砂土地基自由場(chǎng)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)

1、    砂土地基自由場(chǎng)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)                         更新時(shí)間：2010-03-11 16:04:03               

2、                                     劉晶波  劉祥慶  王宗綱  王文暉     

3、                       (清華大學(xué)土木工程系,北京100084)    摘要：為了觀察砂土地基自由場(chǎng)的地震反應(yīng)情況和檢驗(yàn) 試驗(yàn)用疊環(huán)式模型箱的邊界效應(yīng)影響以及應(yīng)用效果,采用清 華大學(xué)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了砂土地基自由場(chǎng)動(dòng)力 離心模型試驗(yàn),輸入地震波采用Kobe波,離心加速度

4、環(huán)境為 50g。文中給出了加速度反應(yīng)和位移反應(yīng)量測(cè)結(jié)果,研究了 砂土地基的地震反應(yīng)情況。試驗(yàn)結(jié)果表明:疊環(huán)式模型箱可 以較好地模擬自由場(chǎng)土層的剪切變形,邊界效應(yīng)影響較小; 振動(dòng)臺(tái)的激振性能、數(shù)據(jù)量測(cè)儀器與采集系統(tǒng)的使用效果均 良好,從而為后續(xù)有關(guān)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。    關(guān)鍵詞：砂土地基;地震反應(yīng);離心機(jī);振動(dòng)臺(tái);模型試驗(yàn)    中圖分類號(hào)：TU 41; P 315.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A    文章編號(hào)

5、：1000-0054(2009)09-0031-04    土工離心模型試驗(yàn)被稱為土工模型試驗(yàn)發(fā)展史上的里程碑,已廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域土工結(jié)構(gòu) 性能的模擬研究1,而在土工離心機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)則是研究巖土工程地震問題較為有效和先進(jìn)的研究方法和試驗(yàn)技 術(shù)。目前,動(dòng)力離心模型試驗(yàn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)已在巖土工 程地震問題的研究中得到應(yīng)用,在地震破壞機(jī)理、抗震設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)值模型驗(yàn)證等方面顯示出巨大的優(yōu)越性,并取得了良好的效果2-4。由于目前中國(guó)包括 臺(tái)灣在內(nèi)建成的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)僅有4臺(tái)這極大地限制

6、了離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的開展,因此試驗(yàn)成果相對(duì)較少。    本文采用清華大學(xué)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行了砂土地基自由場(chǎng)水平振動(dòng)試驗(yàn),給出了加速度反應(yīng)和位移反應(yīng)量測(cè)結(jié)果,研究了砂土地基的地震反應(yīng)情況。    1 試驗(yàn)裝置及砂土地基模型制備    試驗(yàn)采用清華大學(xué)巖土工程研究所土工離心機(jī)設(shè)備以及電液伺服土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行。該系統(tǒng)可在最大為50g的離心加速度下提供高精度的單向水平振動(dòng),可施加正弦或任意波形的地震波,最大振動(dòng)加速度20g,最大持續(xù)時(shí)間4s,設(shè)計(jì)振動(dòng)負(fù)&#

7、160;載質(zhì)量100kg5。本次試驗(yàn)采用疊環(huán)式模型箱,尺寸 為50cm×20cm×30cm。模型箱內(nèi)壁附有一層0.8mm厚的整體乳膠膜,用以防止土體從模型箱的疊 環(huán)之間漏出。乳膠膜與模型箱底部之間采用環(huán)氧結(jié) 構(gòu)膠固定,以避免振動(dòng)過程中的滑移。    本次試驗(yàn)的離心加速度取50g,試驗(yàn)結(jié)果所涉及到的主要相似常數(shù)(模型/原型)為:加速度相似常數(shù)Ca=50,位移相似常數(shù)Cl=1/50,時(shí)間相似常數(shù)Ct=1/50,頻率相似常數(shù)Cf=50。    試驗(yàn)用土采用北京地區(qū)常見砂土

8、,主要材料性質(zhì)為:平均粒徑d50=0.231mm,不均勻系數(shù)Cu=2. 967,土粒密度Gs=2.692g/cm3。采用分層夯實(shí)、控 制密度和含水量的方法制備地基模型,試驗(yàn)時(shí)控制 地基質(zhì)量密度=1.7g/cm3,含水量=2%,密實(shí) 度Dr=0.636,孔隙比e=0.616。由于1/3<Dr2/ 3,所以砂土地基試樣處于中密狀態(tài)。制樣完成后, 模型總高度為28cm,對(duì)應(yīng)于原型為14m。    試驗(yàn)傳感器布置如圖1所示,量測(cè)數(shù)據(jù)為加速 度和位移,圖中A與L分別表示加速度計(jì)和位移傳&#

9、160;感器,共用到10個(gè)單向加速度計(jì)、1個(gè)3向加速度計(jì) 和4個(gè)位移傳感器。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面為如圖1c中所示的 x-y平面,振動(dòng)臺(tái)激振方向?yàn)閤方向。                     單向加速度計(jì)編號(hào)為Ai-j(i=14,j=13), 按照加速度計(jì)所在土層深度以及與邊界距離分別編 號(hào),其中i=14分別表示從地基深處到接近地表處,j=13表示水平位置

10、。Ai-2(i=24)與Ai-3 (i=24)用來檢驗(yàn)疊環(huán)式模型箱的邊界效應(yīng)影響。 Ai-j(i=14)在模型土體中的埋深分別為24、17、 10和3cm,按照相似關(guān)系換算到原型自由場(chǎng)土體的 深度分別為12、8.5、5和1.5m。位移傳感器L1至 L3固定在與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面緊密連接的側(cè)向位移傳感 器支架上,用來量測(cè)土體相對(duì)于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的剪切 變形, L4用來量測(cè)地基土體的豎向位移反應(yīng)。    2 試驗(yàn)結(jié)果及分析    地震輸入采用

