（道路与铁道工程专业论文）液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究.pdf

孛文攮要 摘要 场地液化是桥梁震害的重要原因，了解液化过程中地基反应规律和桩基破坏 枫理对预防和减少地震液化给桥梁结构带来的损害具有很好的意义。课题组2 0 0 2 年在同济大学土木工程防灾国家重点试验室进行了“液化场地桩土一桥梁结构 动力相互作用大型振动台试验 。本文对试验相关的模型设计、模型参数、试验 技术和试验数据等进行了系统总结，并基于强震观测和他人振动台试验结果对本 次试验涉及的场地液化和桩基反应特性进行了初步研究。 在场地液化方面得到以下认识：( 1 ) 场地孔箍比在加速度峰值到来时亥大幅 增长，与强震观测结果一致；( 2 ) 出现了强震观测中的地表加速度周期延长现象， 并且随着场地液化程度的加深该现象越明显；( 3 ) 场地沿深度的液化规律受较多 因素影响，如土层组成、地震输入频率等，尚无法得到较为一致的规律；( 4 ) 低 频输入下的场地更容易发生地震液化；( 5 ) 两次试验地表加速度反应谱具有很好 的一致性。 在桩基反应特性方面认识如下：( 1 ) 桩基的加速度反应与土层的加速度反应 不很一致。( 2 ) 桩基的反应受上部结构传递的惯性力和场地液化共弱作用，当场 地尚未或液化轻微时，结构传递的惯性力对桩基的影响较大，而当场地液化后， 桩基的反应则受二者共同控制。 总体上看，振动台试验作为研究场地液化的重要手段虽然仍受较多因素的影 响，无法得到完全一致的反应规律，但还是能够部分模拟实际地震中的液化特点， 并且具有一定的可重复性，因此做为研究场地液化的重要技术手段具有相当的实 际价值。 关键词：桥梁；地震液化；桩基础；振动台试验 英文摘要 t h es t u d yo ne a r t h q u a k er e s p o n s eo fb r i d g ep i l e sa tl i q u e f i a b l es i t e a b s t r a c t l i q u e f a c t i o nt ot h ed a m a g eo fb r i d g ei sa ni m p o r t a n tr e a s o n ，t h u si ti so fg r e a t s i g n i f i c a n tt os t u d yt h ep r o c e s so ff o u n d a t i o nr e s p o n s ea n dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo f p i l ef o rp r e v e n t i n ga n dr e d u c i n gt h ee a r t h q u a k ed a m a g et ot h eb r i d g es t r u c t u r eb y l i q u e f a c t i o n t i 硷l a r g es h a k i n gt a b l e s c a l em o d e lt e s t so fp i l e s o i l - b r i d g e s t r u c t u r e d y n a m i ci n t e r a c t i o na tl i q u e f i a b l es i t ea r ep e r f o r m e da 芝c i v i le n g i n e e r i n gp r e v e n t i o n l a b o r a t o r yo ft o n g j iu n i v e r s i t yd u r i n g2 0 0 2 t h i sp a p e rs u m m a r i z et h er e l a t e d p r o b l e m i nt h et e s t ，s u c ha st h em o d e ld e s i g n ，t h em o d e lp a r a m e t e r s ，t h et e s tt e c h n o l o g y ， t h et e s td a t aa n ds oo n ，a n dp r i m a r i l ys t u d yt h ep r o c e s so fs i t e r e s p o n s ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fp i l ei nt h i st e a tb a s eo nt h es t r o n gm o t i o no b s e r v a t i o na n dt h es h a k i n g t a b l eo fo t h e r s i nf o l l o w i n gc o n c l u s i o ni ns i t el i q u e f a c t i o n ：( 1 ) t h et i m eo fg r e a ti n c r e a s eo f p o r e p r e s s u r er a t i oi st