可液化地基中高層建筑樁基礎(chǔ)震動規(guī)律研究

本項目以可液化地基中樁基礎(chǔ)為研究對象，針對具有上部結(jié)構(gòu)-樁基-地基系統(tǒng)的“三維化、非線性、大系統(tǒng)”的鮮明特征，揭示其動力相互作用規(guī)律與破損機理。以離心模型試驗和數(shù)值仿真為主要研究手段，著重探討地震條件下可液化地基中上部結(jié)構(gòu)-樁-地基共同工作機理以及樁基礎(chǔ)受力變形的基本規(guī)律、影響因素和物理機制，提出可液化地基中樁基礎(chǔ)受力和變形計算分析方法。 （一）系統(tǒng)全面地調(diào)研整理了國內(nèi)外相關(guān)的文獻資料。通過總結(jié)分析，充分反映了目前國際上對可液化地基中樁基礎(chǔ)抗震問題的認識水平，明確了目前各種方法中的問題。 （二）開發(fā)了可液化地基中樁基礎(chǔ)動力離心模型試驗系統(tǒng)并進行系列試驗：在清華大學(xué)50g-t土工離心模型試驗機和振動臺上，開發(fā)了可模擬地震條件下可液化地基樁基礎(chǔ)的離心模型試驗及測量技術(shù)。完成了8組離心模型試驗重點研究不同地基條件、上部結(jié)構(gòu)對樁體所受水平荷載和彎矩大小和分布的影響，揭示了簡單條件下可液化地基中樁基礎(chǔ)的動力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。 （三）發(fā)展了針對砂土液化問題的三維化、非線性動力數(shù)值仿真理論及技術(shù)。建立了三維砂土液化后大變形統(tǒng)一本構(gòu)模型，實現(xiàn)了對砂土液化后大變形問題的三維統(tǒng)一描述。采用高效數(shù)值算法，在開源OpenSEES非線性有限元軟件平臺上對模型進行了數(shù)值化，并實現(xiàn)了模型的并行計算。 （四）建立了成套的可液化地基中樁基礎(chǔ)受力和變形計算分析方法：包括三維動力數(shù)值仿真技術(shù)在內(nèi)，建立了可完整評價可液化地基中樁基礎(chǔ)在地震過程中和震后水平和豎向受力與變形的計算分析方法，真正的發(fā)展了多尺度多層次精細數(shù)值仿真理論及技術(shù)，為樁基礎(chǔ)安全調(diào)控和優(yōu)化設(shè)計提供了理論及方法。 （五）揭示了可液化地基中樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)規(guī)律。在總結(jié)試驗規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用三維條件下樁基礎(chǔ)大規(guī)模數(shù)值仿真技術(shù)和其他靜動力計算方法，對可液化地基中樁基礎(chǔ)在地震過程中和震后的受力和變形規(guī)律進行了全過程分析和總結(jié)。 2100433B

本項目擬以被廣泛采用的可液化地基中高層建筑混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)為研究對象，將上部結(jié)構(gòu)-樁基礎(chǔ)-地基視為三維非線性系統(tǒng)，以揭示該系統(tǒng)的動力相互作用規(guī)律與破損機理為核心，通過震害調(diào)查、離心模型試驗和數(shù)值仿真等多種手段綜合應(yīng)用，重點突破上部結(jié)構(gòu)-樁基-地基試驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)精細制作技術(shù)，重點發(fā)展模型試驗與數(shù)值仿真相結(jié)合的多尺度多層次精細分析模擬技術(shù)，探討合理的地震動輸入機制，系統(tǒng)地研究運動相互作用和慣性相互作用在地震液化土層出現(xiàn)前的地基小變形階段、地震液化土層出現(xiàn)后的較大變形階段和地震結(jié)束后的殘余變形階段中對建筑樁基礎(chǔ)震動響應(yīng)規(guī)律與破損機制的定量影響，系統(tǒng)地揭示強烈地震環(huán)境下處于不同工況的上部結(jié)構(gòu)-樁基-地基共同工作機理與破壞模態(tài)，系統(tǒng)地分析樁基礎(chǔ)破損的基本規(guī)律和影響因素，尋求建立樁基礎(chǔ)震動安全調(diào)控和抗震優(yōu)化設(shè)計的理論及方法，以期為高層建筑物樁基礎(chǔ)抗震優(yōu)化設(shè)計奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

