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论文的摘要
结构回填对桥墩刚度和能力的影响
2007年，加州大学建筑工程学院哲学博士
Scott a.Ashford教授，主席
Professor Joseacute; I. Restrepo，联合主席
桥梁结构对桥梁上层建筑的变形和地震引起的惰性提供了阻力。为了限制向支台墙和桩的惯性力的限制，在主震事件中，支台墙被设计成可以剪断。因此,桥墩在纵向方向上的力阻机理主要是由土墙土相互作用提供的。
目前在加州的设计实践利用双线性载荷变形曲线，不考虑结构回填特性。在加州大学圣地亚哥分校进行了一项实验和分析研究，以进一步研究这种结构的回填相互作用特征。摘要为满足本研究项目的目标，对支台结构回填土的类型进行了现场调查研究。这个实验项目包括了五次大规模的试验。在实验的第一阶段，一个支台墙（没有地基）是以50%的比例建造的。这个研究项目的第二阶段是在一个背墙上进行的，从翼墙和干墙上剪下来。试验方案的具体目的是研究结构回填土类型、回填高度、墙的垂直运动、以及在纵向方向上的补强和承载力的存在。
摘要提出了一种基于纵向的桥架响应的分析模型。
该方法涉及到计算结构回填材料的最大被动电阻，并建立纵载桥架的p-y曲线的力位移关系。摘要利用有限元程序对桥台进行了有限元程序建模。通过对有限元结果与实验结果的比较，验证了该方法的有效性。
研究表明，桥墩在纵向方向上的响应是非线性的，是需要考虑的几个因素的函数。结构回填的被动电阻由土的剪切强度和界面摩擦角控制。最后，墙的垂直运动对高峰后的行为有显著的影响。
- 绪论
加州有两种类型的桥架通常使用。船型的桥墩支撑着桥式上层建筑的支柱或“支座”。一般来说，短座的座椅包括一堵后墙，它保留了座椅上方的结构回填材料。图1-1显示了桥式桥台的示意图。在重大地震事件中，背墙是主要的受力构件。他的后墙是为了突破和调动方法的纵向阻力（SDC2006），同时保护基础不受非弹性响应。横隔梁包括一个与上层建筑和支台式墙头连接在一起的横隔梁（见图1-2）。横隔梁支撑在正常使用条件下的支台方法，并在地震时纵向传递被动压力。在地震中，桥梁上层建筑纵向移动。一旦间隙闭合，上层建筑与后壁发生碰撞，从而导致变形和惯性力对桥架进行桥接。
桥梁结构对桥梁结构的地震作用的大小和分布具有重要的作用。必须考虑非线性土的特性、土壤性质、支台尺寸和土-结构相互作用等因素，以确定其承载力和/或刚度。然而，为了简单起见，然而，为了简单起见，在许多现有的台座承载力和刚度模型中，不考虑土壤非线性和土壤性质的影响。
1.1背景
对于桥梁的抗震设计，大多数规范（如2006年SDC 2006、ATC 1996和AASHTO 2004）都要求将地基——土壤系统包括在分析模型中，作为一个离散的等效线性弹簧。目前在加州的设计实践利用了从大型桥台建立的双线性载荷变形曲线。
摘要对典型的桥梁方案进行了回顾，结果表明，在实际应用中，实际应用了大量的土样，在实际应用中应考虑到不同的土壤强度和刚度。值得注意的是，目前的桥梁设计程序（ATC 1996、SDC 2006）普遍认为，以阀座类型为基础的后墙是一种牺牲元素，通过限制可以传输到桥台的惯性力来保护支台墙和桩。因此，主要地震活动中桥墩纵向方向的力阻系统主要是由后墙土相互作用和桥墩后的被动接地电阻提供的。计，有必要对桥台在系统和构件水平上进行准确的描述和预测。考虑土壤与结构之间的相互作用对结构的性能的评价也很重要，而这些结构受到土壤的影响，受到土壤的影响。因此，必须考虑土-结构的相互作用，以实现对台架承载能力和/或刚度的实际描述。
一些研究人员已经研究了在桩帽上的被动接地电阻，以及在实验和分析方面的固定/支台墙。文献综述的结果表明，在支台能力范围内，只有有限的研究成果，而对桥台的适当建模存在着很大的不确定性。
1.2研究的范围
任何结构分析中边界条件的适当分析都是获得准确结果的必要条件。因此，在桥梁的分析建模中，使用适当的土弹簧来模拟结构的反填充阻力是很重要的。为了提供一个适用于桥梁分析模型的合适的土壤-土壤弹簧，一个实验研究项目在加利福尼亚大学圣地亚哥分校进行，由加州交通部（Caltrans）资助。本研究的主要目的是探讨结构回填特性、结构回填区、回填高度、竖向墙运动对台座承载力和刚度的影响。