h es a m ew i 也t h et i m eo ft h ep e a ka c c e l e r a t i o n , a c c o r d i n g 、惦mt h e s t r o n gm o t i o no b s e r v a t i o n ；( 2 ) t h ep e r i o do fs u r f a c ea c c e l e r a t i o no b s e r v e di nt h et e s ti s l a g g e dl i k et h es t r o n gm o t i o no b s e r v a t i o n ，a n dm o r eo b v i o u sw i t ht h ed e v e l o p m e n to f l i q u e f i e de x t e n t ；( 3 ) d u et ot h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，s u c ha ss o i lc o m p o s i t i o n ，s e i s m i ci n p u t f r e q u e n c y ，a n ds oo n ，a r et o oc o m p l e x ，t h i ss t u d yd o s e n tg e tt h ea c c o r d a n tr e s u l ti nt h e l i q u e f i e dr u l ea l o n gt h es i t ed e p t h ；( 4 ) t h es i t ei sm o r ea p tt ol i q u e f i e du n d e rl o w f r e q u e n c y ；( 5 ) t h es u r f a c ea c c e l e r a t i o nr e s p o n s es p e c t r u mi nt w ot e s t sh a sag o o d c o n s i s t e n c y 。 i nf o l l o w i n gc o n c l u s i o ni nt h er e s p o n ec h a r a c t e r i s t i co fp i l e ：( 1 ) t h ea c c e l e r a t i o n r e s p o n s eo ft h ep i l ea n dt h es i t e i sn o tv e r yc o n s i s t e n t ；( 2 ) t h er e s p o n s eo ft h ep i l ei s o p e r a t e dj o i n t l yb yt h ei n e r t i af o r c ef r o mu p p e rs t r u c t u r ea n dt h el i q u e f a c t i o n t h e r e s p o n s ei so p e r a t e db yi n e r t i af o r c ea sl i t t l el i q u e f a c t i o n ，b u ti ti sc o m m o na c t e da sf u l l l i q u e f a c t i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h es h a k i n gt a b l et e s ta sas t u d ym e a s u r ei ns i t el i q u e f a c t i o ni s s t i li n f l u e n c e db ys o m ef a c t o r s ，a n dc a nn o tg e tae n t i r e l yc o n s i s t e n tr e s p o n s er o l e ，b u t s o m ea r es t i l l c a p a b l e o fs i m u l a t i n g p a r t l y t h e a c t u a l e a r t h q u a k el i q u e f i a b l e 英文摘要 c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dh a sac e r t a i nr e p e a t a b i l i t y 。t h e ni ti sc a l lb ea r r i v e da tt h ec o n c l u s i o n t h a tt h ee x p e r i m e n t sc a r r i e do u ti nt h i sr e s e a r c hp r o g r a mi so fg r e a tv a l u et ot h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：b r i d g e ；e a r t h q u a k el i q u e f a c t i o n ；p i l ef o u n d a t i o n ；l a r g es h a k i n g t a b l et e s t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺遮丝扬丝捶鎏蕉基獭丝壁匡廛丝篮盟究：。