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砂土地震液化与液化后大变形的评价及其对桩基的影响是岩土抗震工程领域的难点和热点研究课题之一,对其展开深入而系统的研究具有重大的理论意义和工程应用价值。本文在前人研究成果的基础上,采用室内试验、理论分析与数值模拟相结合的方法较为系统地了研究了饱和砂土地震液化与液化后大变形的基本规律,并结合泰州长江大桥的主跨边塔桩基工程实际,研究了地震液化以及液化后侧向大变形对桩基工程的影响,得出了一些有价值的结论。本文主要的研究内容和取得的成果如下:
(1)利用GDS10Hz/20kN双向振动三轴系统,对饱和砂土进行了一系列不排水动三轴试验,分别研究了初始有效固结压力和细粒含量对饱和砂土动力特性的影响。基于试验结果,探讨了饱和砂土动弹模、阻尼比、动强度与有效围压和细粒含量的关系,研究了动弹模和阻尼比与动应变的依赖关系,并给出了相应公式的参数取值和随有效围压、细粒含量的变化规律;从微观结构特征出发,阐释了细粒含量对饱和砂土动弹模、阻尼比和动强度的影响机制和作用机理。
(2)利用GDS10Hz/20kN双向振动三轴系统,对饱和砂土进行不排水动三轴液化试验,研究了液化进程中动孔压的发展规律,并阐述了动孔压的演化机理。基于试验结果,得到了一种新的适用于饱和砂土的动孔压应变模型,该模型直接与动力分析的应变幅相联系,可以弥补应力模型的不足。同时基于孔压应力模型,研究了细粒含量对动孔压演化特性的影响,给出了相关参数随细粒含量的变化规律,并对其影响机理进行了解释。
(3)利用GDS循环三轴仪进行了饱和砂土液化后静力再加载试验。从砂土受振动荷载结束后所处的拉伸、压缩两种状态出发,对饱和砂土液化后的强度变形特性进行分析,研究了干密度、有效围压、液化程度和细粒含量对饱和砂土液化后不排水变形特性的影响。试验结果表明,振后处于拉伸状态的试样,液化后的变形由低强度段、超线性强度恢复段和次线性强度恢复段三段组成。振后处于压缩状态的试样,液化后的变形则只有次线性强度恢复段。提出了统一描述振后试样处于拉伸、压缩两种不同受力状态下砂土液化后应力应变关系的三阶段模型,并给出了模型参数的推导过程。与试验结果对比显示,该模型的预测值与试验值吻合较好,验证了模型的合理性和有效性。
(4)液化侧扩地基中,桩在地震期间和地震后两阶段的受力机理是不同的,采用有限差分软件FLAC3D建立了地震期间液化场地桩-土动力相互作用的有效应力分析方法,考虑了桩土共同作用的非线性关系,对液化侧扩地基中的单桩、群桩进行了非线性的动力有限差分分析,研究了地震期间考虑液化影响的桩基的动力反应特征并为液化后大变形对桩基的影响提供计算条件。
(5)采用有限差分数值方法,得到了一种新的液化侧扩地基中桩基的计算模型,基于弹塑性地基反力法,推导了液化侧扩地基中桩基的有限差分解统一格式,并编制了相应的有限差分程序。基于砂土液化后大变形试验,分别对单桩和群桩桩位处的液化后侧向大变形进行了预测,利用自编有限差分程序研究了液化后地基侧向大变形对单桩和群桩的影响,并对不同工况下单桩和群桩在液化后侧向大变形作用下的受力和变形特性进行了分析。初步验证了程序的适用性,得到了液化侧扩地基中桩基础在强震作用下的破坏机制,桩基础在液化土层与非液化土层的交界处会产生超过本身极限抗弯能力的弯矩,易发生弯剪破坏,在有液化侧扩地基中的桩基础设计不能仅考虑上部结构的震动影响,还应计入地基侧向位移对桩基础的影响。
(6)基于液化侧扩地基中桩基的计算模型,以泰州长江公路大桥主塔桩基工程为例,分析了在场地土体液化及液化后大变形条件下桩基的抗震性能,进一步验证了程序的适用性,同时为该桩基工程的抗震设计与施工提供科学的依据和指导,并可为液化侧扩地基中桥梁桩基的抗震设计和地震安全性评价提供借鉴和参考。
最后,得到了本文研究工作的主要结论,对进一步研究工作的方向进行了简要的讨论。