲线［61］。国内外通过离心机振动台试验和振动台试验，结合少量现场足尺试验并辅于数值模拟技术外推考虑基本参数变化对液化砂土p-y曲线的影响，获得液化砂土p-y曲线模型，并开始用于桩基设计。目前主要采用5种方法建立液化砂土p-y曲线：①考虑液化砂土压力衰减效应的p-乘因子法，这也是表述液化砂土p-y曲线*普通的方法之一；②Goh等建议的采用与软黏土p-y曲线形状相似并用不排水残余剪切强度表示土压力的不排水残余剪切强度法；③无强度法；④Gerber通过现场试验并采用数学拟合方法建立了液化砂土p-y曲线经验方程（未考虑砂层孔压比影响）；⑤Menchawi基于大量振动台试验、离心机试验和现场试验结果，考虑砂土相对密度与孔压影响，建立了统一p-y曲线模型（包括初始无土压力区域，随后桩位移超过初始区域后，土剪胀和土压力增大区域和极限土压力区）。作者带领团队建立了孔压累积过程中砂土动力p-y曲线公式，系统研究了近岸液化场地单桩和群桩地震反应特征和失效机理等［26-31］。 2）有限元法 液化场地桩-土-结构体系动力相互作用分析有限元法随着计算机技术和试验测试水平的迅猛发展［60，62］，从*初的线性总应力法，逐渐发展到基于有限元的非线性有效应力分析方法和采用复杂弹塑性模型并考虑水-土动力耦合效应的分析方法，从只能分析一维问题发展到能够分析二维、三维问题，从只能够进行饱和土体的分析拓展到多相非饱和土体的动力分析。砂土的本构模型从早期的线弹性模型，发展到黏弹性模型、弹塑性模型、边界面模型、内时模型和结构性模型等土的高级本构模型。此外，很多有限元商业软件可用于桩-土-结构体系动力相互作用分析，如ANSYS、ADINA、ABAQUS和DYNAFLOW等，但是这些软件对于桩-土-结构体系动力相互作用分析一些重要特性的模拟并不理想。OpenSees地震工程数值模拟平台是由美国加利福尼亚大学伯克利分校牵头研发的一种面向对象的目标导向性的地震工程有限元数值仿真平台，该平台嵌入了多种土的本构模型，可用于模拟饱和砂土液化机理、饱和砂土压缩与膨胀机理及耦合桩、土和水动力相互作用三维有限元分析，在桩-土-结构体系动力相互作用分析中取得了良好的模拟效果［62-65］。作者带领团队采用水-土耦合u-p有限元公式模拟土体位移和孔压，考虑桩-土界面滑移机理与剪切屈服力耦合效应，自主开发了液化场地桩-土-结构体系地震相互作用弹塑性分析三维数值模型与计算方法，并将其拓展应用到液化场地桥梁群桩-土-多跨结构耦合体系和高桩码头体系的地震反应三维数值计算与分析中［65-69］。 1.2.3基于性态的液化场地桩-土-结构体系抗震理论与方法 桩基结构的震害调查表明，仅以防治结构损伤为目标的抗震设计是远远不够的［70-75］。基于此，美国学者针对结构工程，率先引入基于性态的抗震设计思路（performance-based seismic design），提出基于概率意义的设计方法，将基于性态的抗震设计分解为四个部分：①根据工程性态的不同需求确定地震防御目标，通过地震危险性分析，甄选出不同地震荷载对应的等级参数；②实施地震作用下结构的动力响应分析，进一步得到应力、位移和变形等工程响应参数；③提出结构的破坏指标，该指标由非线性响应量确定，同时，该指标应能够反映真实的结构破坏状况，据此确定结构修复的必要性与修复时间、修复费用等重要参量；④基于以上分析，由业主或决策部门进行综合决策。日本也将基于性能的抗震设计思想列入了设计规范中，并提出了相应的性态标准。根据选定性态指标的不同，具体又分为基于位移、基于能量和基于损伤的设计方法。作者及其团队基于概率的方法，研究了液化场地桩基抗震性能