除论文中 已经注甓弓| 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个入和集体，均已在文串 以明确方式标唆。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢即吻剧 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解靠大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并患国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阕和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密已，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密圈 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名蹿却驰导师虢 王研 e l 麓：年月圈 液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究 第1 章绪论 在近几次发生的强烈破坏性地震中，许多现代化桥梁均遭受到严重的破坏、 甚至倒塌，从而造成了巨额的经济损失。以1 9 9 5 年日本阪神地震为例，仅就阪神 高速路和东海道本线估计，直接经济损失达5 0 亿美元，而由此造成的间接经济损 失接近1 0 0 亿美元【。这其中因场地液化导致桩基础乃至整个结构破坏的占相当大 的比重。在国内，1 9 7 6 年唐山地震中倒塌的1 8 座桥梁中亦有1 5 座是由于场地液 化及侧向扩展而导致桥台、岸坡滑移和地基失效引起的【2 1 。因此，f 确认识场地液 化的规律以及了解液化场地桩基础桥梁的破坏机理，对减少地震给人们带来的经 济和财产损失具有重要意义。 1 1 选题背景 1 1 1 砂土液化概念 砂土液化是指饱和砂土在反复剪应力的作用下，砂土的颗粒结构发生破坏使孔 隙水压力上升，导致土体的有效应力接近于零，以致土体丧失抗剪强度，从固体 状态变化为液体状态，其宏观现象表现为“喷砂冒水”。砂土液化使土体丧失承 载力，同时在某些土层和场地条件下还会发生大范围的侧向流动，是地震中常见 的震害现象( 图1 1 ) 。 黛翻 图1 i 砂土液化 f i g 1 1s o i ll i q u e f a c t i o n - 1 - 第1 章绪论 1 1 2 液化场地桥梁桩基础震害调查 桩基础一般被认为是作为预防地基失效的重要抗震措施，并且在桥梁工程中 得到了广泛的应用。然而近些年强烈地震震害经验表明：砂土液化及相应产生的 土体流动和大变形往往加重了基础及桥梁的破坏，并且变得很难修复。 我国学者统计了1 9 7 0 年云南通海地震、1 9 7 5 年辽宁海城地震和1 9 7 6 年河北 唐山地震中，液化与非液化场地共5 9 3 座桥梁的破坏情况( 图1 2 ) 。在液化场地 桥梁发生严重破坏及倒塌的比例显著地高于非液化场地。在液化场地，7 度区就有 桥梁倒塌破坏现象发生；在9 度区，桥梁倒塌和严重破坏地比例分别高达5 3 和 2 8 ，作为对比，此时在非液化场地仅l 的桥梁发生严重破坏，6 3 的桥梁还处 于基本完好状态。 刚4影!：；j委破纠i f ，i 鎏 麓一：jj ；_ ；1 ；曼寨懑鹣，j： 、i ：ji 。攀翰 i ；鎏萋豢菱燮燮，攀篆豢扩 6 3 、。i ：j ! 。，| _ ：_ - 1 、o 一叠。互二+ 2 7 9 2 8 5 3 18 3 非液化场地液化场地 ( b )9 度地震烈度区 图1 2 非液化场地与液化场地的震害对比 f i g 1 2c o m p a r i s o nt h ed a m a g eb e t w e e nl i q u e f i a b l ea n dn o n - l i q u e f i a b l es i t e 2 好微等吐塌 叠；一 液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究 下面通过国内外几次大地震中液化场地桥梁的震害资料，具体了解一下场地液 化对桥梁桩基础的破坏情况。 ( 1 ) 海城地震桥梁桩基础震害 1 9 7 5 年2 月1 4 日，在我国辽宁海城、营口地区发生了里氏7 3 级强烈地震【3 1 ， 很多桥梁遭到不同程度的破坏，这在中国历史上有关桥梁震害的记录方面是极为 严重的一次。因地震区处于滨海冲积平原，地下水位高，饱和砂土液化广泛发生， 所以桥梁震害比较普遍和严重。中国地震局工程力学研究所对这次地震中的桥梁 震害进行了总结【4 1 ，将其中液化场地典型桥梁破坏情况汇总于表1 1 。 ( 2 ) 唐山地震桥梁桩基础震害 1 9 7 6 年7 月2 8 日在我国河北省唐山市发生了里氏7 8 级强烈地震【3 】【5 1 ，市区 大部分陷入地震烈度高达度的极震区，造成了大约2 4 万人的死亡，震害极为严 重，为世界历史上所罕见。其重要原因是唐山市对地震没有设防，结构物都未经 过抗震设计，以致在强烈地震作用下酿成大灾。在这次地震中，以简支梁桥为代 表的公路、铁路桥梁遭到了严重破坏，在度至x i 度区内的1 3 0 座大中型钢筋混 凝土梁式桥中，倒塌1 8 座，严重破坏2 0 座，中等破坏3 4 座。唐山亦位于滨海冲 积平原，砂土液化在强震区广泛分布，倒塌的1 8 座桥中有1 5 座破坏原因可归结 于此。就液化场地几座典型桥梁破坏情况汇总于表1 2 。 ( 3 ) 新泻地震桥梁桩基础震害 1 9 6 4 年6 月1 6 日在日本新泻发生了里氏7 5 级地震【6 】【7 1 ，该次地震产生了大 量砂土液化现象，成为砂土液化研究的开端。位于市内的昭和公路大桥( 图1 4 ) ， 1 2 跨中有5 跨因丧失支承而坠落河中，中间两座桥墩卷入坠落的桁架之下而折曲， 其中一座桥墩项部最大残余变形9 3 c m 。桥址处是饱和砂土，左岸较软，右岸附近 较硬。震害的原因是由于砂土液化，左岸滑动，墩柱移位，中央桁架被强力推动 而坠落，因破坏发生在强烈地震停止2 分钟后而被认为是砂土液化及侧向流动使 桩基础发生大的位移，进而导致上部结构发生落梁破坏的典型案例。其它两座桥 梁的倒塌也与砂土液化有直接关系。 第1 章绪论 ( 4 )阪神地震桥梁桩基础震害 1 9 9 5 年日本兵库县南部发生7 2 级地震【8 】【9 】，对( 城市) 桥梁造成了严重破坏， 共有9 处落梁或接近落梁，1 6 处发生严重破坏。桥梁震害主要原因有两点：细部 构造不足和地基失效。液化场地桥梁桩基础破坏形式有：桩头及与承台节点处的 弯曲或剪切破坏、桩体下沉、桩体弯曲开裂等。日本土木学会统计了1 9 9 5 年k o b e 地震中，阪神高速路3 号线( 非液化场地，7 1 规范) 1 0 9 根桩基础和5 号线( 液 化场地并伴有侧向扩展，8 0 规范) 1 5 3 根桩基础破坏情况( 图1 5 ) 。在液化场地， 尽管采用了较新的抗震设计规范，但仍有约一半左右的桩基础需要进行修复，而 非液化场地中这一比例要小的多。 表1 1 海城地震典型桥梁震害 t a b 1 1 t y p i c a lb r i d g e sd a m a g ed u r i n gh a i e h e n ge a r t h q u a k e 液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究 3 6 81 7 8 9 上 5 0 1 8 t 2 3 0i i 0 9 上2 2 01 0 5 2 上 2 5 c1 0 3 6 上 1l 己 上 1 1 1 1 下1 0 8 7 下1 0 3 5 下 1 | 1 c ， 下 v 1 1 6 4 3可1 6 j 4 61 6 3 3 v1 5 9 4 吲 璧毅揪 f ii h嗵 q 泓9 3 黼翮一揿v 倒9 粼, 8 6 i，叩热糍蹩心 l j ? 雇 1oo o nf 原 莎苗矿尸飞一8 学 原 西 东 厶j 厶 口l 口 帽 f mmm 帽 前l1 1 3 前 缘【( 1 0 3 0 ) l ( 1 1 0 0 ) t( 1 1 0 0 )下( 1 1 0 0 )l r( 1 0 3 0 ) 缘 胡6 别霸朔霸葫霸 图1 3 胜利桥震害( 中国唐山地震) f i g 1 3d a m a g eo fs h e n g l ib r i d g e ( t a n g s h a ne a r t h q u a k e ，c h i n a ) 5 第1 章绪论 钢桩变形情况 图1 4 昭和大桥震害( 日本新泻地震) f i g 1 4d a m a g eo fs h o w ab r i d g e ( n i i g a t ae a r t h q u a k e ，j a p a n ) 非液化场地 ( 日本7 1 规范) 液化及侧向扩展场地 ( 日本8 0 规范) 图1 5 日本k o b e 地震中桥梁桩基础破坏统计 f i 9 1 5t h ed a m a g e ds t a t i s t i c sf o rb r i d g ep i l ei nk o b ee a r t h q u a k e ，j a p a n 1 1 3 液化场地桥梁桩基础震害原因 刘惠珊等【1 0 】【l l 】对土层液化引起( 桥梁) 桩基础损坏机制进行了总结( 图1 6 ) ， 认为对水平场地且无上覆非液化土层( 或较薄) 时，一般土层无侧向流动，桩破 坏主要发生在桩顶和液化与非液化土层交界处。前者主要是由于液化后土层对桩 液纯场地桥梁桩基础地震反应性能研究 及承台的侧向支撑能力下降，加之上部结构惯性力作用所致，后者破坏机理尚需 进一步研究。当为倾斜场地或上覆非液化土层时，土层会发生侧向流动，桩基在 桩顶、液化土层上下界和液化土层中部都有可能损坏。破坏的主因在于土体侧向 位移弓| 起的附加静应力。 ( a ) 无侧向流动 伯) 有侧向流动 图1 6 液化场地桩基础的破坏机制( 引自文献 1 0 】【ll 】) f i g 1 6 f a i l u r em e c h a n i s mo fp i l ef o u n d a t i o na tl i q u e f i a b l es i t e ( r e f e r e n c e10 ，11 ) 日本阪神地震表明液化后土层侧向流动对桩基础危害更大，还可进一步引发主 梁落梁、桥梁倒塌等毁灭性破坏。国内唐山、海城地震很多桥梁破坏都与此有关， 但限于当时认识，并未弓| 起足够重视。 1 1 4 砂土液化对我国桥梁建设的潜在威胁 我国位于环太平洋地震带上，是一个地震多发国，7 度以上的地震区约占国土 面积的一半。从历史地震实际灾害分布上来看( 图1 7 、图l 。8 ) ，我国大面积砂 土液化( 必然存在侧向扩展) 主要发生在东部环渤海的濒海平原上，而且小范围 或局部的砂土液化现象在中西部发生的大多数地震中都有出现。可以说地震时砂 土液化在全国范围内都有可能发生。 然而随着我国城市现代化程度的提高与经济的飞速发展，在城市附近发生破坏 一二擎 性地震时，因生命线工程的破坏，次生灾害造成的间接经济损失甚至超过了震害 第1 章绪论 的直接经济损失。所以桥梁作为重要的生命线工程结构，它的毁坏将给震后救灾 带来巨大的困难。 图1 7 中国强烈地震实际地址灾害分布图( 引自文献 1 2 1 ) f i g 1 7m a p o fd i s t r i b u t i o no fg e o l o g i c a lh a z a r d si n d u c e db yi n t e n s ee a r t h q u a k ei nc h i a n ( r e f e r e n c e12 ) 3 0 9 图1 8 中国区域性地震次生自然灾害分区图( 引自文献 1 3 】) f i g 1 8t h ee a r t h q u a k e i n d u c e dn a t u m lh a z a r d sz o n a t i o no fc h i n a ( r e f e r e n c e13 ) - 8 液化场地桥梁桩基硪地震反应性能研究 进入二十一世纪，我国将在现有铁路桥梁和公路网主干线( - - 纵二横) 的基础 上全面完成铁路复线工程和五纵七横的骨干公路网，其中包括大量的桥梁工程。 截至2 0 0 5 年底我国的公路桥梁已从1 9 6 0 年的6 3 万座上升到3 3 7 万座( 图l 。9 ) ， 一些大城市也要发展立体交通和高架交通，特别是沿江( 河) 城市更是要建立许 多跨江( 河) 桥梁以形成多重环线交透。在沿海地区的渤海海峡、长江墨、杭州 湾、珠海口伶仃洋及琼州海峡等地建立的跨海大桥也在酝酿中；此外，在此基础 上以上海为中心的连接周边港口、城市、岛屿的高速公路网和环太平洋海岸的南 北公路干线亦可能建成l l 训。可见国家近些年对桥梁的建设力度是相当的大。 从历次的震害资料中可知，与非液化场地相比，液化场地将使桥梁遭受更大的 破坏。而通过上述对比我们可以看出，我国由予可液化场地分布较广，很多建成 和在建的重要桥梁工程都位于可液化场地，一旦发生地震将会带来无法估量的损 失，也为我国的桥梁事业的发展埋下了严重的隐患。 瑙o 0 段 3 s 0 一排3 00 2 s ，0 2 0 o 1 5 0 l o o 5 0 o o 1 9 1 5 0l 邪51 9 7 ul 冒i 51 9 8 0l 弱5i 明d1 9 嘶哥翻m i2 0 0 1 z 挖 2 32 0 0 4 2 0 【) 5 年份 图1 91 9 6 0 - - 2 0 0 5 年全阑公路桥梁发展趋势图( 引自文献 1 5 9 f 垮1 。9t h en a t i o n a lh i g h w a yb r i d g ed e v e l o p m e n tt r e n d sf r o m19 6 0t o2 0 0 5 ( r e f e r e n c e15 ) 1 。1 。5 我国桥梁桩基础抗震设计规范的发展需求 由于这几次地震的震窖经验，近十年来人们逐渐认识到在桩基抗震设计中必须 重视液化场地桩一土一桥梁结构动力相互作用的影响。 觋如今日本在几次大地震后已经在桥梁抗震规范对考虑桩一土一结构动力相 互作用问题的桩基抗震有了明确的规定， 相芘之下我国目前桥梁结构抗震设计中， 并且开始重视场地液化对桩的影响1 1 掰。 对桩基抗震及桩一土一结构动力相互作 第1 章绪论 用等问题尚缺乏深入研究，至于液化场地条件下桩基抗震更未给出明确而可靠的 计算方法，只是提出其一般的工程抗震构造措施。表1 3 和表1 4 分别为我国新 近提出的“公路桥梁抗震设计规范( j t j 0 0 4 - 2 0 0 5 征求意见稿) 与日本规范在 场地液化和基础抗震设计方面的比较。事实上，我国现行各种结构规范在桩基抗 震方面总体仍停留于上一世纪8 0 年代的水平( 液化场地折减土层m 值) 【1 4 】。应该 说，这些方法无论对上部结构、还是对桩基设计均欠合理，很可能造成设计的保 守或偏于不安全。我国目前的桥梁和结构抗震设计对这方面还没有给予足够的重 视，对桩一土一结构动力相互作用规律把握深度的不足是影响其具体应用的重要 原因之一，所以应该尽快完善我国桥梁桩基础抗震设计规范，以保证我国桥梁工 程能够安全、平稳、健康的发展。 