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可液化土


第 38 卷第 4 期 2010 年 4 月

同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
JOURNAL OF TONGJ I UNIV ERSI TY(NA TURAL SCI ENCE)

Vol . 38 No. 4   r . 2010 Ap

interaction wit h t he sat urated sand soil as model soil . A flexible containe r was fabricated to minimize t he box effect . Macro2p he nome na of high2rise building in ground of soil Tes t res ults s how t hat t he mode s hape of t he s yst em is diffe rent f rom t hat of t he s t ruct ure on t he fixed base i n t hat t here are rocking and swing at t he foundation. The nat ural ratio of soil increases wit h t he increase of t he s haki ng. The dissipate in s hort time immediately af te r t he excitations , but it

liquefaction due to nat ural eart hquake we re rep roduced well .

f reque ncy of int eraction s ystem decreases and t he damping liquefied soil can filte r and isolate vibration. Transie nt minus p ore p ress ure occurs . Pore water p ress ure does not always

文章编号 : 02532374 X ( 2010) 0420467208 中图分类号 : P 315. 97  

可液化土- 高层结构地震相互作用振动台试验
李培振 ,程   ,吕西林 ,任红梅 磊
( 同济大学 土木工程防灾国家重点实验室 ,上海 200092)

摘要 : 进行了可液化土2高层结构地震相互作用的振动台试 验 ,试验采用柔性容器以减小边界影响 , 采用饱和砂土作为 模型土 . 试验中再现了液化场地土中高层结构的震害现象 . 得出的主要规律有 : 相互作用体系的振型曲线与刚性地基上 结构的振型曲线明显不同 ; 随着振动次数的增加 , 体系的频 率降低 ,阻尼比增大 ; 砂土对地震动可起滤波和隔震作用 ; 当 最初加速度峰值到达前 , 砂土层中的孔压比存在负值 ; 震后 土中孔隙水压力不一定随振动的停止而立即开始消散 ,在短 期内可能继续增长 ; 桩身应变幅值呈桩顶大 、 桩尖小的分布 ; 桩土接触压力幅值分布规律与输入激励地震大小有关 . 关键词 : 地震相互作用 ; 振动台试验 ; 高层结构 ; 可液化土 文献标识码 : A

amplit ude along t he pile is t he s hape where t he large s t rain is

at t he top of t he pile and t he s mall s t rain is at t he tip of t he

S ha king Ta ble

A bs t r act : Shaki ng table model tes t was made on high2rise buildi ngs wit h a conside ration of t he liquefiable soil2s t ruct ure

may keep on increasing too. The dis t ribution of t he s t rain

Considering L iquefiable Soil2st r uct ure Interaction
LI Peizhen , CHENG Lei , LU Xili n , REN Hongmei
Tongji Universit y , Shanghai 200092 , China)

(State Key Laborat ory of Disaster Reduction in Civil Engineering ,

收稿日期 : 2008 - 12 - 30 基金项目 : 国家 “九七三” 重点基础研究发展计划资助项目 (2007CB714202) ; 国家自然科学基金重大研究计划重点资助项目 (90815029) ; 国家自然科学基金资助项目 (50578124) ; 上海市青年科技启明星计划资助项目 (07QA14054) ) 作者简介 : 李培振 (1975 — ,男 ,副研究员 ,工学博士 ,主要研究方向为工程结构抗震 . E2mail :lipeizh @tongji. edu. cn ) 吕西林 (1955 — ,男 ,教授 ,博士生导师 ,工学博士 ,主要研究方向为工程结构抗震 . E2mail :lxl st @tongji. edu. cn ( 通讯作者)

Tes ting on High2rise B uildings

pile . And t he dis t ribution of t he contact p ress ure on t he pile2 soil inte rface is related to t he excitation magnit ude . Key w o r ds : dynamic soil st ruct ure inte raction ; s haking table