依照申請計劃，課題組通過理論分析、數(shù)值模擬對復(fù)合地基在各種工況下沉降性狀進行了分析，并將研究內(nèi)容拓展到工程實踐中。首先，對剛性基礎(chǔ)下打穿及未打穿軟土層粘結(jié)材料樁復(fù)合地基固結(jié)問題進行了求解，并對兩種情況下地基的固結(jié)性狀進行了分析。接下來采用有限元數(shù)值分析對路堤荷載作用下的粘結(jié)材料樁復(fù)合地基固結(jié)沉降發(fā)展規(guī)律進行了研究，并提出了改善地基沉降的建議。然后，基于散體材料樁固結(jié)理論，對散體材料樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比發(fā)展規(guī)律進行了一定研究。最后，在現(xiàn)有理論及數(shù)值研究的基礎(chǔ)上，課題組參與設(shè)計古順變電站地基基礎(chǔ)的設(shè)計，并提出了復(fù)合地基的長期觀測方案。依托本項目，課題組已發(fā)表論文8篇，其中有3篇SCI，同時有5篇論文擬發(fā)表，已培養(yǎng)博士2名，1名博士在讀。該項目的完成對進一步揭示復(fù)合地基的發(fā)展規(guī)律具有重要意義。 2100433B

隨著我國土木工程建設(shè)的發(fā)展，復(fù)合地基在建筑工程、市政工程、交通工程和鐵道工程中得到了廣泛應(yīng)用。但由于復(fù)合地基沉降發(fā)展規(guī)律，特別是復(fù)合地基的工后沉降計算理論還很不成熟，理論計算值和實測結(jié)果差距較大，這影響了復(fù)合地基應(yīng)用的進一步發(fā)展。本課題通過室內(nèi)外試驗、理論分析和數(shù)值分析，并結(jié)合工程案例反分析，考慮樁間土體排水固結(jié)與樁土應(yīng)力比發(fā)生改變之間的耦合作用、作用在復(fù)合地基上的上部結(jié)構(gòu)的剛度和復(fù)合地基加固區(qū)下臥可壓縮性土層特性等因素對復(fù)合地基沉降發(fā)展的影響，揭示復(fù)合地基沉降隨時間的發(fā)展規(guī)律，提出各類復(fù)合地基沉降及工后沉降計算方法，發(fā)展變形控制的復(fù)合地基設(shè)計計算方法，為工程建設(shè)服務(wù)。開展復(fù)合地基沉降發(fā)展規(guī)律研究，既具有重要的理論意義，又具有較大的工程實用價值。

本項目通過理論分析研究地震動特性的定量估計方法，構(gòu)建地震動時域和頻域特性的參數(shù)化模型；基于用模型特征參數(shù)相關(guān)近似地震動時程相關(guān)的思路，建立多維和多點地震動的相關(guān)模型；基于大量強震地面運動記錄，研究多維和多點地震動相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計特征及其影響因素，通過回歸分析建立考慮空間分布特征的多維和多點地震動相關(guān)參數(shù)的衰減模型（規(guī)律）；提出時域和頻域分別相關(guān)的設(shè)計空間地震動參數(shù)、設(shè)計地震動隨機模型和人造地震波反演技術(shù)。本項目研究從一個新的思路研究空間地震動問題，成果將為重大工程結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計提供實用的空間設(shè)計地震動輸入，并可為抗震規(guī)范的修訂提供參考。 2100433B