在不同相对位置和岩嵌深度下，深沉积坡上桩基础的地震响应与破坏机制

地震作用下深沉积边坡岩柱基础动态响应与破坏机理研究，通过振动台试验分析不同相对位置（λ）和岩柱深度（RSD）的桩基地震响应及失效模式，发现非线性沉积物特性导致动响应波动和浅层滑动破坏，λ=0时地震响应最显著，RSD＞10D可有效缓解桩基变形与破坏。

　　

杨中平|张顺波|刘华|刘淼|李永华|关庆强

重庆大学土木工程学院，中国重庆400045

摘要

在中国西南部，岩石嵌套桩在深厚沉积物斜坡（DDPs）上被广泛使用。在这些斜坡上，地震后发生了多次沉积物滑坡以及桩基础的变形和破坏。本研究通过一系列振动台试验，评估了地震作用对不同相对位置（λ）和岩石嵌套深度（RSDs）下桩基础的地震响应和破坏机制的影响。研究结果表明，沉积物的非线性特性显著影响了沉积物和桩基础的动态特性及加速度响应，导致波动。靠近斜坡表面的桩基础和沉积物之间存在振动相位差和相对运动，从而形成了以浅层滑动为特征的破坏模式，这显著增加了桩基础上部的应变和弯矩。λ和RSD均通过惯性效应和桩-沉积物相互作用影响桩基础的地震响应、变形和受力。当λ=0时，桩基础的地震响应最为明显；而当λ=1时，桩-沉积物相互作用最为强烈（尤其是在2D到5D的深度范围内）。相比之下，RSD可以有效缓解这些影响，尤其是对于深度超过10D的桩基础。基于这些发现，本研究对不同λ和RSD下的深厚沉积物斜坡上桩基础的抗震设计提出了一些建议。

引言

中国西南部位于印度板块和欧亚板块的交界处，该地区地质条件复杂，地震活动频繁（Zhang等人，2022年）。深厚沉积物（厚度为25至50米的土岩混合物）在该地区广泛分布（Yang等人，2022a；Luo等人，2022年）。随着道路网络向中国西南部的山区扩展，超过90%的路线不可避免地经过沉积物斜坡。为了满足路线要求并避免深度挖掘或高填土（Zhao等人，2013年），桩基础被广泛采用，因为它们可以将上部荷载传递到下层基岩，并提供一定的抗滑能力以增强斜坡稳定性（Wang和Zhang，2014年）；因此，深厚沉积物斜坡（DDPs）上大量修建了桩基础（Nimityongskul等人，2018年）。然而，地震后，沉积物中发生了大量滑坡，同时桩基础也发生了变形和破坏（Zhang等人，2021年）。2008年汶川地震期间，引发了超过50,000次次生地质灾害，6,000多座桥梁受损（Huang和Li，2014年；Wang等人，2018年）。调查显示，在320座受损桥梁中，53%受到桩基础破坏、倾覆和开裂的影响（Han等人，2009年）。此外，记录在案的353次滑坡中有57%是由于沉积物斜坡的位移和滑动引起的（Zhang等人，2012年）。图1和表1总结了汶川地震期间沉积物斜坡上桩基础的主要地震破坏特征（Li等人，2008年；Wang和Lee，2009年；Yen等人，2009年）。

在地震事件中，地震产生的惯性力与土壤质量位移和滑动引起的挤压共同作用，导致桩基础产生弯矩和弯曲变形（P-Δ效应）（Knappett和Madabhushi，2012年；Zou等人，2020年）。同时，斜坡的不对称性降低了基础的横向抵抗力（斜坡效应）（Wang等人，2023年）。此外，斜坡在水平和垂直方向上放大了地震加速度（Qi等人，2022年），并且在斜坡表面及其顶部观察到非线性增加（表面和高度效应）（Zhang等人，2020年）。这些效应产生了不同幅度和方向的重复性拉剪作用（尤其是在斜坡表面附近）（Yin等人，2019年），导致不同斜坡位置的桩基础发生差异性变形和破坏（见图1和表1）。通常，为了确保桥梁工程的安全，斜坡上的桩基础采用岩石嵌套桩设计，其地震行为受岩石嵌套深度（RSD）和上部沉积物厚度的影响（Xu等人，2021年）。众所周知，增加RSD可以提高桩的动态刚度，从而减轻其地震响应（He等人，2019年；Qu等人，2021年）。相反，较厚的上部沉积物会降低桩抵抗垂直动态变形的能力（Yu等人，2010年）。在汶川地震的震中区域，第四纪-全新世冲积和堆积沉积物广泛暴露，厚度范围为3至30米，最大厚度为50至60米（Ding等人，2012年）。DDPs的非线性特性，如松散结构、较低的安全边际以及与下层基岩的明显分离（Sun等人，2020年；Qu等人，2024年），导致沿桩体的地震波激发不同（Deendayal等人，2016年）。它们对干扰的敏感性，加上较大的厚度，进一步增强了桩-土壤相互作用（Jesmani等人，2018年），从而加剧了桩的变形和破坏，表现出不同的特征（Yang等人，2023年）。因此，研究地震作用对不同相对位置（λ）和RSDs下DDPs上桩基础的影响，并评估其地震响应和破坏机制至关重要。

