单桩-土-结构模型动力相互作用的振动台试验与数值模拟

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Shaking table test and numerical simulation of dynamic interaction for single pile-soil-structure model

　　

世界上多次大地震中发生了桩基础的严重损坏，这使得桩基础的抗震损伤响应受到更多关注。然而，关于非基岩场地上具有大刚度结构的桩基础抗震响应的研究较少。本文设计并进行了桩-土-结构模型的振动台试验，以研究具有大刚度结构的桩基础的动力相互作用和惯性相互作用。揭示了桩基础的应力特征和抗震损伤机理。研究发现，在桩-土-结构动力相互作用系统中，土基和桩中均存在加速度的动力放大现象，放大系数介于1.1和2.0之间。承台和上部结构的加速度放大系数达到4，结构的加速度放大现象明显。在地震荷载下，桩的内力包络呈“X”形分布。桩顶和桩底处的剪力和弯矩较大，这符合振动台试验中桩基础的力学特征。较好地模拟了桩底的埋置状态和桩顶承台的约束状态。随着结构质量的增加，桩的内力增大。荷载循环对桩的内力分布有显著影响。随着输入脉冲周期的增加，桩的内力增大，且桩的弯矩拐点位置逐渐向桩头移动。

论文解读：单桩-土-结构体系动力相互作用的试验与模拟研究

该研究由Lei Yu、Zhen-Dong Cui、Li-Ping Jing及Gang Wang等研究人员开展，发表于期刊《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（《土壤动力学与地震工程》）。桩基础因其稳定性好、承载力高、沉降小等特点，广泛应用于高层建筑、大跨桥梁及核电设施等重要工程中。然而，全球多次强震（如1964年新潟地震、1971年圣费尔南多地震、1989年洛马普列塔地震）的震害调查表明，桩基础在地震作用下可能发生严重损坏甚至导致结构失效，这凸显了桩-土-结构动力相互作用（Pile-Soil-Structure Dynamic Interaction, PSSD）在抗震分析中的重要性，尤其是在动力响应更为复杂的非岩石场地。现有的桩-土-结构动力相互作用研究虽已涉及弯曲破坏、剪切破坏及桩土分离等破坏模式，但对于非基岩场地上大刚度结构桩基础的抗震响应研究仍较为缺乏；同时，以往的物理模型试验对上部结构引起的惯性效应（Inertia Interaction）关注不足，且试验案例数量有限，缺乏与数值模拟的全面交叉验证及对地震波多样动力特性的充分考虑。此外，现有的数值研究往往未能充分解决上部结构质量变化引起的惯性效应，且大多仅依赖数值模拟，缺乏与物理模型试验的验证和对比。鉴于振动台试验存在成本高、数据采集困难及试验工况有限等局限，而数值模拟（如有限元法、有限差分法）能较好模拟土体的非线性、大变形及复杂边界条件，研究人员认为，采用一种基于物理试验验证数值模型、进而开展考虑多种因素的广泛参数化模拟的方法，能够确保研究的可靠性和效率。因此，研究人员通过开展大规模振动台试验耦合数值模拟，系统研究了单桩-土-结构系统的地震响应，明确了结构质量引起的惯性效应影响机制，并拓展了参数分析的范围。

为开展上述研究，研究人员采用了以下主要关键技术方法：首先，利用具备三向六自由度、台面尺寸5000 mm × 5000 mm、载重30 t、最大加速度1.0 g、频率范围0.5 ～ 40 Hz的振动台设备；其次，使用长度为3700 mm、宽度为2400 mm的分层剪切模型箱（Laminar Shear Model Box）以克服传统刚性箱边界反射波的干扰，更好地模拟自由场条件；试验输入了不同峰值加速度的人造波和自然地震波（包括正弦波、随机波和地震波）。在数值模拟方面，研究人员建立了单桩-土-结构系统的有限元模型（Finite Element Model），并基于振动台模型试验获得的加速度响应对该模型进行了验证，随后利用验证后的模型输入合成地震波，扩展了上部结构质量的变化范围，以研究结构质量和地震动速度脉冲周期对桩内力及位移发展的影响。

研究结果如下：

研究首先进行了边界效应验证（Validation of boundary effect）。在振动台试验中，地震激励作用于模型箱底部，当应力波传播至土容器边界时不可避免地产生反射波和散射波，可能对测量数据引发边界效应。为评估此现象，研究人员系统比较了各监测点的加速度时程和傅里叶谱，具体对比了沿路径III的点A8和A10处的加速度响应。

随后，研究人员开展了有限元建模（Finite element modelling）。有效的数值模拟可以预测试验结果并从定性上验证试验结果的有效性。研究人员同样采用有限元模型模拟桩-土-结构动力相互作用，再次验证了振动台试验数据的可靠性。

通过试验与模拟，研究人员得出了若干结论（Conclusions）。研究人员通过一系列振动台模型试验，研究了地面结构质量变化对桩及周围土体动力响应的惯性效应。此外，基于振动台试验结果建立并验证了单桩-土-结构动力相互作用模型。利用验证后的模型，研究了结构质量及地震动速度脉冲周期对桩内力和位移的影响。具体结论包括：在桩-土-结构动力相互作用系统中，土基和桩中均存在加速度的动力放大现象，放大系数介于1.1和2.0之间；承台和上部结构的加速度放大系数可达4，结构加速度放大现象明显；在地震荷载下，桩的内力包络呈“X”形分布，桩顶和桩底剪力和弯矩较大，符合桩基础在振动台试验中的力学特征，且较好模拟了桩底埋置状态及桩顶承台约束状态；随着结构质量增加，桩内力增大；荷载循环对桩内力分布影响显著；随着输入脉冲周期增加，桩内力增大，且桩弯矩拐点位置逐渐向桩头移动。

综上所述，该论文通过结合物理模型试验与数值模拟的手段，深入揭示了非基岩场地上单桩-土-大刚度结构系统在地震作用下的动力相互作用机理及惯性效应影响，特别是明确了加速度放大规律、内力包络“X”形分布特征以及结构质量和输入脉冲周期对桩内力发展的量化影响，为该类桩基础的抗震设计与安全评估提供了重要的理论依据和参考数据。