构地震反应的影响已进行了多方面的研究 , 尤其是 大型离心机试验和模型振动台试验在研究中得到了 较多的应用 [ 1 ] , 由于模型振动台试验不存在离心机 试验中的科利奥利效应问题等优点 , 所以是研究可 液化地基2结构动力相互作用的一种有效的方法 , 受 到国内外学术领域的极大关注 . 在国外 , 可液化地 基2结构相互作用模型振动台试验研究方面美 、 日两 国近年来的发展速度相当快 . 如 Tamura S 等 [ 2 ] 在日 本地震科学和防灾国家研究院 ( N IED ) 进行了液化 砂土2结构相互作用体系大比例模型试验研究 . 日本 和美国自 1992 年起合作进行了 EDU S ( eart hquake damage to undergro und st ruct ures ) [ 3 ] 研究 . 而国内 开展可液化土2结构相互作用模型振动台试验研究 只是最近几年的事 . 陈跃庆 、 吕西林等于 2001 年进 行了有建筑物存在的软土地基液化模拟地震振动台 试验研究 , 再现有建筑物存在的砂质粉土地基的液 土2桥梁结构动力相互作用振动台试验 [ 5 ] , 试验采用 了剪切盒作为试验容器 . 2005 年 11 月孟上九等 [ 6 ] 进 行了液化土2结构相互作用的振动台试验 , 揭示可液 化地基上建筑物不均匀震陷的发生机制 . 2006 年 8 月冯士伦等 [ 7 ] 通过振动台试验 , 研究了饱和砂土中 桩基的振动特性以及桩在砂土振动液化后的水平承

化过程 [ 4 ] . 凌贤长等于 2003 年进行了液化场地桩2

test ; high2rise building ; liquefiable soil

   近几十年来 ,国内外就结构2地基相互作用对结

DOI : 10 . 3969/ j . iss n. 02532374 x. 2010 . 04 . 001

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同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)

第 38 卷  

载特性 . 同济大学土木工程防灾国家重点实验室于 2007 年 6 月进行了可液化地基2高层结构相互作用体系 的振动台模型试验 , 初步研究了液化场地条件下土 结动力相互作用的效果及规律 .

0 @15.

模型所用材料均进行了材性试验 , 实测了材性 参数 . 其中 ,上层粉质黏土容重为 18. 23 kN ?m - 3 , 孔隙比 为 0. 945. 下层 砂土 为中 砂 , 容重 为 19. 01
kN ? - 3 ,孔隙比为 0. 528. 微粒混凝土的立方体强 m

度均值为 8. 529 M Pa ,弹性模量均值为 11. 243 × 3 10

1  振动台模型试验设计
1. 1   模型的相似设计

M Pa. 容器外壁的橡胶邵氏硬度实测值为 73.

为了使模型试验结果能尽量真实地反映原型结 构体系的性状 ,进行了模型的相似设计 ,土体 、 基础 、 上部结构遵循相同的相似关系 ,允许重力失真 . 模型 缩尺比例为 1/ 10 ,质量密度相似系数 Sρ = 1 , 弹性模 量相似系数 S E = 1/ 2 . 668 . 按 Bockingham π 定理导 出了各物理量的相似关系式和相似系数 .
1. 2   土体边界条件模拟

本试验在模型设计时考虑通过 2 项措施来减少 边界条件的影响 . 一是控制结构模型的平面尺寸 ,使 之与地基模型的平面尺寸相比小于一定的数值 , 本 试验取地基平面直径 D 与结构平面尺寸 d 之比值为
5. 第二项措施是设计采用了一个柔性容器 , 结合适

当的构造措施减少模型箱效应 . 本试验的土体边界 条件模拟方法可参见文献 [ 8 - 9 ] .
1. 3   模型的设计与制作

试验选取 1 个双向单跨的 12 层框架为上部结 构 ,其梁 、 、 柱 板均设计为现浇 . 基础形式为桩基 , 桩 长为 1. 2 m. 上部结构和桩基采用微粒混凝土和镀 锌铁丝制作而成 . 模型土采用普通黄砂 ,将粗颗粒筛 掉 ,上覆粉质黏土层 0. 20 m , 下面饱和砂土为 1. 30
m. 在各层土中 , 饱和砂土是可液化土 , 上覆粉质黏

图1  模型尺寸及配筋详图
Fi g. 1   Model l a you t a n d rei nf o rce me nt det ails

1. 4   测点布置及量测

试验中采用加速度传感器 、 应变传感器 、 土压力 计和孔隙水压力计等量测上部结构 、 基础和地基土 体的动力反应 、 桩土界面的接触压力以及土体中振 动孔隙水压力变化 . 土压力计采用复旦大学传感器 工程研究室研制的 P T1410 Y 圆盘形泥压传感器 ,直 径和高度均为 12 mm , 量程为 100 k Pa , 精度为 0. 5
k Pa. 孔隙水压力计采用中国水利水电科学研究院研

