液化地基中群桩基础-上部结构共同作用抗震机理与工程应用研究

As many damages on the pile foundations in liquefied ground are reported during the strong earthquakes since 1960, research is focus on the seismic behavior of pile foundations. This application aims to explore the mechanism of seismic performance of the group-pile foundation-superstructure interaction system in liquefiable ground, and propose a seismic enhancement method for existing pile foundations with low cost, efficiency and applicability. First, the evolution rule of the liquefaction characteristics under dynamic loading conditions will be summarized through dynamic triaxial shear tests, and the constitutive model for liquefaction of sand can be established in a unified way including both static and dynamic loading condition. The constitutive model, together with the Axial Force Dependent model and beam-column hybrid element method for piles are applied in the soil-water fully coupled numerical method. Second, propose an efficient seismic enhancement method with low cost and applicability based on the Partial Ground Improve method according to the existing investigation results, and conduct shaking table tests on the group-pile foundation-superstructure system with different improvement patterns in saturated sandy ground. The shaking table tests are simulated in both model type and prototype. Finally, the efficient and applicability of the proposed seismic enhancement method is confirmed and a new seismic evaluation method of group-pile foundation-superstructure system is established based on the fully understanding of the dynamic behavior of the group-pile foundation-superstructure system in liquefiable ground. The research results can be widely used in engineering practice and important development for social.

20世纪60年代以来的全球多次强震中可液化地基桩基础的震害屡见不鲜，使得桩基础的抗震研究成为了一个热点。本项目旨在探索液化地基中群桩基础-上部结构共同作用抗震机理，提出针对软弱地基中已建群桩基础-上部结构系统的抗震加强方案。首先，通过动三轴试验归纳总结砂土液化特性的演化规律，修改建立动静一体的砂土液化本构模型，并结合考虑桩轴力影响的非线性AFD桩模型和桩身截面大小的梁-柱混合单元法，应用到水土耦合有限元数值方法中；其次，在总结梳理已有研究成果的基础上提出基于PGI方法经济有效可行的抗震加强方案，对饱和砂土地基中采用不同加固模型的群桩基础-上部结构系统进行振动台试验和数值模拟；最后，验证所提出抗震加强方案的有效和适用性,在充分认识把握液化地基中桩基础一上部结构系统的地震性态的基础上，建立新的地基基础与上部结构共同作用的抗震评价方法。研究成果有广阔的工程应用前景和重要的社会意义。

本项目基于水-土完全耦合理论，采用动力有限元时程分析方法，围绕可液化地基桩基础离心机振动台试验和可液化地基中的不同相互作用体系展开理论研究和分析。首先，以饱和可液化地基、桩基础和地上结构为研究对象，采用水-土完全耦合动力有限元时程分析方法进行研究。通过对离心机振动台试验进行原型数值模拟，探明了交变作用下饱和可液化地基土、单桩基础和群桩基础所表现出的动力响应特性。并且通过与离心机振动台试验结果对比，验证了所采用水-土完全耦合动力有限元时程分析方法的有效性，并对土-桩接触单元等关键影响因素展开参数分析。. 其次，基于前述被验证的动力有限元时程分析方法和参数分析结果，对饱和可液化地基中四个工程场景展开了探讨。包括：a）采用等位移边界的饱和天然地基的场地宽深比选取和地震响应；b）可液化土-浅基础地上结构的地震响应和震后影响；c）可液化土-桩-地上结构地震响应及震后影响；d）盾构隧道临近可液化土-桩-地上结构的地震响应及震后影响。. 在研究中逐渐形成一种水-土完全耦合动力有限元时程分析方法，成功应用于可液化土-桩-地上结构的地震响应分析，并包括震后地基固结变形及其对桩基础、地上结构和隧道等的影响。在我国沿海、沿河和三角洲城市分布有大面积的可液化土。随着我国经济快速增长、城市化进程不断推进，这些地区的结构物日益密集化，地上结构、基础和地下结构相互交错，地基情况日益复杂，研究给出了一种分析和评价它们所形成的整体系统动力相互作用方法。. 本项目执行期间，不仅把握液化地层群桩基础抗震力学特性，提出有效抗震加固方法，还在此基础上扩展到液化地层地铁车站和隧道的研究，参与了工程项目，实际发表论文16篇，授权发明专利2项，获批软著2件，培养研究生3人，获得教育部科技进步二等奖1项，江西省科技进步二等奖1项，另外成功申请上优秀青年基金项目，已经超工作量和超指标完成预期结题目标。