可液化地基中高层建筑桩基础震动规律研究

本项目以可液化地基中桩基础为研究对象，针对具有上部结构-桩基-地基系统的“三维化、非线性、大系统”的鲜明特征，揭示其动力相互作用规律与破损机理。以离心模型试验和数值仿真为主要研究手段，着重探讨地震条件下可液化地基中上部结构-桩-地基共同工作机理以及桩基础受力变形的基本规律、影响因素和物理机制，提出可液化地基中桩基础受力和变形计算分析方法。 （一）系统全面地调研整理了国内外相关的文献资料。通过总结分析，充分反映了目前国际上对可液化地基中桩基础抗震问题的认识水平，明确了目前各种方法中的问题。 （二）开发了可液化地基中桩基础动力离心模型试验系统并进行系列试验：在清华大学50g-t土工离心模型试验机和振动台上，开发了可模拟地震条件下可液化地基桩基础的离心模型试验及测量技术。完成了8组离心模型试验重点研究不同地基条件、上部结构对桩体所受水平荷载和弯矩大小和分布的影响，揭示了简单条件下可液化地基中桩基础的动力学响应规律。 （三）发展了针对砂土液化问题的三维化、非线性动力数值仿真理论及技术。建立了三维砂土液化后大变形统一本构模型，实现了对砂土液化后大变形问题的三维统一描述。采用高效数值算法，在开源OpenSEES非线性有限元软件平台上对模型进行了数值化，并实现了模型的并行计算。 （四）建立了成套的可液化地基中桩基础受力和变形计算分析方法：包括三维动力数值仿真技术在内，建立了可完整评价可液化地基中桩基础在地震过程中和震后水平和竖向受力与变形的计算分析方法，真正的发展了多尺度多层次精细数值仿真理论及技术，为桩基础安全调控和优化设计提供了理论及方法。 （五）揭示了可液化地基中桩基础动力响应规律。在总结试验规律的基础上，利用三维条件下桩基础大规模数值仿真技术和其他静动力计算方法，对可液化地基中桩基础在地震过程中和震后的受力和变形规律进行了全过程分析和总结。 2100433B

本项目拟以被广泛采用的可液化地基中高层建筑混凝土预制桩基础为研究对象，将上部结构-桩基础-地基视为三维非线性系统，以揭示该系统的动力相互作用规律与破损机理为核心，通过震害调查、离心模型试验和数值仿真等多种手段综合应用，重点突破上部结构-桩基-地基试验模型系统精细制作技术，重点发展模型试验与数值仿真相结合的多尺度多层次精细分析模拟技术，探讨合理的地震动输入机制，系统地研究运动相互作用和惯性相互作用在地震液化土层出现前的地基小变形阶段、地震液化土层出现后的较大变形阶段和地震结束后的残余变形阶段中对建筑桩基础震动响应规律与破损机制的定量影响，系统地揭示强烈地震环境下处于不同工况的上部结构-桩基-地基共同工作机理与破坏模态，系统地分析桩基础破损的基本规律和影响因素，寻求建立桩基础震动安全调控和抗震优化设计的理论及方法，以期为高层建筑物桩基础抗震优化设计奠定科学基础。

依照申请计划，课题组通过理论分析、数值模拟对复合地基在各种工况下沉降性状进行了分析，并将研究内容拓展到工程实践中。首先，对刚性基础下打穿及未打穿软土层粘结材料桩复合地基固结问题进行了求解，并对两种情况下地基的固结性状进行了分析。接下来采用有限元数值分析对路堤荷载作用下的粘结材料桩复合地基固结沉降发展规律进行了研究，并提出了改善地基沉降的建议。然后，基于散体材料桩固结理论，对散体材料桩复合地基桩土应力比发展规律进行了一定研究。最后，在现有理论及数值研究的基础上，课题组参与设计古顺变电站地基基础的设计，并提出了复合地基的长期观测方案。依托本项目，课题组已发表论文8篇，其中有3篇SCI，同时有5篇论文拟发表，已培养博士2名，1名博士在读。该项目的完成对进一步揭示复合地基的发展规律具有重要意义。 2100433B

随着我国土木工程建设的发展，复合地基在建筑工程、市政工程、交通工程和铁道工程中得到了广泛应用。但由于复合地基沉降发展规律，特别是复合地基的工后沉降计算理论还很不成熟，理论计算值和实测结果差距较大，这影响了复合地基应用的进一步发展。本课题通过室内外试验、理论分析和数值分析，并结合工程案例反分析，考虑桩间土体排水固结与桩土应力比发生改变之间的耦合作用、作用在复合地基上的上部结构的刚度和复合地基加固区下卧可压缩性土层特性等因素对复合地基沉降发展的影响，揭示复合地基沉降随时间的发展规律，提出各类复合地基沉降及工后沉降计算方法，发展变形控制的复合地基设计计算方法，为工程建设服务。开展复合地基沉降发展规律研究，既具有重要的理论意义，又具有较大的工程实用价值。

本项目通过理论分析研究地震动特性的定量估计方法，构建地震动时域和频域特性的参数化模型；基于用模型特征参数相关近似地震动时程相关的思路，建立多维和多点地震动的相关模型；基于大量强震地面运动记录，研究多维和多点地震动相关参数的统计特征及其影响因素，通过回归分析建立考虑空间分布特征的多维和多点地震动相关参数的衰减模型（规律）；提出时域和频域分别相关的设计空间地震动参数、设计地震动随机模型和人造地震波反演技术。本项目研究从一个新的思路研究空间地震动问题，成果将为重大工程结构的抗震分析与设计提供实用的空间设计地震动输入，并可为抗震规范的修订提供参考。 2100433B