巖土工程振動臺試驗理論及在地下管線動力響應(yīng)研究中的應(yīng)用.pdf

1、我國很多大中城市處在地震高發(fā)區(qū)，而城市恰好是巖土工程結(jié)構(gòu)和生命線設(shè)施聚集的地區(qū)，這就使得震區(qū)工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計問題顯得尤為重要。振動臺模型試驗是對工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行研究的重要手段，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，振動臺試驗的研究成果已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用在科學(xué)研究和工程實踐當(dāng)中，同時，振動臺試驗也面臨著試驗對象的大型化、試驗對象的復(fù)雜化和試驗設(shè)備飛速發(fā)展而配套技術(shù)相對落后等亟待解決的問題。
　　解決上述問題的根本在于對當(dāng)前振動臺試驗理論進(jìn)行突

2、破。鑒于目前的現(xiàn)狀，本論文開展了巖土工程振動臺試驗理論的研究，基于常用的振動臺試驗相似律，依托分離量綱分析法，建立了新的適合于復(fù)雜工程原型-模型之間相似關(guān)系的模型試驗分離相似設(shè)計方法。以分離相似設(shè)計結(jié)果為基礎(chǔ)，開展了振動臺模型土、模型結(jié)構(gòu)及模型基巖相似材料的研究，提出適合于振動臺試驗的模型土和模型基巖相似材料設(shè)計方法。以某重要場地的地下管線為原型，并以考慮多點激勵作用下地下管線地震響應(yīng)的振動臺試驗為依托，地下管線的震害現(xiàn)象和規(guī)范計算方法

3、為參照，對所發(fā)展的試驗理論進(jìn)行驗證。通過開展上述工作，得到了以下結(jié)論:
　　1)首次提出了分離量綱分析方法，基于分離量綱分析方法建立了復(fù)雜巖土工程振動臺模型試驗的分離相似設(shè)計體系，并利用分離相似設(shè)計方法對多點激勵作用下地下管線地震響應(yīng)振動臺試驗進(jìn)行相似設(shè)計，得到分別屬于模型土、模型管線和地震波各自的特征方程和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的相似比。通過對特征方程進(jìn)行分離，使模型試驗中每個參數(shù)的設(shè)計權(quán)重得到了很好的表現(xiàn)，同時解決了傳統(tǒng)相似設(shè)計方法要求

4、所有參數(shù)必須滿足相似比，而現(xiàn)實中模型設(shè)計又無法同時滿足所有參數(shù)相似比之間的矛盾。
　　2)確定了土的非線性、滯后性和應(yīng)變累積性相似的核心在于動剪切模量比隨剪應(yīng)變變化關(guān)系的相似性。經(jīng)過一系列參數(shù)對比研究后，推薦采用Stokoe模型中參考應(yīng)變作為動剪切模量比變化曲線相似的控制指標(biāo)。利用該方法進(jìn)行了振動臺試驗?zāi)Ｐ屯恋脑O(shè)計，確定了粘土與河砂的質(zhì)量比為1∶1.5，含水率為14％的土為最終試驗用土。建立了土動應(yīng)力-動應(yīng)變相似判定體系，通過檢驗

5、原型土與模型土參考應(yīng)變相似比、相關(guān)系數(shù)值、不均勻系數(shù)相似比、曲率系數(shù)相似比四個指標(biāo)，保證了原型土和模型土動應(yīng)力動應(yīng)變關(guān)系的相似，重現(xiàn)了原型地下管線周圍地基土在地震作用下的動力特性。
　　3)提出了考慮波傳播特性相似的模型基巖設(shè)計方法。根據(jù)模型試驗的相似原理，研制出以粘土、重晶石粉、石膏等為原料的巖體相似材料。通過正交試驗設(shè)計及物理力學(xué)性質(zhì)試驗，確定了相似材料中各原材料對基巖相似材料密度、參考應(yīng)變和最大剪切模量的影響規(guī)律，基于這些影

6、響規(guī)律，開展了模型基巖相似材料配制的動三軸試驗，最終確定了模型試驗軟巖相似材料的最終質(zhì)量比為粘土∶重晶石粉∶石膏=7.9∶2.1∶3。所配制的模型材料考慮了地震作用下剪切波速的相似比要求，適合用于振動臺試驗軟巖相似材料的模擬。
　　4)生成了具有空間相關(guān)性的多維多點人工地震動，以此為基礎(chǔ)開展了多維多點地震動作用下地下管線地震響應(yīng)的振動臺試驗，給出了地下管線的動力響應(yīng)特性規(guī)律，并首次在振動臺試驗中得到了地下管線的扭轉(zhuǎn)特性規(guī)律，同時，

7、試驗結(jié)論也為當(dāng)前的管線抗震設(shè)計規(guī)范提出了一些建議。通過將本次振動臺試驗中地下管線的應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)與規(guī)范計算結(jié)果進(jìn)行比較，對本文開展的振動臺試驗的合理性給予了證明，進(jìn)而對第二章至第四章提出的分離量綱分析法、模型土設(shè)計方法和模型基巖設(shè)計方法的合理性給予證明。
　　本文所研究的巖土工程振動臺試驗理論可以很好的推進(jìn)振動臺試驗技術(shù)的發(fā)展，緩解試驗技術(shù)發(fā)展明顯滯后于試驗設(shè)備發(fā)展的現(xiàn)狀。通過振動臺試驗得到的地下管線地震響應(yīng)結(jié)果，對輸油氣管線、市政