该研究的目的是开发一个简化的土壤相关模型，以准确地估算出地基承载力和刚度。为了达到该研究项目的目的，开展了现场实验和实验项目。本研究的目的是要开发出一种适合作为支台结构回填土类型的土样，然后设计出适合于土型的土弹簧的开发，以适应土壤类型的功能。
该研究项目的实验部分分为两个阶段。在实验的第一阶段，用一个模型支台的50%的比例测试了隔膜支台（没有地基），以研究纵向的刚度和容量。在这个实验中，期望的失败模式是地理技术，而不是结构。因此，在试验期间，设计和建造了支台墙，使其保持在弹性范围内。在第一阶段进行了四项试验，分别对土壤类型、结构回填区、回填高度和墙体运动方向进行了4次试验。试验装置的设计目的是为了模拟桥梁的纵向行为，并对平移和旋转运动进行约束。
该研究的第二阶段研究了在纵向方向上的一种类型的桥墩的刚度和强度。在此试验中，假定背墙已从阀座（阀杆）和翼壁脱落，并通过后壁土相互作用提供了支台的唯一力阻系统。与第一阶段相似，设计和建造后墙是为了保持弹性，以在测试期间开发岩土工程故障。在实验基础上的桥梁设计和施工细节的建议已经发表。该研究指出了桥梁纵向能力评价分析模型的试验研究结果和发展趋势。
2.桥墩纵向刚度和承载能力
这一章讨论了四个主题。第一篇是对已发表的实验和分析研究的回顾，这些研究涉及桥梁的建造能力，桩帽的被动接地电阻，固定/支台墙，以及土-结构相互作用。第二个主题是关于被动土压力理论的讨论，讨论了每种理论的优点和缺点。作为研究纵桥桥墩行为的一部分，必须对被动压力下土的力位移特性进行研究。因此，第三个课题是对最受认可的分析模型进行预测，以预测土壤的被动力位移曲线。最后，第四部分讨论了控制被动土压力大小的因素。
2.1土壤结构相互作用的文献综述
在拥有新的设计程序后，我们设计了新的桥台（座型桥台）使得它可以在强震期间以灵活的方式作出反应，以便保护桥台桩在地震力作用下严重损伤地（SDC 2006）。因此，在地震事件中桥台的承载能力主要来自于桥台后的主动被动压力。
我们进行了全面的文献回顾，以建立在纵向上的桥梁承载能力知识体系。文献检索主要集中在桥梁承载能力试验研究和分析研究上，类型包括桩承台被动土抗力和挡土墙/桥台墙；内容是土与结构相互作用。
一些研究人员提出了各种分析模型来预测桥台在纵向上的行为。第一种方法是使用线性土弹簧模拟桥台。在许多先进的方法发展起来后，我们考虑了土与结构的相互作用以及非线性土壤行为的影响。威尔逊（1988）提出了根据桥台尺寸和土壤性质确定桥台刚度的理论模型。该模型允许离散弹性弹簧刚度的评估，不包括非线性土壤的影响。
马罗尼（1995）在加利福尼亚大学测试的两个大型横隔梁桥台都失败了，戴维斯在循环荷载作用下，对两个桥台都进行了试验，但很可惜测试失败。他对高（东）桥台在纵向和横向上进行了测试，而西桥台仅在纵向上进行了试验。这两个桥墩都有9英寸厚铸钻孔（CIDH）的壁挂和翼墙。
用于西路堤的土壤是由Yolo Loam压实的粘土，其塑料极限（PL）为23.5%，塑性指数（PI）为10.5。因为剪切压实粘性土的强度对含水量很敏感。所以，我们对不同含水率的样品进行了无侧限压缩试验。通过无侧限抗压强度除以2得到了抗剪强度。表2-1显示了无侧限压缩试验的结果。我们采用洗粉砂用于西桥台结构回填。因为所测路堤与结构回填土为级配不良，粗清洁砂压实在90%相对压实，其摩擦角约为40ordm;。人们认识到，这些材料是加利福尼亚堤防建筑的合理代表。
试验装置的设计目的是在纵向方向上对上高的荷载施加荷载;而在横向测试中，负载是在顶部附近应用的。为提供拱墙的抗剪刚度，从记录的结果中减去桩侧阻力的作用贡献。马罗尼等人（1995）对两种不同的路基材料（Yolo loam，干净的沙子）和一个在一个干净的沙堤上的横向方向提供了两种载荷响应。关于测试设置、测试和结果的详细信息由Romstad等人（1995）和Maroney（1995）提供。下面列出了纵向西台试验的重要结果：
1.基于极限静力西桥台试验开发，最大的被动抗力等于5 ksf。 高度为5.5英尺，因为跨高因素，应在桥台设计是采用不同的考虑高度。
2.200英尺/英尺/英尺的刚度被认为是典型变形的高度。测量的刚度大约是300英寸/英寸。上部结构的位移，如实践所预测的刚度为1375英尺/英寸。