土后 ,将更加有利于达到地基土的液化 . 模型的缩尺 比例为 1/ 10 ,该尺寸是现有振动台条件下所采用动 力相互作用体系模型的最大合理尺寸 . 模型布置和 配筋如图 1 所示 . 图中 H 为土层厚度 , 值为 1 600
mm ; h1 为上部结构高度 ,值为 3 600 mm ; h2 为桩承

台厚度 ,值为 100 mm ; h3 为桩长 ,值为 1 200 mm ; h4 为桩端距容器底部距离 , 值为 200 mm ; E 为桩的截 面宽度 ,值为 45 mm ; F1 为梁宽 ,值为 30 mm ; F2 为 梁高 ,值为 60 mm ; G1 为柱截面宽度 , 值为 50 mm ;
G2 为柱截面高度 ,值为 60 mm ; L 1 为柱距 , 值为 600

制的 2050D 动态渗压计 , 量程为 50 k Pa , 分辨率为
0. 01 k Pa. 土中加速度计进行过改装 [ 8 - 9 ] , 试验测点

布置见图 2. 图中 A 和 R 表示加速度计 ; S 表示土中 经过改装的加速度计 ; H 表示孔隙水压力计 ; E 表示 应变计 ; P 表示土压力计 .
1. 5   试验加载方案

mm ; B 3 ~ B 11 分别为具体的配筋值 , B 3 为 Φ . 20 , B 4 2 Φ 8 @15 , B 6 为 Φ2 . 20 , B 7 为 Φ 0 @20 , B 8 为 为 0. 1.

试验选用地震波形有 El Cent ro 波和上海基岩 波 ,其时程及傅氏谱图如图 3 ~ 4 所示 , 时间间隔为

Φ2 . 20 , B 9 为 Φ 0 @15 , B 10 为 Φ 0 @15 , B 11 为 Φ 1. 1. 1.

  4期 第

李培振 ,等 : 可液化土2高层结构地震相互作用振动台试验

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0. 02 s. 台面输入加速度峰值按小量级分级递增 , 按

相似关系调整加速度峰值和时间间隔 , 时间间隔调 整为 0. 003 266 s. 其台面输入加速度峰值大小见表 1 ,其中序号 1 ,4 ,7 ,10 ,13 和 16 工况为输入小振幅 白噪声激励 ,以观察模型的频率和阻尼比变化情况 .

图4  上海基岩波时程及其傅氏谱
Fi g. 4   Accele r a t i o n t i me2his t o r y a n d cor resp o n di n g Fo u rie r sp ect r a of S h a n g h ai B ed r oc k Wa ve

表1  试验加载方案

Ta b. 1  Tes t l oa di n g s c hed ules
工况代号
1WN 4WN 7WN

序号
1 4 7

加速度峰值/ g 原型 模型

0. 070 0. 131 0. 070 0. 375 0. 070 0. 750 0. 070 1. 125 0. 070 1. 500 0. 070

2 ,3 5 ,6 8 ,9 10 13 16

EL1 ,SJ 1 EL2 ,SJ 2 EL3 ,SJ 3 10WN 13WN 16WN EL4 ,SJ 4 EL5 ,SJ 5

0. 035 0. 100 0. 200 0. 300 0. 400

图2  试验测点布置 ( 单位 : m m )
Fi g . 2   ket c h of t he meas u ri n g p oi n t S a r r a n ge me n t ( u ni t : m m)

11 ,12 14 ,15

  : EL 指 El Cent ro 波 ( X 向) ; SJ 指上海基岩波 ( X 向) ;4WN 指第 注
4 工况 ,输入为白噪声 ; EL2 指 El Cent ro 波第 2 级输入 .

