Study on Seismic Performance of Single Pile Foundations in Liquefiable Sites Based on Vulnerability Analysis

XU Xiaoshuai; JIA Kemin; XU Chengshun; DU Xiuli

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20230405001

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Study on Seismic Performance of Single Pile Foundations in Liquefiable Sites Based on Vulnerability Analysis

更新时间：2024-11-04

- Study on Seismic Performance of Single Pile Foundations in Liquefiable Sites Based on Vulnerability Analysis
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 44, Issue 5, Pages: 1094-1105(2024)
- 作者机构：
  
  北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20230405001
  CLC： TU375
- Received：05 April 2023，
  
  Revised：2023-05-15，
  
  Published：15 October 2024
- 稿件说明：
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许晓帅,贾科敏,许成顺等.基于易损性分析的可液化场地单桩基础抗震性能研究[J].防灾减灾工程学报,2024,44(05):1094-1105.

XU Xiaoshuai,JIA Kemin,XU Chengshun,et al.Study on Seismic Performance of Single Pile Foundations in Liquefiable Sites Based on Vulnerability Analysis[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(05):1094-1105.
许晓帅,贾科敏,许成顺等.基于易损性分析的可液化场地单桩基础抗震性能研究[J].防灾减灾工程学报,2024,44(05):1094-1105. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230405001.

XU Xiaoshuai,JIA Kemin,XU Chengshun,et al.Study on Seismic Performance of Single Pile Foundations in Liquefiable Sites Based on Vulnerability Analysis[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(05):1094-1105. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230405001.

摘要

桩基础是可液化场地中常用的深基础形式，广泛应用于近海港口、大型建筑等，资料表明可液化场地中地震引起的桩基础损伤破坏案例屡见不鲜。为了评估单桩基础的抗震性能，针对可液化场地单桩基础离心机试验，借助OpenSees计算平台建立了动力相互作用有限元数值模型，并将结果与已有的试验进行比较，验证了模型的有效性。基于此，重点分析了场地液化、上覆硬土层、上部结构对体系地震响应及桩基础抗震性能的影响。以桩头位移及曲率作为抗震性能指标并采用推覆分析获取桩在不同损伤状态下地震易损性抗震性能指标的界限值，以

PGA

作为地震动强度指标，基于云图法建立了概率地震需求模型，进而绘制了桩基础的地震易损性曲线，评估了不同性能状态的损伤概率。结果表明：土体液化、上覆硬土层及上部结构均增加了桩的曲率、位移需求和桩基础的损伤破坏概率。

Abstract

Pile foundations are a common form of deep foundations in liquefiable sites

with widespread applications in coastal ports and large buildings. Evidence suggests that cases of pile foundation damage caused by earthquakes in liquefiable sites are common. To evaluate the seismic performance of single pile foundations in liquefiable sites

a dynamic interaction finite element numerical model was established using the Opensees computational platform

based on centrifuge tests. The results were compared with existing experimental data to verify the model's validity. Based on this

the effects of soil liquefaction

overlying hard soil layers

and superstructure on the seismic response of the system and the seismic performance of pile foundations were analyzed. Pile head displacement and curvature were used as seismic performance indicators

and pushover analysis was employed to obtain the threshold values of seismic vulnerability under different damage states. Peak Ground Acceleration (PGA) was utilized as the intensity measure for seismic motion. A probabilistic seismic demand model was developed using cloud analysis

which led to the creation of vulnerability curves of pile foundations

assessing the damage probability for different performance states. The results showed that soil liquefaction

overlying hard soil layers and superstructure all increased the curvature and displacement demands on the pile

and the damage probability of pile foundations.

关键词

Keywords

references

Werner S ， McCullough N ， Bruin W ， et al . Seismic performance of port de port-au-prince during the haiti earthquake and post-earthquake restoration of cargo throughput ［J］. Earthquake Spectra ， 2011 ， 27 （ Sup1 ）： 387 - 410 .