目前该方法计算桥台是基于马罗尼的测试结果。该方法较好地掌握了对高5.5.英尺含粘性土的基台回填荷载变形特性。
非线性纵向桥台刚度的简化计算模型被斯德哈赞（1995）等人开发。而由马丁等人（1997）进行了高级二维显式有限差分计算机程序的理论研究，他们对循环荷载作用下桥梁荷载变形特性进行了深入的研究。
经过大量的实验工作，被动土压力已被一些研究者如罗和扬声器进行相关。邓肯和莫夸（2001）进行了全面的测试，发现承台回填土被动阻力占到总数桩承台50%的抗力。罗林斯和科尔（2006）在承台上进行了一系列静力循环横向荷载试验。他们提出了一个新的模型来解释被动p-y关系循环加载条件下的回填土壤类型的刚度退化的重复加载和间隙之间的桩帽和回填土变化的关系。
方等人（1994）进行了若干试验研究，以研究在顶部某一点上旋转引起的地球压力的变化，以及在墙底以下的某一点的旋转。实验数据表明，如果参数n（旋转中心的位置）很小，则被动压力的大小对参数n的变化很敏感，但n大于2时，运动方式对被动土压力的影响就不那么重要了。马罗尼的测试（1995），西桥台墙经历了一个旋转度加上七英寸的翻转使参数n等于5.1。由于参数n大于2，被动压力受桥台壁面移动方式的影响较小。
Shamsabadi（2005）于提出了一种预测动员力位移能力，从而对桥台路堤体系进行抗震设计的方法。这是一种基于极限平衡对数螺线的切片，加上土壤应力-应变特性的表征的方法。
有限元法是以土体为准弹性连续体来模拟土-结构相互作用的数值方法。应用有限元法研究土与结构相互作用问题。克莱夫和邓肯（1971）开发的程序，是以相邻土界面为代表的对土-结构相互作用的分析。布莱德等人（1997）进行了三维非线性有限元分析，研究了在桥台上施工的土钉墙的受力性能。
桩和钉是用梁单元建模的，而桥台和承台是用三维弹性单元建模的。在数值分析中采用修正的卸载滞回双曲线模型来模拟土体。法诺基等人。（2001）实现了一个完整的3D且考虑了非线性土体响应的整体式桥台桥梁有限元模型。杨和Boris Jeremic（2003）进行了数值模拟研究群桩的有效刚度。OpenSees有限元框架是用来模拟3和4times;3桩组建于松散、中密砂的响应。Shamsabadi等人。（2006）用有限元程序，为研究在桥的土压力桥台的刚度退化（非线性载荷变形曲线），采用了具有屈服面的硬化土模型，模拟了桥台非线性回填力变形关系。
2.2被动土压力理论
有多种方法可用来确定被动压力对挡土结构所提供的承载能力。。这些方法包括经典方法如对数螺旋（太沙基1943，Terzaghi等人。1996），郎肯和库仑，他们都是们是极限能力的预测者，并且不去尝试考虑刚度的影响。在郎肯和库仑理论中，假定在回填层中出现了破裂平面，保留土是均匀的、各向同性的、半无限的（墙很长，土壤向后延伸很远），而且排水良好，以避免孔隙压力的形成。然而，太沙基（1943）和太沙基等人（1996）表明，由于壁面摩擦，实际破坏面由弯曲的下部和直上部分组成。该区域的土壤可认为处于郎肯被动压力状态。曲面的弯曲部分可以假设为对数螺旋形。下面的段落将对这三个土压力理论进行总结。鲍尔斯（1988）提出了关于地球压力理论的一个很好的讨论和更多的细节。
2.2.1郎肯理论
郎肯理论假设墙背没有摩擦（注：原文描述为没有墙摩擦，应当是墙背与填土之间没有摩擦力）（delta;=0）。因此，产生的力与反填充坡平行。被动压力的郎肯系数是由以下表达式给出的：
（2.1）
其中beta;s是路堤的倾斜角，是土的内摩擦角。被动土压力系数是用来表示侧向被动土压力与土壤重量（垂直地球压力）的比值。对于无粘性土，每单位宽度，Fp，在墙上的合力是由方程给出的：
（2.2）
对于粘性土:
（2.3）
：回填土的重度（原文描述为：回填土的总重量）;
h :墙高;
c:土壤内聚力;
Kp=被动地球压强的系数。
由此产生的被动土压力合力点可假定为从墙底部测量到的h/3的距离。值得注意的是，郎肯方法所计算的被动压力趋于保守，特别是对于具有较大的壁面摩擦值的情况。
2.2.2库伦理论
库仑理论提供了一种方法，用于计算挡土墙的任意坡度、壁面摩擦力和回填坡度的计算结果，并给出了回填土的倾斜度：
库仑理论认为，土的抗剪性是由沿墙踵的破坏
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