表1 3中日桥梁抗震设计规范场地液化方面的比较 t a b 1 3c o m p a r i s o no fs i n o j a p a n e s eb r i d g es e i s m i cd e s i g nc o d ea tl i q u e f i a b l es i t e 表1 4中日桥梁抗震设计规范基础设计方面的比较 t a b 1 。4c o m p a r i s o no fs i n o j a p a n e s eb r i d g es e i s m i cd e s i g nc o d ei nf o u n d a t i o nd e s i g np a r t 规范设计思想设计方法 扩大基础设计桩基础设计 桥梁总体“小震按“公路桥涵地 不坏，大震不 基与基础设计规 中国规范 倒。，具体到基范，为静力法， 未区分未区分 倒”，具体到基范”，为静力法， 础方面不明确无明确设计流程 在小震水准f ， 拟静力法( 震度延性设计法( 保 基础处于弹性工 作，在大震水准法竺延性设计拟静力法( 震度有水平耐力法) 作，在大震水准拟静力法( 震度 一。 日本规范 一 。， 泫、, d l - - ( 保有水平耐 进行强度、延性 下，允许基础发法) “ ， 力法) ，有明确 校核和基础位 生可接受的塑性 。一 。 设计流程 移、转角验算 变形 液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究 综上所述，砂土液化是桥梁结构严重破坏甚至倒塌的重要影响因素，而我国 历次强烈地震大都伴有砂土液化现象发生，加之我国规范基础抗震设计部分缺陷 明显，桥梁结构在地震中是否会因场地液化而破坏已成为全国性的重要的工程问 题。但是由于闺内在桥梁桩基础抗震试验研究方面投入不足，科研进展与国外差 距较大，这在很大程度上已豢l 约了我国桥梁抗震设计水平的提高。因此，基于试 验深入研究液化场地一桩基一桥梁结构地震相互作用反应规律，探讨场地液化过 程中桩的动力反应特性和桥梁结构破坏机理，在此基础上建立有效的数值模拟技 术和实用的抗震设计分析方法显得尤为迫切，这对于促进桥梁抗震设计和全国桥 梁建设的发展都具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 由于上个世纪的几次大地震，特别是1 9 6 4 年的新泻地震以后，地震中的砂土 液化问题开始受到人们的重视，早期的研究工作主要集中于室内液化试验、液化 判剃、液化影响因素与液化势分柝等方面，并在此基础上发展了非线性有效应力 分析技术。一批包括我国在内的著名学者都作出了重要的贡献【1 7 】【1 8 】。随着研究的 不断深入，砂土液化研究也呈现出毅的特点【1 9 1 【2 0 1 ，其表现为：( 1 ) 液化对结构的 危害性研究受到重视，包括坝体、桥梁、码头、建筑及基础等各类工程结构；( 2 ) 在研究手段上，大型离心机试验和模拟振动台试验得到了较多的应用，例如由日 本科技厅防灾研究所和美国的w a y n e 州立大学组织，自1 9 9 2 年两国合作进行了 e d u s 瑟9 】( e a r t h q u a k ed a m a g et ou n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ) 项目研究，目的是通过试 验研究深入认识与基础类似的地下结构的抗震反映性能及其失效机理；( 3 ) 抗液 化工程措施的研究逐渐得到加强。事实上，砂土液化对结构危害性的研究广义上 讲仍属于土一结构动力相互作用范畴，然而在很长段时间内二者则在各自的领 域中独立发展。 般 事实上，土一结构动力相互作用在地震工程领域中的研究得益于上一世纪7 0 8 0 年代核电站、海洋平台及大坝等一些重大工程的抗震需求，并由于有限元及 边界元等数值分析技术的弓l 入，使土一结构动力相互作用研究获得了极大的发展。 第1 章绪论 些著名程序，侧如f l u s h 等至今仍被工程界广为应用。在一结构动力相互作 用分析中，直接法与子结构法相比获得了更多的应用，在处理土体的非线性时采 用了等效线性化的方法【2 0 1 。目前，土一结构动力相互作用研究工作的困难在于： ( 1 ) 有限元波动理论分析的数值稳定性和人工边界处理，特别是直接引入土体非 线性之后，计算工作量非常大；( 2 ) 缺少强震记录的验证和试验数据的支持，特 别是土层以下部分的基础结构和土体。 液化和软弱场地对基础及上部结构地震反应影响很大、甚至是直接控制因素， 已为震害现场调查所涯实，因此，液化和软弱场地上土一结构动力相互作用理应 成为研究的重点。e d u s 就是针对以上问题丽展开的试验研究课题，在e d u s 研究【1 9 1 中主要采用离心机试验和模型振动台试验，还发展了一种模型桩截面测试仪器用 于测试静力或动力试验的桩一土相互作用关系的p _ 叫曲线。在这些研究工作中， 1 9 9 5 年以前主要是小比例尺试验，1 9 9 5 年k o b e 地震后日本在其1 5 m x1 5 m 、载重 5 0 0 t 的大型振动台上设计了1 2 m ( 长) 3 5 m ( 宽) 6 m ( 高) 的号称世界第一 的剪切变形土箱，作了大量的大比例尺甚至原形试验，场地类型包括单层水平、 多层水平和倾斜场地，其中后两者涉及液化后土体侧向扩展问题。