Zhou Y ， Xia P ， Ling D ， et al . A liquefaction case study of gently sloping gravelly soil deposits in the near-fault region of the 2008 Mw 7.9 Wenchuan earthquake ［J］. Bulletin of Earthquake Engineering ， 2020 ， 18 （ 14 ）： 6181 - 6201 .

Haskell J J M ， Madabhushi S P G ， Cubrinovski M ， et al . Lateral spreading-induced abutment rotation in the 2011 Christchurch earthquake： observations and analysis ［J］. Géotechnique ， 2013 ， 63 （ 15 ）： 1310 - 1327 .

许成顺，贾科敏，杜修力，等 . 液化侧向扩展场地-桩基础抗震研究综述［J］. 防灾减灾工程学报， 2021 ， 41 （ 4 ）： 768 - 791 .

Xu C S ， Jia K M ， Du X L ， et al . Review on seismic behavior of pile foundation subjected to liquefaction induced lateral spreading ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2021 ， 41 （ 4 ）： 768 - 791 . （in Chinese）

李雨润，王佳玮，邹泽，等 . 变频规则波输入下直斜群桩动力响应对比试验研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2019 ， 39 （ 2 ）： 191 - 200 .

Li Y R ， Wang J W ， Zou Z ， et al . Comparative experimental study on dynamic response of straight inclined piles under variable frequency regular wave input ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2019 ， 39 （ 2 ）： 191 - 200 . （in Chinese）

Wilson D W . Soil-pile-superstructure interaction in liquefying sand and soft clay ［M］. Davis ： University of California， Davis America ， 1998 .

Liu X ， Wang R ， Zhang J M . Centrifuge shaking table tests on 4 × 4 pile groups in liquefiable ground ［J］. Acta Geotechnica ， 2018 ， 13 （ 6 ）： 1405 - 1418 .

唐亮，凌贤长，徐鹏举，等 . 可液化场地桥梁群桩基础地震响应振动台试验研究［J］. 岩土工程学报， 2010 ， 32 （ 5 ）： 672 - 680 .

Tang L ， Ling X L ， Xu P J ， et al . Shaking table test on seismic response of pile groups of bridges in liquefiable ground ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2010 ， 32 （ 5 ）： 672 - 680 . （in Chinese）

许成顺，豆鹏飞，杜修力，等 . 液化自由场地震响应大型振动台模型试验分析［J］. 岩土力学， 2019 ， 40 （ 10 ）： 3767 - 3777 .

Xu C S ， Dou P F ， Du X L ， et al . Large-scale shaking table model test of liquefiable free field ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2019 ， 40 （ 10 ）： 3767 - 3777 . （in Chinese）

许成顺，豆鹏飞，杜修力，等 . 液化场地–群桩基础–结构体系动力响应分析：大型振动台模型试验研究［J］. 岩土工程学报， 2019 ， 41 （ 12 ）： 2173 - 2181 .

Xu C S ， Dou P F ， Du X L ， et al . Dynamic response analysis of liquefied site-pile group foundation-structure system： large-scale shaking table model test ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2019 ， 41 （ 12 ）： 2173 - 2181 . （in Chinese）

贾科敏，许成顺，杜修力，等 . 液化侧向扩展场地-群桩基础-结构体系地震破坏反应大型振动台试验方案设计［J］. 工程力学， 2023 ， 40 （ 7 ）： 121 - 136 .

Jia K M ， Xu C S ， Du X L ， et al . Experimental design of shaking table tests for seismic failure response of pile-group-superstructure subjected to liquefaction-induced lateral spreading ［J］. Engineering Mechanics ， 2023 ， 40 （ 7 ）： 121 - 136 . （in Chinese）

唐亮，凌贤长，艾哈迈德·艾格玛，等 . 液化侧向流动场地桩基动力反应振动台试验三维有限元数值模拟方法［J］. 土木工程学报， 2013 ， 46 （增1 ）： 180 - 184 .