11、1995年日本阪神地震中的加速度記錄,以下簡(jiǎn)稱Kobe波。試驗(yàn)實(shí)測(cè)臺(tái)面主振方向加速度波形如圖2a所示,峰值為0.2g,由加速度計(jì)A5量測(cè)得到;輸入地震波的Fourier譜如圖2b所 示。                     由于振動(dòng)臺(tái)軌道精度的影響,在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面內(nèi)垂直于主振方向的水平向以及垂直于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的豎向也存在一定的振動(dòng), A5量測(cè)得到的這兩個(gè)方向的加速度峰

12、值分別為0.010g和0.038g,分別為主振方向的5.0%和19.0%。由此可見,試驗(yàn)所采用的振動(dòng)臺(tái)地震動(dòng)的輸入效果良好。    下面給出本次試驗(yàn)的部分量測(cè)結(jié)果,并進(jìn)行簡(jiǎn)要的比較討論,試驗(yàn)結(jié)果描述中傳感器編號(hào)見圖1,所列數(shù)據(jù)均為換算到原型后的結(jié)果。    2.1 加速度反應(yīng)    部分加速度計(jì)實(shí)測(cè)記錄如圖3所示。模型箱中軸線處加速度計(jì)Ai-1(i=14)由于距離邊界相對(duì)較遠(yuǎn),因此可以認(rèn)為是自由場(chǎng)反應(yīng)的結(jié)果。臺(tái)面加速度計(jì)A5及中軸線處Ai-1(i=14)的峰值如表1

13、所示,可以看到,試驗(yàn)所采用的砂土地基對(duì)輸入的Kobe波有一定的放大作用,接近地表處的加速度峰值相對(duì)于臺(tái)面輸入地震波峰值的放大系數(shù)約為1.34。                     模型箱中軸線加速度計(jì)Ai-1(i=14)實(shí)測(cè)記 錄的Fourier譜如圖4所示,由圖4可以看到地震波的放大規(guī)律?？梢钥吹?在地震波由下向上傳播的過 程中,在0.52.5Hz的頻段有一定程

14、度的放大。                      峰值及與相應(yīng)深度位置中軸線處加速度反應(yīng)峰值間 的相對(duì)誤差見表2。                     

15、 由表2可以看到,疊環(huán)式模型箱與振動(dòng)方向垂 直的側(cè)面邊界以及與振動(dòng)方向平行的邊界對(duì)土層地 震反應(yīng)的影響均較小。同時(shí)由圖3可以看到,靠近邊 界處的加速度反應(yīng)波形與中軸線處的加速度反應(yīng)波 形均十分接近,對(duì)這些部位的加速度反應(yīng)時(shí)程進(jìn)行 Fourier變換得到的Fourier譜也和圖4相似,各頻 段的組成基本一致。由此可見疊環(huán)式模型箱可以較 好地模擬土層的剪切變形,且邊界效應(yīng)影響較小,但 仍存在一定的誤差,主要是由于模型箱疊環(huán)的質(zhì)量 和疊環(huán)間摩擦力仍偏大,以及各疊環(huán)的高度較大,對(duì) 土體變形有一

16、定的限制作用所引起。    2.2 位移反應(yīng)    圖5給出了地基與基底間的水平相對(duì)位移反應(yīng)以及地基豎向位移反應(yīng),其中位移計(jì)L1因故障無量測(cè)數(shù)據(jù),圖中u和v分別表示水平與豎向位移。                      由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,模型箱各疊環(huán)的位移表現(xiàn)出向著同一方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)

17、,其反應(yīng)表現(xiàn)為淺層較大、深層較小,最上層L3位移計(jì)所測(cè)得的最大位移對(duì)應(yīng)于原型約為8.2cm。綜合考慮試驗(yàn)所采用疊環(huán)式模型箱的實(shí)際振動(dòng)情況、土層的高度、地震動(dòng)強(qiáng)度以及后續(xù)針對(duì)模型試驗(yàn)所進(jìn)行的模擬分析6,分析認(rèn)為位移計(jì)的量測(cè)結(jié)果尚不夠準(zhǔn)確,相比于實(shí)際情況偏大。    在離心機(jī)加速過程中,土體發(fā)生了對(duì)應(yīng)于原型 約1.15cm的固結(jié)沉降,使得振動(dòng)試驗(yàn)前地基土體的密實(shí)度有所增加,但變化量并不大。由圖5還可以看到,地震作用使得砂土地基發(fā)生了一定的豎向附加沉降,地震作用引起的附加沉降最大值和穩(wěn)定值 分別約為1.9cm和1.2cm。 

18、60;  3 結(jié) 論    1)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)所采用的疊環(huán)式模型箱可以較好地模擬自由場(chǎng)土層的剪切變形,且邊界效應(yīng)影響較小,但仍存在一定的誤差,主要是由于模型箱疊環(huán)的質(zhì)量和疊環(huán)之間的摩擦力仍偏大,以及各疊環(huán)的高度較大,對(duì)土體變形有一定的限制作用所引起。    2)振動(dòng)臺(tái)的激振性能、地震波的輸入效果、加速度計(jì)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用效果良好,從而為后 續(xù)有關(guān)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。    3)影響位移反應(yīng)量測(cè)精度的因素主要有兩方面:位移計(jì)的量測(cè)端部在振動(dòng)臺(tái)不到1 s的高