液化侧扩流场地高桩码头桩－土－结构相互作用耦合机制与抗震设计方法研究

The strong pile-soil-superstructure interaction results in serious damage to the pile foundation in the liquefaction-induced lateral spreading ground during the earthquake, however, the soil-pile kinematic interaction and pile-superstructure inertial interaction can not be decoupled analytically, which causes no unified theory was obtained on the kinematic and inertial interaction and the coupling mechanism of two of them in the seismic design of high pile wharf. In view of this, the shake-table test, numerical simulation and theoretical analysis will be conducted to analyze the interaction of wharf pile-soil-superstructure in this project. Firstly, the shake-table test of pile-soil-superstructure interaction in lateral spreading ground will be carried out, the typical dynamic response and load transfer law of pile-soil during the earthquake will be studied, and the inertial and kinematic effect will be approximate decoupled. Secondly, the decoupling cases of inertial effect and kinematic effect are established, the effect of pile, soil, and ground motion characteristics on the phase relation between inertial and kinematic effect will be analyzed, and the coupling mechanism between inertial and kinematic effect will be given. Finally, the seismic design method of pile foundation in liquefaction-induced lateral spreading ground will be developed. This project will provide reliable basis for further perfecting the theory of seismic design of pile foundation, which has important scientific significance and application value.

地震过程中强烈的桩－土－上部结构相互作用导致液化侧扩流场地桩基破坏严重，然而桩－土运动相互作用与桩－结构惯性相互作用无法解析解耦，导致现有研究针对高桩码头桩基抗震设计中如何考虑惯性效应、运动效应以及二者耦合机制问题上尚未形成统一理论。鉴于此，本项目基于振动台试验、数值模拟和理论分析对液化侧扩流场地高桩码头桩－土－上部结构相互作用进行分析。首先，开展桩－土－结构相互作用振动台试验，研究地震过程中桩土典型动力响应特性与荷载传递规律，并基于振动台试验结果近似解耦惯性效应与运动效应；其次，建立惯性效应与运动效应解耦工况，分析桩基特性、场地特性以及地震动特性对惯性效应与运动效应相位关系的响应，揭示惯性效应与运动效应耦合机制；最后，基于文克尔地基梁模型，发展液化侧扩流场地桩基抗震设计方法。研究成果将进一步完善码头抗震设计理论，具有重要的科学意义和应用价值。

港口工程大多处于板块交界处，地震频发。强震作用下，液化引起的侧向大变形是引起高桩码头桩基础破坏、造成巨大生命与财产损失的最主要原因，因此，研究液化场地高桩码头桩基地震响应规律与破坏机理，对于港口桩基础设计与安全运营具有重要意义。本研究以桩－土－上部结构体系为研究对象，采用CSIEM-40-300大型动力离心模拟试验系统，成功开展了液化与液化侧扩流场地中高桩码头桩基抗震物理模型试验；建立了液化与液化侧扩流场地桩-土-结构相互作用有限元模型，并采用离心振动台试验结果进行了验证；开展了液化与液化侧扩流场地桩-土-结构相互作用分析；针对液化侧扩流场地桩-土-结构体系荷载传递规律进行了分析。结果表强震作用下土层发生液化，放大效应规律不明显，且对加速度响应有滤波作用；动土压力的峰值基本都在10kPa左右，且不同深度处的幅值差别不大；有限元模型中通过在海侧节点施加节点力和相应节点荷载能准确反映自由水体的影响；在模型两侧设置自由场边界可以有效降低边界效应对模拟结果的影响；利用p-y弹簧可以较好模拟桩土相互作用，实现较大的桩土相对位移。对比数值模拟与离心机试验结果，验证了所建液化侧扩流场地桩-土-结构体系数值计算模型的可靠性；惯性荷载和运动荷载的相对方向随着参数的变化而发生显著变化，对于上部结构质量或上覆黏土层强度较小，桩身相对刚度较大的桩基，惯性荷载和运动荷载趋于同相，起叠加作用；反之，对于上部结构质量或上覆黏土层强度较大，桩身相对刚度较小的桩基，惯性荷载和运动荷载趋于反相，起抵消作用。此外，在一定范围内，随着上部结构质量和桩身刚度的增加，惯性荷载和运动荷载显著增大；惯性作用与运动作用在不同形式的激励下呈现出不同的相位关系，且惯性作用和运动作用耦合作用对桩身弯矩的影响同样与激励形式有关。