基于离心机试验与数值模拟对比的地震土 - 结构相互作用先进土模型评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Assessment of advanced soil models for seismic soil–structure interaction based on comparisons between centrifuge tests and numerical simulations

　　

摘要 在地震岩土工程中，土–结构相互作用的动力学行为建模极具挑战性。在易液化土壤中，这种复杂性进一步加剧，因为孔隙水压力积累导致的刚度退化与高度非线性的地震响应相互耦合。本研究系统评估了土–桩–上部结构系统的地震响应，以阐明三种先进的土本构模型——SANISAND和两种次弹性模型——如何影响地震行为。通过关键性能指标对土–桩系统响应进行了详细考察，包括加速度放大、累积绝对速度、剪应变发展、各土层的液化潜势、竖向峰值位移以及单桩结构响应。所有指标的数值结果均与文献中报道的离心机试验数据进行验证。结果表明，SANISAND和一种修正的次弹性模型能更好地预测不同地震强度下的峰值加速度、累积绝对速度和桩的弯曲行为。相比之下，一种基本的次弹性模型倾向于高估变形。研究结果揭示了先进的土本构模型和试验验证数据对于土–桩系统可靠地震分析的重要性，并强调了需要更多和更广泛的验证数据集以降低数值预测中的不确定性。引言 地震事件中的土壤液化是导致易液化土中结构损坏的主要原因之一。这一重要现象数十年来一直是岩土研究人员的核心讨论话题，并且至今仍然是一个复杂且活跃研究的课题 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。数值分析表明，与桩参数相比，土参数对土–结构相互作用的动力行为影响显著，特别是在易液化土中。许多研究强调了使用可靠的土本构模型以准确预测地震荷载下土和结构动力响应的重要性 [8], [9], [10], [11], [12], [13]。在近几十年中，由于先进的土本构模型能够捕捉土行为的多种特征（如刚度退化、状态依赖性、结构演化、循环流动和液化机制），其使用日益受到重视。次弹性框架不依赖于屈服面或势面的明确定义，可以作为先进土本构模型的基础。该框架最初由Kolymbas [14], [15], [16], [17] 提出，用于颗粒土的 nonlinear 本构模型。此后，研究人员进一步发展和改进了次弹性（HP）模型，使其更适用于边界值问题 [18], [19], [20]。次弹性模型的早期版本因在多种加载场景下（包括循环加载）提升性能而广受认可。为了更好地考虑循环加载过程中的应变和孔隙水压力积累，通过使用颗粒间应变（IGS）概念将记忆效应添加到本构方程中 [21]。次弹性模型的进一步扩展是为了提高其模拟颗粒土循环行为的能力 [22], [23], [24], [25], [26]。在准确捕捉循环行为之前，必须解决基本次弹性模型 [18] 在单调固结不排水（CU）加载下的不足。开发了一种具有三项关键修正的修正次弹性（MHP）模型 [27]，以克服 [18] 提出的基本次弹性模型的局限性，特别是关于模拟有限流动行为、控制加载初始阶段孔隙水压力以及捕捉剪切过程中的硬化效应方面。随后，研究其结合 [28] 提出的IGS概念后的能力，在多种加载条件下进行了调查。模拟结果表明，MHP+IGS模型在循环和地震加载条件下的预测能力得到了增强。基于运动硬化理论的边界塑性是另一种先进的框架。 [29] 提出的一种双面塑性模型整合了临界状态理论 [30]，以表征砂在多种加载条件下的行为。针对双面塑性模型提出了许多修改以解决原始公式的缺陷，这些修改都属于SANISAND（Simple ANIsotropic SAND）系列；这些改进包括引入状态相关剪胀性、固有结构各向异性的影响、反向加载下剪胀阶段的结构演化、结构与剪胀之间的相互作用以及在恒定应力比条件下模拟塑性变形的能力 [31], [32], [33], [34]。SANISAND模型已被进一步扩展，以更好地捕捉循环加载导致液化的复杂土行为特征。不同研究者提出了多个增强版SANISAND模型，以提高其在模拟不排水循环加载条件下的性能 [35], [36], [37], [38], [39]。近年来，越来越多的关注被给予使用先进本构模型预测振动台和离心机试验中观察到的土行为。然而，使用实验室试验数据校准这些模型并将其应用于同种土的边界值问题仍然是一项具有挑战性的任务，主要由于难以获取适用于两种模拟类型的连贯试验数据。