Tang L ， Ling X L ， Ahmed E ， et al . Three-dimensional finite element analysis of shake-table test for dynamic pile behavior in liquefaction-induced lateral spreading ground ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2013 ， 46 （ Sup1 ）： 180 - 184 . （in Chinese）

Wang R ， Fu P ， Zhang J . Finite element model for piles in liquefiable ground ［J］. Computers and Geotechnics ， 2016 ， 72 ： 1 - 4 .

Jia K M ， Xu C S ， Du X L ， et al . Seismic response comparison and sensitivity analysis of pile foundation in liquefiable and non-liquefiable soils ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2023 ， 22 ： 87 - 104 .

Khosravifar A ， Boulanger R W ， Kunnath S K . Effects of liquefaction on inelastic demands on extended pile shafts ［J］. Earthquake Spectra ， 2014 ， 30 （ 4 ）： 1749 - 1773 .

Wang Y ， Orense R P . Numerical analysis of seismic performance of inclined piles in liquefiable sands ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2020 ， 139 ： 106274 .

郝朝伟，陈彦江，何浩祥，等 . 耐震时程法在高墩刚构桥抗震分析中的应用［J］. 防灾减灾工程学报， 2017 ， 37 （ 2 ）： 215 - 221 .

Hao C W ， Chen Y J ， He H X ， et al . The endurance time method in the seismic analysis of the continual rigid-bridge with high piers ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2017 ， 37 （ 2 ）： 215 - 221 . （in Chinese）

Seyedi D M ， Gehl P ， Douglas J ， et al . Development of seismic fragility surfaces for reinforced concrete buildings by means of nonlinear time‐history analysis ［J］. Earthquake Engineering &amp； Structural Dynamics ， 2010 ， 39 （ 1 ）： 91 - 108 .

Zhong J ， Jeon J ， Yuan W ， et al . Impact of spatial variability parameters on seismic fragilities of a cable-stayed bridge subjected to differential support motions ［J］. Journal of Bridge Engineering ， 2017 ， 22 （ 6 ）： 04017013 .

Cornell C A ， Jalayer F ， Hamburger R O ， et al . Probabilistic basis for 2000 SAC federal emergency management agency steel moment frame guidelines ［J］. Journal of Structural Engineering ， 2002 ， 128 （ 4 ）： 526 - 533 .

Li C ， Li H ， Hao H ， et al . Seismic fragility analyses of sea-crossing cable-stayed bridges subjected to multi-support ground motions on offshore sites ［J］. Engineering Structures ， 2018 ， 165 ： 441 - 456 .

Huh J ， Tran Q H ， Haldar A ， et al . Seismic vulnerability assessment of a shallow two-story underground RC box structure ［J］. Applied Sciences ， 2017 ， 7 （ 7 ）： 735 .

Council A T . Quantification of building seismic performance factors ［M］. Washington， D. C ： US Department of Homeland Security， FEMA ， 2009 .

于海英 . 国家强震动台网中心［EB/OL］. http：∥www. csmnc. net http://www.csmnc.net .

D A T . Pacific earthquake engineering research center ［EB/OL］. http：∥ngawest2.berkeley.edu/site http://ngawest2.berkeley.edu/site .

Padgett J E ， Nielson B G ， DesRoches R . Selection of optimal intensity measures in probabilistic seismic demand models of highway bridge portfolios ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2008 ， 37 （ 5 ）： 711 - 725 .

韩建平，周伟，李慧 . 基于汶川地震数据的地震动强度指标与中长周期SDOF体系最大响应相关性［J］. 工程力学， 2011 ， 28 （ 10 ）： 185 - 196 .

Han J P ， Zhou W ， Li H . Correlation between ground motion ntensity and sdof system responses with medium-to-long period based on the wenchuan earthquake data ［J］. Engineering Mechanics ， 2011 ， 28 （ 10 ）： 185 - 196 . （in Chinese）

何利，叶献国 . 基于复合强度指标的弹塑性输入能量谱研究［J］. 工程力学， 2013 ， 30 （ 4 ）： 7 - 14 .

