液化土流动对桩产生横向荷载的数值分析与振动台试验研究

本研究拟采用三维无网格法与有限元耦合的数值分析方法和大型振动台试验，研究地震诱发地基土液化并横向流动对桩基础产生横向推力及桩基础变形甚至破坏的机理，详细讨论桩周土液化流动速度、孔隙水压力对桩身横向荷载的影响，得到液化土横向流动中桩的p-y曲线规律，以揭示液化土流动造成桩破坏的机理。以循环弹塑性模型作为液化土体的本构模型，更好地描述土的材料非线性；引入更新的拉格朗日公式这一有限变形理论，以适应大变形液化流动的几何非线性；在液化流动土区域使用无网格法；可避免有限元法由于变形过大产生网格扭曲而计算终止的现象。同时采用大型振动台试验，开发可控液压驱动倾斜土槽，模拟液化土流动中桩的破坏过程，获得桩身所受横向压力、孔压分布和桩身变形的试验数据，找到p-y曲线的规律，以便为桩基础抗震设计提供有价值的数据。此研究对可液化区域桩基础耐震设计具有重要的科学意义和工程实用价值。

本项目针对液化土流动对单桩产生横向破坏作用问题，基于现代试验设备与测试基础上的土工试验技术和数值计算方法及分析理论与模型试验技术紧密地相结合。将先进的计算模型和分析方法成果有效地转化为实用的计算模式与工程设计方法。注重学术创新与技术开发两方面的协调性，紧密结合学科前沿和工程实践，在学科、实验室和人才培养等多方面取得突破性进展。研究内容包括：围绕液化土流动对单桩产生横向破坏作用问题，开展多方面的研究工作并取得创新性成果。在桩－可液化土相互作用的先进数值分析方法方面，分别开发了无网格-有限元耦合方法、三维无网格数值分析方法、以及基于SPR的误差评估的自适应网格细化数值分析方法和自适应网格再生成数值分析方法，有效地避免了以往采用有限单元方法进行大变形分析中，由于局部变形过大，致使某些单元严重扭曲，计算中断的问题。这些方法适应于可液化土-桩动力相互作用分析中液化土发生大位移流动的情况，这项研究既为可液化土中桩的地震灾害分析提供了可靠的数值分析方法，同时也丰富了桩－可液化土相互作用的计算理论。在先进的振动台试验设备开发方面，成功地开发了用于振动台的大型可控液压传动自动倾斜土槽， 实现了先振动液化，然后可选角度倾斜使液化土流动的试验目的，可进行桩土相互作用系统1：10缩尺模型试验，目前正在申请专利。在液化土流动对单桩产生横向破坏作用机理研究方面，采用三维动力数值模拟手段结合振动台试验，研究了单桩基础和四桩基础在液化土横向流动时的受力及变形特性，讨论了不同地盘倾角产生不同流速和不同地震强度及波形特点等因素对地基土液化程度（即超孔隙水压力）、桩体受力及变形的影响规律，发现由于液化使土体失去强度，p-y曲线比值变小的规律。揭示液化土横向流动造成桩基础破坏的机理，指出了桩基破坏的薄弱位置及抗震措施，为我国桩的抗震设计提供了参考依据。在砂土液化特性方面，以本脱土和福建标准砂为样本研究了粘粒含量对饱和砂液化特性的影响规律，为场地液化判断提供了依据。