覆水砂土场地中桥梁群桩基础地震响应离心试验研究_闫志晓.pdf

第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-06-24 录用日期：2022-09-18 基金项目：国家自然科学基金项目（No.51778207）；河北省教育厅在读研究生创新能力培养资助项目（No.CXZZBS2022038）；中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目（No.2021D02）。This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51778207),the Graduate Student Innovation Ability Training Project of Hebei Education Department(CXZZBS2022038)and the Scientific Research Fund of Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration(2021D02).第一作者简介：闫志晓，男，1995 年生，博士生，主要从事土动力及桩基抗震研究。E-mail: 通讯作者：李雨润，男，1978 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土工程、基础工程方面的研究与教学工作。E-mail: DOI：10.16285/j.rsm.2022.0967 覆水砂土场地中桥梁群桩基础地震响应覆水砂土场地中桥梁群桩基础地震响应 离心试验研究离心试验研究 闫志晓1，李雨润1，王东升1，王永志2（1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080）摘摘 要：要：为探究覆水饱和砂土场地中土群桩基础桥梁结构体系动力相互作用规律，自主设计并制作了直（斜）群桩基础桥梁结构物理相似模型，开展了不同地震动强度和不同特性地震波输入下的离心机振动台试验，分析了群桩基础桥梁结构动力特性指标，探究了覆水饱和砂土地基超孔隙水压力发展规律和桩土相互作用动力响应特性。研究结果表明：覆水的存在对地基土桥梁结构体系的基本周期和阻尼影响很小，但会导致直群桩基础桥梁结构的振动幅值增加 20%，而斜群桩基础桥梁结构的振动幅值降低 10%；斜群桩基础模型阻尼比是直群桩基础模型的 2 倍。上覆水导致饱和砂土地基由受低频振动液化深度更大变为受高频振动地基液化深度更大，同时导致小震作用下促进超孔隙水压力发展，而大震作用下则反之。上覆水会增大桥梁上部结构的动力响应和桩身弯矩。上述研究结果可为覆水场地中桥梁工程抗震设计提供关键参考依据。关关 键键 词：词：桥梁工程；抗震性能；离心机振动台试验；覆水饱和砂土场地；群桩基础 中图分类号：中图分类号：TU470 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03086112 Centrifugal experimental study on seismic response of bridge pile group foundation in overlaying water sandy field YAN Zhi-xiao1,LI Yu-run1,WANG Dong-sheng1,WANG Yong-zhi2(1.College of Civil Engineering and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin,Heilongjiang 150080,China)Abstract:In order to explore the dynamic interaction of the soil-pile group foundation-bridge structure system in overlaying water-saturated sand fields,a physical similarity model of the straight(oblique)pile group foundation-bridge structure was designed and fabricated.Centrifuge shaking table tests with seismic wave inputs of different ground motion intensities and characteristics were conducted.The dynamic characteristics indexes of pile group foundation-bridge structure were analyzed,and the development of excess pore water pressure in the overlaying water-saturated sand foundation and the dynamic response characteristics of pile-soil interaction was also investigated.The results indicated that the presence of overlaying water had little influence on the basic cycle and damping of the foundation soil-bridge structure system,but caused a 20%increase in the vibration amplitude of the straight pile group foundation-bridge structure system and a 10%decrease in the vibration amplitude of the oblique pile group foundation-bridge structure system.The damping ratio of the oblique pile group foundation model was twice as high as that of the straight pile group foundation model.The overlaying water caused the saturated sand foundation to change from a larger liquefaction depth under low-frequency vibration to a larger liquefaction depth under high-frequency vibration,meanwhile,it led to promote the development of excess pore water pressure under small earthquakes and vice versa under large earthquakes.Furthermore,the overlaying water would lead to an increase in the dynamic response of the bridge superstructure and the pile bending moment.The above research results could provide an essential reference for the seismic design of bridge engineering in overlaying water sand fields.Keywords:bridge engineering;seismic performance;centrifuge shaking table test;overlaying water-saturated sand field;pile group foundation 862 岩 土 力 学 2023 年 1 引 言 群桩是近些年跨江、河、湖、海桥梁工程中常采用的基础形式1，且有效的上覆水和土桩基础上部结构的相互作用设计是精细设计的桥梁上部结构平稳运行的保障；但地震作用下，地基液化导致的桥梁结构破坏仍是当前桥梁面临的主要灾害之一，例如 2021 年 5 月青海玛多地震和 2022 年 1 月青海门源地震的震害调查表明，震害现场河床及周边发现了地基液化2，且都造成了多座公路和铁路桥的严重震害。因此，开展覆水饱和砂土场地中土群桩桥梁结构的相互作用动力响应特征研究是桥梁抗震减灾的迫切需要。目前，国内外学者就地震中复杂的地基土桩基础上部结构的相互作用进行了大量的研究。Lombardi 等3-4研究了地基液化对桩基础支撑结构的模态参数，发现地基液化后桩支撑结构固有频率会大幅降低，结构阻尼比上升到 20%以上；惠舒清等5针对液化场地多跨简支桩基桥梁体系，考虑地震随机性的不确定性和认知的不确定性，结合地震危险性曲线自身的不确定性，推导性态指标危险性曲线的解析表达式；黄福云等6基于整体式桥台形钢桩土相互作用低周往复荷载拟静力试验，提出的多项式拟合法和黄林法能够较为准确地计算得到整体式桥台桩基土相互作用时的弯矩和剪力；Liu 等7-8通过离心试验研究了水平垂直双向振动下液化土桩的运动相互作用，证明了动态垂直总应力增量主要由过量孔隙水压力承担，对桩弯矩没有显著影响；李雨润9、闫志晓10等开展了饱和砂土场地 2 2 直群桩离心机试验，并建立了动静耦合非线性有限元数值模型，得出了地基液化加速度响应规律及桩身弯矩分布特征；Su 等11在具有中密砂层的可液化场地进行了群桩振动台试验，比较了桩和土壤的动力响应特性，并评估了结构的恢复力特性；Zhang 等12进行了一系列振动台试验，以研究具有不同固有频率的土层框架结构的动力相互作用，针对不同的土壤条件，评估了土壤和结构的固有频率和阻尼比随地震荷载强度的变化；Xu等13探究了液化、非液化、刚性地基上的桩基础柔性结构动力响应及土结构相互作用；冯忠居等14依托海文大桥工程，基于振动台试验，研究了强震下液化场地中群桩的动力响应特征及桩土相互作用 p-y 规律，并分析了强震作用下大直径深长单桩与群桩基础的动力时程响应差异15。另外，部分学者通过简化数值模型16-19、简化理论模型20-24、物理模型试验22等手段分析了地震、洪水冲刷等多灾害工况的非线性地基土桩基础桥梁结构的抗震性能，如 Wang 等23提出了一种基于脆性的“tornado diagram”方法评估桥梁结构和土壤参数的敏感性，并对架设在非液化和液化场地桥梁桩基进行了振动台试验24，比较了两个场地桩的不同破坏机制，评估了桩群效应，并指出在非液化土壤中，桩群效应显著，而在液化土壤中，桩群效应相对可忽略。综上所述，国内外学者在地基土桩基础上部结构的相互作用研究中取得了丰富的研究成果。然而对跨江河湖海的桥梁工程所在场地中的上覆水的影响有所忽略，因此本文在国内外学者的研究基础上，通过大型离心机振动台模型试验，开展覆水饱和砂土场地中直（斜）群桩基础桥梁上部结构体系的动力响应研究，探讨场地中上覆水对地基土中超孔隙水的发展、加速度