2  振动台试验结果与分析
2. 1   试验现象

试验模型如图 5 所示 , 试验开始时土表没有积

水 . 在较小台面加速度输入时 , 容器及土体反应较 小 ,摆动不大 , 上部结构的位移反应也不大 ; 随着台 面输入加速度峰值的增加 , 土体 、 结构的反应增强 ;
SJ 3 工况后 ,地表有少量下沉 ,结构整体有明显下沉 ,

结构周边土表有少量积水 . EL4 工况振后 1. 5 min 后 ,靠容器东边和北边出现喷水冒砂现象 ,持续时间
图 3  El Ce nt r o 波时程及其傅氏谱
Fi g. 3   Accele r a t i on t i me2his t or y a n d cor resp o n di n g Fo u rie r sp ect r a of El Ce nt r o w a ve

约 4 min ,见图 6. SJ 4 工况振动过程中 , 上部结构摇 晃幅度明显变大 ,承台处时有上翘 、 明显脱离地表现 象出现 ,振后结构底部周围出现多处冒泡 , 持时约 5

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同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)

第 38 卷  

min. 积水继续增多 , 上部结构向东北向倾斜约 8° . EL5 工况后容器西边和北边出现多处喷砂冒水 , 持

全部被水覆盖 , 地表下沉现象明显 . 所有工况完成 后 ,测得上部结构顶部向东北向倾斜 17 cm. 容器周 边地表下沉 4 cm ,中间地表下沉 7 cm ,中部积水深 5 cm. 抽去土表积水后 ,看到的土表下沉和裂缝情况见 图 7. 试验中 ,在上部结构中没有发现裂缝 .

续约 8. 5 min. SJ 5 工况后 , 容器东边 、 西边 、 南边土 表立即出现多处冒泡 , 持续约 5. 5 min , 上部结构向 东北向严重倾斜约 12°地表除西边靠容器壁处以外 .

图5  试验照片
Fi g . 5  P h ot o of t es t

图 6  EL 4 工况后的冒砂现象
Fi g . 6   a n d boili n g p he n ome n o n af t e r S t he exci t a t i o n of EL 4

图7  试验后土体的下沉情况
Fi g . 7   u bs i de nce of t he s oil S af t e r t he t es t

   试验结束后 ,挖出桩体 ,发现沿桩身分布着较多 的水平裂缝 . 桩身上部区段的裂缝较密 ,桩尖裂缝较 少或没有裂缝 ; 在沿振动方向的 3 排桩中 ,2 排边桩 的裂缝较多 、 缝宽也较大 , 中排桩的裂缝相对略少 、 裂缝宽度也略小 ; 从每根桩的裂缝形态看 ,裂缝在垂 直于振动方向的面上基本贯通 , 而在平行于振动方 向的面上则常常不贯通 , 裂缝呈现典型的弯曲裂缝 的形态 . 2. 2   体系的动力特性 根据试验中的白噪声工况取得的数据进行谱分 析 , 得到各白噪声工况时土体和体系模型的频率和 阻尼比 ,结果列于表 2. 结构柱顶测点和刚性地基上 结构柱顶测点的传递函数如图 8 所示 . 从表 2 和图 8

可看出 : 考虑相互作用的结构体系加速度反应的频 谱组成与刚性地基上不考虑相互作用的频谱组成明 显不同 ,与土体频率接近的分量得到了加强 ,而考虑 相互作用的结构体系的阻尼比则大于结构材料阻尼 比 ; 而且 ,随试验振动次数的增加和输入激励峰值增 大 ,土体与体系模型的频率都下降 , 阻尼比增大 . 体 系频率随振动次数下降是土体软化 、 上部结构刚度 退化 、 桩基裂缝发展三者的共同结果 . 应该指出的 是 , 试验中白噪声工况和各地震波加载工况之间的 时间间隔较长 ,振动孔隙水压力有了较大的消散 ,所 以白噪声工况时的频率并不能完全真实地反映土体 液化过程中土体和体系的振动特性 .

表2  土体和体系模型的频率和阻尼比
Ta b. 2  F reque ncy a n d da mp i n g r a t i o of t he s oil a n d t he s ys t e m
序号
1 4 7 10 13 16

工况代号
1 WN 4 WN 7 WN 10 WN 13 WN 16 WN

土表面测点 频率/ Hz 阻尼比/ %
8 . 337 8 . 337 8 . 337 7 . 741 4 . 764 5 . 657 11 . 82 11 . 62 14 . 07 10 . 50 17 . 52 20 . 18

结构柱顶测点 频率/ Hz 阻尼比/ %
2 . 977 2 . 977 2 . 680 2 . 084 1 . 786 1 . 786 7 . 01 8 . 08 8 . 33 9 . 10 16 . 53 11 . 19