模型试验能够准确再现斜坡上桩基础在地震作用下的地震响应模式和变形破坏特性，被广泛用于研究斜坡上桩基础的动态稳定性（Dong等人，2022年；Li等人，2023a）。Yun和Han（2021年）使用动态离心模型试验评估了地震引起的斜坡破坏力对桩行为的影响。他们的研究结果表明，斜坡破坏在桩中引发了额外的响应，显著增加了桩的加速度和弯矩。相反，桩基础可以减轻周围斜坡的变形，这种效应沿斜坡向上传播，防止潜在滑动面的形成（Wang和Zhang，2014年）。Lei等人（2024年）使用振动台试验研究了不同地震荷载下桩基础的变形特性和地震响应。他们的结果表明，桩的“阻挡效应”减少了土壤的剪切变形，在地震加固中起着关键作用。然而，需要注意的是，上述研究主要集中在均匀土壤斜坡（如粘土和沙土）上的桩-土壤相互作用（Sun等人，2021年）。关于沉积物斜坡上桩基础的动态稳定性的研究较少（特别是涉及DDPs的情况）。尽管Zhang等人（2020年）和Zhang等人（2021年）使用振动台试验研究了沉积物斜坡上桩基础的地震性能和不稳定过程，并阐明了动态响应模式，但这些研究大多是针对特定情况的分析或局限于特定条件。

桩基础的位置对其动态稳定性有显著影响（Li等人，2023b）。以往的研究主要集中在分析斜坡上特定位置的桩的动态稳定性（如底部、中部和顶部），或距离斜坡顶部的不同距离（Qu等人，2021年；Deendayal等人，2016年；Yan等人，2020年）。具体来说，常用的简化方法（如伪静态法和新马克法）没有考虑地震持续时间和频谱特性的影响（Nimityongskul等人，2018年；Jesmani等人，2018年）。这些研究忽略了加速度的时空分布的异质性，可能导致对斜坡破坏风险的过高估计（Huang等人，2023年）。此外，除了Bahuguna和Firoj（2022年）使用有限元建模评估了不同建筑位置下的斜坡-基础-结构相互作用的地震响应外，只有少数研究考虑了斜坡上桩基础的不同位置。

RSD不足可能导致桩基础破坏，而RSD过大则会增加施工成本和工程难度。因此，以往的研究主要集中在不同RSD下桩基础的承载机制和桩-土壤相互作用（Wang等人，2020年；Huang等人，2021年；Li等人，2021a；Xing等人，2022年）；然而，RSD也影响桩基础的动态稳定性。随着RSD的增加，桩顶的峰值加速度、桩后方的峰值动态土壤压力、位移、弯矩和桩体的摆动幅度减小，从而提高了地震稳定性（Fa-You等人，2022年；Das等人，2023年）。此外，在地震循环荷载下，桩基础的动态刚度会降低，从而减少了来自基岩的阻力并增加了桩的水平位移（Feng等人，2023年），使动态分析变得更加复杂（Hou等人，2022年）。虽然这些研究推进了人们对不同RSD下平坦地形上桩基础地震响应的理解，但它们忽略了斜坡地形的影响，因此低估了斜坡的动态稳定性。因此，为了为中国西南部斜坡上桩基础的抗震设计提供依据，迫切需要研究不同λ和RSDs下DDPs上桩基础的地震响应和破坏机制。

本研究旨在研究不同λ和RSDs下DDPs上桩基础的地震响应，并揭示其破坏特性和过程。为此，本研究设计了不同λ和RSDs下DDPs上桩基础的通用模型，并进行了相似比为1:80的振动台试验。在实验过程中，监测了不同振幅的汶川波和正弦波（5Hz、10Hz和15Hz）下的加速度和应变响应的变化。首先，通过结合自然频率、阻尼比和损伤程度的变化，揭示了破坏特性、过程和模式。其次，进一步分析了加速度响应。最后，通过关注桩体的应变和弯矩，确定了不同λ和RSDs下的变形、力和桩-沉积物相互作用。

方法论

本研究的方法论章节遵循了一个结构化的多步骤工作流程。首先，它包含了有关测试设备的详细信息，据此确定了长度比例因子。其次，本章讨论了选择合成岩石、模型桩和重建沉积物时所采用的参数，以确保模型试验能够准确再现地震响应和破坏机制。第三，通过利用遥感技术

破坏过程

总结沉积物和桩基础的破坏特性有助于识别地震事件中的破坏机制。先前的研究表明，斜坡的变形和破坏与阻尼比呈正相关；然而，它们与自然频率呈负相关（Deng等人，2020年）。因此，本研究进一步结合测量的动态特性阐述了破坏过程

讨论

在中国西南部，岩石嵌套桩在深厚沉积物斜坡（DDPs）上被广泛使用，地震后发生了多次沉积物滑坡以及桩基础的变形和破坏。桩基础的位置和岩石嵌套深度对其动态稳定性有显著影响，导致不同的变形和破坏。然而，这些效应尚未得到明确识别或描述，特别是对于DDPs而言。本研究进行了一系列振动台试验

结论

本研究通过一系列振动台试验，研究了不同λ和RSDs下DDPs上桩基础的地震响应和破坏机制。研究结果表明，地震作用对破坏过程、动态特性、加速度响应以及不同λ和RSDs下桩体的应变和弯矩产生了影响。得出以下结论：

(1)

除了RSD = 0D处的沉积物（该处的沉积物同时受到斜坡底部

资金致谢

本工作得到了广西重点研发计划（guikeAB24010144）、国家重点研发计划（2021YFB3901402 和 2018YFC1504802）以及国家自然科学基金（52074042）的支持。

CRediT作者贡献声明

杨中平：撰写 – 审稿与编辑、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化。张顺波：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念化。刘华：可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析。刘淼：验证、方法论、调查、

利益冲突声明

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