He L ， Ye X G . Research on the elastic-plastic input energy spectra based on compound intensity indicator ［J］. Engineering Mechanics ， 2013 ， 30 （ 4 ）： 7 - 14 . （in Chinese）

叶列平，马千里，缪志伟 . 结构抗震分析用地震动强度指标的研究［J］. 地震工程与工程振动， 2009 ， 29 （ 4 ）： 9 - 22 .

Ye L P ， Ma Q L ， Miu Z W . Study on earthquake intensities for seismic analysis of structures ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics ， 2009 ， 29 （ 4 ）： 9 - 22 . （in Chinese）

Shafieezadeh A ， DesRoches R ， Rix G J ， et al . A probabilistic framework for correlated seismic downtime and repair cost estimation of geo‐structures ［J］. Earthquake Engineering &amp； Structural Dynamics ， 2014 ， 43 （ 5 ）： 739 - 757 .

Su L ， Wan H ， Bi K ， et al . Seismic fragility analysis of pile-supported wharves with the influence of soil permeability ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2019 ， 122 ： 211 - 227 .

王景玄，王文达，魏国强 . 基于OpenSees平台的钢管混凝土结构力学性能数值模拟［J］. 防灾减灾工程学报， 2014 ， 34 （ 5 ）： 613 - 618 .

Wang J X ， Wang W D ， Wei G Q . Numerical simulation on mechanical performance of concrete filled steel tubular structures based on opensees plateform ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2014 ， 34 （ 5 ）： 613 - 618 （in Chinese）

Biot M A . Theory of Elasticity and Consolidation for a Porous Anisotropic Solid ［J］. Journal of Applied Physics ， 1955 ， 26 （ 2 ）： 182 - 185 .

Chang D ， Boulanger R ， Brandenberg S ， et al . FEM analysis of dynamic soil-pile-structure interaction in liquefied and laterally spreading ground ［J］. Earthquake Spectra ， 2013 ， 29 （ 3 ）： 733 - 755 .

Elgamal A ， Yang Z ， Parra E . Computational modeling of cyclic mobility and post-liquefaction site response ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2002 ， 22 （ 4 ）： 259 - 271 .

Yang Z ， Elgamal A ， Parra E . Computational model for cyclic mobility and associated shear deformation ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2003 ， 129 （ 12 ）： 1119 - 1127 .

Yang Z ， Lu J ， Elgamal A . OpenSees soil models and solid-fluid fully coupled elements， user's manual 2008 version 1.0 ［M］. San Diego ： Department of Structural Engineering， University of California ， 2008 .

Mazzoni S ， McKenne F ， Scott M H ， et al . Open system for earthquake engineering simulation user manual， version 2.0 ［M］. Berkeley， CA ： University of California， Pacific Earthquake Engineering Center， USA ， 2009 .

Mazzoni S ， McKenna F ， Fenves G L . Open system for earthquake engineering simulation user manual . Pacific Earthquake Engineering Research Center ［M］. Berkeley ： University of California， Berkeley ， 2006 .

Jia K ， Xu C S ， Du X L ， et al . Seismic response comparison and sensitivity analysis of pile foundation in liquefiable and non-liquefiable soils ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2023 ， 22 （ 1 ）： 87 - 104 .

Khosravifar A ， Boulanger R W ， Kunnath S K . Effects of liquefaction on inelastic demands on extended pile shafts ［J］. Earthquake Spectra ， 2014 ， 30 （ 4 ）： 1749 - 1773 .

Mazzoni S ， McKenna F ， Scott M H ， et al . Open system for earthquake engineering simulation user command-language manual ［M］. Berkeley ： Pacific Earthquake Engineering Research Center， University of California， Berkeley， OpenSees version ， 2006 .

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