刚性地基上 结构频率/ Hz
2 . 977 2 . 977 2 . 680 2 . 084 1 . 489 1 . 191

   9 为试验中实测的模型在各阶段的振型曲 图 线 . 从图中看到 , 由于结构2地基动力相互作用 , 基础 处明显存在平动和摆动 ; 上部结构的第一振型以剪 切型为主 . 随输入地震波加速度峰值的提高 , 土体孔 隙水压力提高 , 土体不断软化 , 基础平动增加 ; 由于 上部框架结构基本未产生裂缝 , 振型曲线的形状变

化不大 . 2. 3   加速度峰值放大系数 利用试验中位于上部框架结构 、 承台顶面及土 体内不同高度处测点的加速度记录 , 得到相对容器 底板上测点记录的加速度输入的峰值放大系数 , 绘 出在不同峰值大小的不同地震波输入情况下 , 可液

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李培振 ,等 : 可液化土2高层结构地震相互作用振动台试验

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化地基2高层结构动力相互作用体系上不同高度处 的加速度反应的峰值放大系数与测点高度的关系曲 线 ,如图 10.

构反应以及结构多振型反应的复合结果 . 在大震时 , 由于土体起明显的隔震作用 ,结构反应较小 . ( 3) 随着输入加速度峰值的增加 , 加速度峰值 放大系数减小 . 其原因是随着试验振动次数的增加 和输入振动的增强 ,土中孔隙水压力上升 、 土体不断 软化 、 非线性加强 ,土传递振动的能力减弱 .

图8  结构柱顶测点的传递函数 (1 WN 工况)
Fi g . 8  Tr a nsf e r f u nct i o n of t he meas u ri n g p oi nt a t t he t op of t he s t r uct u re ( u n de r t he exci t a t i on of 1 WN)

图 10   不同高度处加速度峰值放大系数
Fi g. 10   mp lif ica t i o n f act ors of t he p ea k A accele r a t i on a t dif f e re nt hei g h t s

2. 4   结构顶层加速度反应组成分析

结构顶层位移由平动 、 转动和结构变形 3 部分 组成 ,故有
? ? ? ? ? ?

u = ug + H

? ?

R1 + R2 L

+ ue

? ?

( 1)

式中 : u 为结构顶层总加速度反应 ,可通过结构顶层 ? ? 测点测出 ; u g 为结构基础平动加速度反应 ,可通过基 础测点测出 ; H 为结构高度 ; R 1 , R 2 为由竖向布置 的测点 R1 , R2 测出的加速度 . 这样 , 结构变形引起 ? ? 的 u e 可由式 ( 1) 计算得到 .
图9  试验的振型曲线
Fi g. 9   Mode s h ap e c u r ves of t he t es t
? ? ? ?

? ?

按式 ( 1) 对结构顶层加速度反应进行分析 ,图 11 分别为 EL3 工况下 ,组成结构顶层加速度反应的各 部分的时程及其傅氏谱 . 图中自上而下分别为结构 顶层总加速度反应 u 、 由基础转动引起的摆动分量
Hθ 、 平动分量 u g 和上部框架结构变形分量 u e . 其
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

从图中可以得到如下规律 : ( 1) 对于土体部分 , 土层传递振动的放大或减 震作用与土层性质 、 激励大小等因素有关 . 在小震时 起放大作用 ; 在中震和大震时 ,由于孔隙水压力的上 升 ,砂土发生了液化 、 非线性发展 ,刚度下降 ,转而主 要起减震作用 . ( 2) 对于上部框架结构 , 在小震时 , 各层加速度 反应峰值明显不同 , 这是基础平动和摆动引起的结

中 ,θ 为 基 础 转 动 引 起 的 上 部 结 构 转 动 角 度 , θ=
? ? ? ? R1 ? ?

+ R2
L

.

从图中可得到如下规律 : ( 1) 由于框架结构的刚度不大 , 结构弹塑性变 ? ? 形分量 u e 较大 ,其次是由基础转动引起的摆动分量

    472

同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)

第 38 卷  

θ H 和平动分量 u g .

? ?

? ?