土包括软和 饱和砂土甄类。同时日本又建造了一个2 0 m x1 5 m ，载重1 2 0 0 t 的更大的振动台( 2 0 0 5 年已建成) ，三个重点研究工作之一便是土一结构动力相互作用。 e d u s 研究工作已很难区分传统的液化与土一结构动力相互作用研究领域，这 反映了学科内部之间的交叉和融合。目前项目研究成果已陆续发表，对研究工作 的重要启示是：( 1 ) 模型振动台试验可以得到与离心机试验较一致的结果，应该 大力发展经济的小比铡尺模型振动台试验和提高离心机试验技术水平；( 2 ) 在液 化条件下桩一土一结构动力相互作用数值模拟和理论研究方面，建立在有效应力 分析基础上的整体分析方法和基于非线性文克尔地基梁假定的并联弹簧一阻尼器 分析方法得到了较快发展，并获取了与试验相吻合的结果。这些也是今后进一步 的发展方向。 在结束的1 2 w c e e 、1 3 w c e e 上，与液化场地模型振动台试验相关的论文就分别 有1 6 篇和王7 篇之多，研究对象与内容亦相当广泛，这是以往未见的。2 0 0 5 年美 液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究 国土木工程学会在加州大学d a v i s 分校举行了“液化和侧向扩展土体中桩基础的 抗震性能与数值模拟( s e i s m i cp e r f o r m a n c e a n ds i m u l a t i o no f p i l ef o u n d a t i o n s i nl i q u e f i e da n dl a t e r a l l ys p r e a d i n gg r o u n d ) 的专题国际学术研讨会，共 收到美、日等国2 5 篇论文，亦有较多论文与模型振动台试验相关【2 。另外，液化 场地桩一土一结构地震相互作用影响因素复杂，试验费用较高，合作研究就成为 种重要的科研组织形式。除上面提到的e d u s 项目外，美国加州大学s a nd i e g o 分校和日本东京的w a s e d a 大学2 0 0 1 年起合作开展了“液化及土体侧向扩展对桩 基础影响的大型振动台试验 项引2 2 1 ，目前已完成9 组试验计划。2 n , j , l , l 大学s a n d i e g o 分校还与日本港湾研究所合作2 0 0 2 年在日本一人工岛上采用“人工爆破” 激发场地液化，完成了包括1 根单桩、4 根群桩和9 根群桩共3 组原形桩基础在液 化土体侧向扩展下的抗震性能试验1 2 3 1 2 4 1 ，并重点检验发展了基于非线性文克尔地 基梁假定的桩基础p y 曲线分析方法。 我国学者对土一结构动力相互作用振动台试验也进行了一些研究，如上世纪 9 0 年代末，同济大学范立础院士率先开展了桩一土一桥梁结构动力相互作用模型 振动台试验研究，取得了若干有价值成果。同济大学吕西林【2 5 】【冽教授进行了地基 一基础一建筑结构动力相互作用的振动台试验。2 0 0 2 年起，哈尔滨工业大学、大 连海事大学和同济大学在国家自然科学基金项目资助下开始合作进行“液化场地 桩一土一桥梁结构地震相互作用振动台试验”研究，在土木工程防灾国家重点试 验室实现了考虑液化条件的桩一土一桥梁结构地震相互作用模型振动台试验，再 现了自由场地基地震液化和液化场地桥梁桩基础地震破坏全过程，研究结果也在 逐步发表中。 目前，大型振动台模型试验是研究土一结动力相互作用的重要途径，在液化场 地桩一土一桥梁结构地震相互作用研究方面正日益获得越来越多的应用。国外早 就开展此项试验工作，美、日两国的发展速度相当快，近年来日本的研究正走向 工程应用阶段。在国内，液化场地的地基动力性能和土一结动力相互作用的研究， 过去曾一度在岩土工程、结构工程两个学科中分别发展。与国外相比，国内在土 一结动力相互作用大型振动台试验研究方面起步较晚。 第1 章绪论 1 3 研究技术路线 同结构分析方法相同，震害调查、试验研究和理论分析是研究这一课题的三大 技术手段。图1 1 0 给出了研究桩一土一结构动力相互作用的技术路线。 基于震害调查，可以充分了解桩基与上部结构在地震作用下的行为、灾害响应 特性。对震害及其产生原因的分析是建立正确的抗震设计方法、采用有效抗震措 施的科学依据，从概念上把握桩一土一结构动力相互作用，指导抗震设计方向。 试验研究分现场试验和室内试验两种，是震害研究的一种有效补充，并且属于 一种主动造成“震害的手段。试验可以再现震害过程，有利于进一步了解破坏 机制。将试验研究与理论分析进行比较，可以验证理论分析方法的有效性和进行 参数研究，也可以进一步发展新的理论分析方法。 理论分析方法是抗震设计的基础。理论分析方法的正确与否，直接影响结构抵 御地震的能力。 图1 1 0 桩一土一结构动力相互作用研究技术路线 f i g 1 10s t u d ym e t h o do np i l e - s o i l - s t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o n 液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究 本文主要工作是在震害调查的基础上进行振动台试验研究，并将试验结果与强 震观测和他人试验进行比较，以求寻找出场地液化的反应规律，并且更好的完善 振动台试验这一研究场地液化的重要试验技术。 