尽管存在这些局限，使用精密的土模型预测土–结构相互作用的地震响应正受到越来越多的关注。例如，使用SANISAND模型模拟可液化土层，以预测地震荷载下土–桩–结构系统的潜在损伤 [40]。其他复杂的数值分析侧重于将先进本构模型应用于可液化土沉积，特别是在静力和动力荷载条件下的土–桩相互作用 [41], [42], [43], [44]。本研究建立在前期使用先进本构土模型进行的土–桩–上部结构（SPS）分析 [28] 的基础上，但将焦点从本构模型的土行为转向SPS系统的地震响应及其结构性能。对SPS系统的地震响应进行了彻底调查，以展示三种先进本构土模型对预测SPS相互作用的影响。选择了三种本构模型以捕捉可液化砂的循环和地震响应：(1) [33] 的SANISAND模型，(2) [18] 的次弹性模型，结合 [21] 提出的颗粒间应变（IGS）概念，称为HP+IGS，以及 (3) [27] 的修正次弹性（MHP）模型，进一步结合 [21] 的IGS概念 [28]。通过ABAQUS/Standard [45] 中的UMAT子程序进行了一系列隐式动力分析，以检验SPS系统的地震响应。评估内容包括峰值加速度（PGA）、累积绝对速度（CAV）以及地震地面运动在各土层中的放大，并与离心机试验结果 [46] 进行比较。此外，还评估了剪应变响应、液化潜势以及土剖面内最大地震需求的空间分布。还分析了峰值竖向位移、土层的水平加速度以及沿桩深度发展的最大弯矩，以评估不同土本构模型的预测能力，并为土–结构相互作用系统的可靠抗震设计提供指导。章节摘要 标定后的土本构模型 本研究采用了三种土本构模型，并使用基于Nevada砂单调和不排水三轴循环试验数据的单元模拟进行标定 [28]。第一种模型SANISAND [33] 是一种边界塑性公式，在剪应力空间中使用四个锥形面：一个以回溯应力比（??）为中心的、具有运动硬化屈服面、一个边界面、一个剪胀面和一个临界状态面。该模型包含十四参数离心机试验与有限元模拟 为验证目的，本研究使用了 [46] 进行的离心机实验，在实验报告中称为CSP3。物理模型由一根外径0.67米、壁厚72毫米的铝桩组成。桩总长20.6米，其中3.8米露出地面；顶部设有一个49.1吨的上部结构以模拟结构荷载。土体由两层Nevada砂组成：一层中密层，相对密度?????0=55%土层的地震响应 在地震分析中，PGA反映最大瞬时震动强度。然而，累积绝对速度（CAV）等参数能提供更全面的土和结构响应的度量。CAV考虑了震动的强度和持续时间；与仅使用PGA相比，它与结构和岩土损伤具有更好的相关性。CAV作为一种可靠的损伤指标，因为它捕捉了破坏过程的关键特征；例如，它与以下因素成正比结论 本研究展示了三维隐式动力分析，以评估三种先进土本构模型——SANISAND和两种次弹性模型——在预测土–桩–上部结构系统地震响应方面的性能。这些模型模拟了Nevada砂的行为，并与离心机试验数据进行验证。已对土–桩系统的地震响应进行了考察，包括加速度放大、CAV、剪应变、液化潜势。贡献声明 Mehdi Joneidi：撰写—原始稿件、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、形式分析、概念构思。Gertraud Medicus：撰写—审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取。Roshanak Shafieiganjeh：撰写—审阅与编辑、验证。Barbara Schneider-Muntau：撰写—审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。伦理合规 本研究符合所有伦理准则。利益冲突声明 作者声明不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢 本研究由奥地利研究促进署（FFG）资助，项目编号FO999898870。此外，本文是博士论文的一部分，作为论文的一个章节收录。第二作者的研究部分由奥地利科学基金会（FWF）资助 10.55776/V918。为开放获取目的，作者对本投稿产生的作者接受手稿版本申请了CC BY公共版权许可。作者还感谢Mehdi Joneidi|Gertraud Medicus|Roshanak Shafieiganjeh|Barbara Schneider-Muntau，因斯布鲁克大学，因斯布鲁克，6020，蒂罗尔州，奥地利的开发者。