图 11   组成结构顶层加速度各分量的时程和傅氏谱 ( EL 3 工况)
Fi g . 11   Accele r a t i o n wi t h t i me his t or y a n d co r resp o n di n g f o u rie r sp ect r a f or eac h comp o ne n t of t he resp o ns e a t t he t op of t he s t r uct u re ( u n de r exci t a t i on of EL 3)

  ( 2) 从时程图可以看出 , 平动分量和由基础转 动引起的摆动分量与结构弹塑性变形分量不同步 , 可能同相也可能反相 , 在时程上出现相互叠加或相 互抵减 . ( 3) 通过分析不同加速度峰值下的结构顶层加 速度反应组成 ,发现随输入加速度峰值的增大 ,各分 量的频谱组成向低频移动 , 其中以摆动分量和平动 分量比较显著 . 这是因为随着输入激励的增大 ,土体 软化 、 非线性发展 ,地基基础的转动刚度和平动刚度 下降 .
2. 5   地震中孔压比的瞬态变化

势 ,并且孔 压消 散的 速度 呈自 下而上 逐渐 减慢 的 趋势 . ( 2) 除了孔压比达到 1. 0 的 H2 和 H3 处测点 外 ,输入激励峰值越大 ,孔压比的数值也越大 . ( 3) 在最初的加速度峰值到达时刻出现了 “瞬 时负孔压” 现象 ,原因可能是由于液化砂土层在最初 加速度峰值到达时发生 “瞬时膨胀” 作用 , 导致孔隙 水压力计在瞬时测得的不是压力 ,而是吸力 ,即孔压 的瞬时记录为负值 . 凌贤长做过的液化场地模型振 动台试验中也发现了类似的现象 [ 5 ] . ( 4) 孔压和孔压比的数值与埋深和是否处于基 础下方有关 . 对于处于同一埋深的测点而言 ,处于基 础下方测点的孔压和孔压比数值明显大于位于基础 外的测点 ,如位于基础下方 H1 , H2 , H3 的孔压比数 值 ,明显大于位于基础外的 H4 , H5 , H6 测点的孔压 比数值 . 表明基础和上部结构的存在对振动孔隙水 压力的增长有影响 . 在 EL3 工况下 ,埋深小的 H2 , H3 点的孔压比达到 1. 0 ,砂土发生了明显的液化现象 . ( 5) 上海基岩波激励下的孔压比时程明显不同 于 El Cent ro 波激励下的孔压比时程 ,表明土中孔隙

在砂土中埋设了 9 个高灵敏度孔隙水压力计 , 实测了土中振动孔隙水压力变化的情况 . 图 12 给出 了 EL3 工况下不同位置测点得到的孔压比时程 , 经 零线校正 , 图中各时程图的排列与测点的相对位置 一致 ,孔压比时程的前 3. 344 s 为振动台热机时间 . 可得出如下规律 : ( 1) 无论在小震激励和较大地震激励下 , 砂土 层中孔压均随加速度峰值的增大而迅速上升 , 当输 入地震波结束后 , 孔压的变化主要表现为消散的趋

  4期 第

李培振 ,等 : 可液化土2高层结构地震相互作用振动台试验

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水压力变化与地震激励的频谱组成有密切关系 . ( 6) 从图中看到 , 震后土中孔隙水压力不一定 随振动的停止而立即开始消散 , 在短期内可能继续 增长 ,输入地震波的时间长度为 8. 8 s 左右 , 振动台 试验中孔隙水压力计的数据采集到 294. 3 s. 分析上 述规律的原因可能是 ,在振动激励下 ,土体处于不稳 定的非线性变形中 ,土层表面出现沉降 ,当振动停止 时 ,这种不稳定性并不能立即停止 , 变形继续发展 , 使孔隙水压力在震后表现出继续上升的现象 .

增幅加大 . ( 3) 在前面较小加速度峰值的地震波输入时 , 上海基 岩 波 激 励 下 的 桩 身 应 变 反 应 明 显 小 于 El
Cent ro 波输入下的反应 ; 后面较大加速度峰值的地

震波输入时 , 上海基岩波激励下的桩身应变反应明 显大于 El Cent ro 波输入下的反应 . 表明桩身应变幅 值与地基的动力特性和输入地震波的频谱特性有密 切的关系 .