1 4 本文主要研究内容 本文将开展以下几项研究工作，论文共分5 章： 第l 章，基于震害调查，归纳总结了国内外这一领域的研究现状，提出在我国 进行这一研究的重要意义。 第2 章，以唐山地震中倒塌的胜利桥为原型，进行液化场地桩一土一桥梁结构 动力相互作用大型振动台模型试验。 第3 章，根据试验中得到的数据，对试验中土层的液化过程进行分析，并结合 强震观测资料和他人同类试验，总结土层的液化规律。 第4 章，初步对试验中菲自由场下桩的反应进行分析，总结桩基在场地液化过 程中的反应规律。 第5 章，总结全文，并提出了本次试验中设计和试验方面存在的一些不足之处。 第2 章液化场地桩一土一桥梁结构相互作用振动台模型试验 第2 章液化场地桩一土一桥梁结构相互作用振动台模型试验 地震过程中的桩一土一结构相互作用是一个十分复杂的问题，过去的研究主 要局限于理论分析和数值模拟上。但是，不同的模型和计算方法有不同的前提简 化假定，而由于人们现有的地震观测资料有限，无法很好的验证某一种假定更合 理，某一种方法更正确，因此就需要大量的室内模型试验来弥补这一不足。通过 多次可控制的动力模型试验可以获得大量的试验数据以便于理论研究，并且可以 探求出一些场地液化的反应规律，为各种理论模型提供必要的计算参数并验证理 论分析方法的可靠性和适用性，同时在试验的基础上通过参数分析改进或提出新 的理论模型和分析方法。 本章涉及的内容，哈工大硕士王臣在其硕士论文“液化场地桩一土一桥梁结 构动力相互作用振动台试验”【2 7 1 中曾经做过总结，但由于多方面原因存在诸多缺 失和遗漏，故此本章对2 0 0 2 年1 0 月在上海同济大学土木工程防灾国家重点试验 室完成的“液化场地桩一土一桥梁结构相互作用大型振动台试验 过程再次整理， 以求更加完整的记录此次试验过程，并为后续试验提供参考。 2 1 液化场地桩一土一桥梁结构相互作用大型振动台试验模型设计 2 1 1 试验目的 探索液化场地桩一土一桥梁结构相互作用振动台试验技术，主要是通过层状 剪切变形土箱重现自由场地和非自由场地( 存在桩基础) 的地震液化过程，观察 饱和砂土场地和桥梁桩基础的非线性响应特征，研究桩基础在液化场地的地震反 应和破坏机理。 2 1 2 参考桥梁震害 试验以唐山地震中倒塌的胜利桥的l 号桥墩为参考原型。 胜利桥位于唐山市东南隅，东西向跨越陡河，该桥于1 9 6 6 年建成。1 9 7 6 年唐 山地震【2 】时胜利桥4 号桥墩折断且两孔落梁，震害原因是由于软土和轻亚粘土河岸 液化场地桥梁桩基础地震反应性能研究 滑移( 河底段已液化) ，推动桥台向河心滑动，使桥孔压缩，桥墩倾斜、折断( 图 2 1 ) 。 桥位土质为第四纪沉积层，总厚度达百余米。陡河两岸地表覆盖层为厚3 o 6 0 m 的硬塑亚粘土，以下为不同粒径、不同密度的砂土层及亚粘土层或粘土层， 接近覆盖层为松散细砂，系可液化土层，贯入试验n 值较低。 胜利桥处于x i 度区，距发震构造断裂带最近距离约1 8 k m 。震后桥位附近有 喷水冒砂、河岸滑移、河道变形、地面开裂及沉陷等现象。 图2 1 胜利桥震害 f i g 2 1d a m a g eo fs h e n l ib r i d g e 2 1 3 桩柱模型设计 单桩模型以胜利桥1 号墩为参考原型( 图2 2 ) ，设计细节如下： ( 1 ) 模型桩柱设计长度 胜利桥采用桩柱式圆形截面桥墩，其中柱高6 2 m ，桩长18 0 m ，盖梁高0 6 m ， 主梁高0 9 m 。若假定盖梁与主梁重心在柱顶1 0 m 处，原型总长为 第2 章液化场地桩一土一桥梁结构相互作用振动台模型试验 1 8 o + 6 2 + 1 0 = 2 5 2 m ，模型桩柱按几何比例1 1 0 进行设计，则总长度必： 1 8 0 0 。0 + 6 2 0 0 + 1 0 0 0 = 2 5 2 0 o m m ，此高度即为模型桩柱底部至最顶加载孔中心的距 离，考虑上部预留1 0 0 。o m m ，则总长度为2 6 2 0 o m m 。 ( 2 ) 模型混凝土弹性模量和强度 胜利桥桩柱墩混凝土为1 7 0 号，建于1 9 6 6 年，至1 9 7 6 年唐山地震已经使用 l o 年。考虑混凝的超强因素及强度随龄期增长，在唐山地震时，可接近c 2 5 混 凝主左右。原桥混凝土强度按c 2 5 考虑。 按考虑重力影响的模型振动台试验相似率要求： lq = q c , 1c ，：厄 n 式中，c 。为密度相似率，c ，为几何相似比，c 。为时间相似比，c 。为弹模相似比。 模型桩柱采用微粒混凝土，则c 。1 o ，有c 。c ，是很难达到的。参考同济大 学伍小平博士的工作，模型桩柱微粒混凝土强度和弹性模量均设计为c 2 5 混凝土 的1 3 。这些并不严格符合( 1 ) 式要求，需要考虑附加人工质量。 表2 。l 给出了实测模型微粒混凝土材料性能参数，遗憾的是混凝土强度未能达 到设计要求。 ( 3 ) 模型桩柱项部配重 桩柱顶部集中质量按集中力考虑，按考虑重力影响的模型振动台试验相似率要 求，有q q = q c ，2 ，其中c 为质量相似常数，c 。为重力加速度相似常数，c 。兰 1 0 ，