液化场地-结构体系地震反应与破坏高效数值模拟方法及振动台模型试验研究

A large number of earthquake hazard investigation indicated that the ground liquefaction is the important factor induced to seismic failure of engineering structure, in order to reveal the effects of ground liquefaction to the nonlinear seismic response and failure of structure, based on saturated two-phase media theory of liquid-solid coupling and soil nonlinear constitutive model for liquefaction, a highly efficient numerical modeling suitable to nonlinear seismic response analysis for structure system in liquefied ground will been developed in the study, a large shaking table testing of liquable ground–pile–upper structure systems will been carried out for verification of numerical modeling, the nonlinear seismic response and seismic-induced failure mechanism and mode of the systems will be investigated. The main innovations: double explicit computation method based on u-p dynamic model of saturated coupled two-phase media and high precision artificial boundary of stress type in infinite field will been established; large shaking table testing of nonlinear seismic response of liquable ground–pile–upper structure systems under bidirectional horizontal seismic loadings will been carried out.

大量震害调查表明，场地液化是造成工程结构地震破坏的重要原因，为揭示场地液化对结构非线性地震反应和破坏的影响规律，本项目拟基于液-固耦合饱和两相介质理论和可反映液化阶段的土壤非线性本构模型，发展一套适用于液化场地-结构体系非线性地震反应和破坏机理分析的高效数值模拟方法；开展可液化地基-桩基-上部结构体系大型振动台模型试验，研究其地震非线性反应规律和地震破坏机理与失效模式，验证数值模拟模型。主要创新点：建立基于液-固耦合饱和两相介质土体u-p格式动力模型的双显式计算方法和对应的无限域应力型高精度人工边界条件；实现双向水平地震作用下可液化地基-桩基-上部结构体系地震非线性反应大型振动台模型试验。

在地震过程中因地基发生砂土液化而产生的侧向变形、地基沉降、边坡失稳等往往是建筑物破坏的重要原因之一，因此液化场地土-结构动力相互作用的研究是地震工程中的热点研究课题。.本项目开展了液化自由场地、非液化场地-群桩-上部结构体系、液化场地-群桩-上部结构体系地震非线性反应振动台模型试验，重点探讨了结构的存在（土-结构动力相互作用）对可液化地基的抗震稳定性影响问题、液化/非液化场地中土-结构动力相互作用与桩基地震反应的差异、不同场地条件下上部结构地震响应的差异等，并发展地基液化对结构地震反应影响的大型振动台试验技术；基于u-p格式两相介质动力方程，建立无需进行边界透水性假定的黏弹性人工边界，并建立时空解耦的双显式有限元法，在OpenSees中实现了桩-土整体系统的全显式动力计算方法，并与液化场地-桩基-上部结构体系地震非线性反应振动台模型试验结果进行对比，验证了数值分析模型的合理性。.通过本项目研究可知，与可液化场地对比，非液化场地-结构动力体系中的结构由于地震动在土体中明显的放大，结构加速度与动位移均较大，结构的地震动能量也一直保持在较高水平，实际工程中应关注场地土体对地震加速度反应明显的放大作用对结构动力反应的影响；在可液化场地中，由于饱和砂土层发生液化，上部结构动位移的循环分量很小，但发生液化的土体对桩基-上部结构的侧向承载力很小，导致结构发生了永久的侧向偏斜、发生了明显的倾斜。刚性地基上的结构在地震荷载下的动力响应大于土-结构动力相互作用体系中的结构，但刚性地基中的结构在地震荷载结束时不会产生任何残余侧向位移，说明刚性地基中结构破坏原因是由于结构本身的地震反应太大而导致。