图 12   不同测点孔压比时程 ( EL 3 工况)
Fi g. 12  Po re p res s u re r a t i o t i me his t o r y of dif f e re nt meas u ri ng p oi nts ( under t he excit ation of EL 3 )

图 13   不同峰值 El Ce n t r o 波输入下桩身应变 幅值和桩土接触压力幅值分布
Fi g . 13   Dis t ri bu t i on of t he s t ai n a mp li t u de a n d t he con t act p ress u re a mp li t u de al on g p iles u n de r exci t a t i on of va ri o us p ea k accele r a t i ons

2. 6   桩身应变和桩土接触压力分析

为了了解桩基础中桩的反应 , 试验中沿桩身高 度布置了应变片和土压力计 , 以量测不同工况下的 桩身应变和桩土之间接触压力的变化情况 . 图 13 给 出试验中在不同峰值的 El Cent ro 波输入情况下桩 身应变 幅 值 和 桩 土 接 触 压 力 幅 值 沿 桩 身 的 分 布 情况 . 由试验可以得出如下一些规律 : ( 1) 桩身的应变幅值分布呈桩顶大 、 桩尖小的 分布 . 这与试验后看到的桩身裂缝呈上部较密 、 下部 裂缝较少的分布形态一致 . ( 2) 随着输入加速度峰值的增加 , 桩身的应变 反应总体趋势是增大 . EL4 工况之后 ,由于土体发生 了液化 ,上部结构发生了倾斜 ,导致桩的应变幅值的

  ( 4) 桩土接触压力分布规律与输入激励地震大 小有关 . 在很小的地震波激励时 ,桩土接触压力幅值 呈桩顶大 、 桩尖小的分布 ; 但随输入加速度的增大 , 下部砂土与桩的接触压力增长较大 , 上部砂土增长 较小 ,桩土接触压力幅值呈桩顶小 、 桩尖大的分布 . 产生这种反应情况的原因可能是在地震波激励下 , 随振动次数增加 , 黏性土覆盖下的砂土层中的孔隙 水压力上升 ,在土体液化发展过程中 ,上部土体的液 化程度大于下部土体 , 从而导致上部土体刚度下降 较多 . ( 5) 随着输入加速度峰值的增加 , 桩土接触压 力幅值基本上呈增大趋势 .

    474

同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
[J ] . 结构工程师 ,2004 ,20 (3) :57.

第 38 卷  

( 6) 在 El Cent ro 地震波和上海基岩波激励下 ,

桩土接触压力幅值的大小和规律基本一致 .

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3  结论
( 1) 试验成功地再现了可液化地基2高层结构相

[ 2 ]  Tamura S ,Suzuki Y , Tsuchiya T , et al . Dynamic response and failure mechanisms of a pile foundation during soil liquefaction

互作用体系的实际震害现象 , 如出现了喷水 、 冒砂 、 土表下沉 、 土表大量积水 、 上部结构发生沉降和倾斜 等现象 . ( 2) 考虑相互作用的结构体系加速度反应的频 谱组成与刚性地基上不考虑相互作用的频谱组成试 验结果明显不同 , 与土体频率接近的分量得到了加 强 . 考虑相互作用的体系阻尼比大于结构材料阻尼 比 . 随振动次数的增加和输入激励峰值增大 ,土体与 体系模型的频率都下降 ,阻尼比增大 . 相互作用体系 的振型曲线与刚性地基上结构的振型曲线明显不 同 ,基础处存在平动和转动 . ( 3) 土层传递振动的放大或减震作用与土层性 质、 激励大小等因素有关 , 在小震时起放大作用 , 中 震和大震时主要起减震作用 . ( 4) 上部结构顶层加速度反应的组成取决于基 础转动刚度 、 平动刚度和上部结构刚度的相对大小 . 在试验中 ,结构变形分量为主要组成分量 ,由基础转 动引起的摆动分量和平动分量相对较小 . 随输入加 速度峰值的增大 ,各分量的频谱组成向低频移动 ,其 中尤其以摆动分量和平动分量比较显著 . ( 5) 砂土层中孔隙水压力随加速度峰值的增大 而迅速上升 ,当输入地震波结束后 , 孔压的变化主要 表现为消散的趋势 . 对于处于同一埋深的测点而言 , 处于基础下方的测点的孔压和孔压比数值明显大于 位于基础外的测点 . 当最初加速度峰值到达前 ,砂土 层中的孔压比存在负值 . 震后土中孔隙水压力不一 定随振动的停止而立即开始消散 , 在短期内可能继 续增长 . ( 6) 桩身应变幅值呈桩顶大 、 桩尖小的分布 . 桩 土接触压力幅值分布规律与输入激励地震大小有 关 . 随着输入加速度峰值的增加 ,桩身应变和桩土接 触压力幅值基本上呈增大趋势 . 参考文献 :
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testing for layered soil2foundation2st ruct ure interaction system

Experimental st udy on t he mechanism of eart hquake2induced


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