巖土工程振動臺試驗理論及在地下管線動力響應研究中的應用.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)和生命線設施聚集的地區(qū)，這就使得震區(qū)工程結(jié)構(gòu)的抗震設計問題顯得尤為重要。振動臺模型試驗是對工程結(jié)構(gòu)地震響應進行研究的重要手段，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，振動臺試驗的研究成果已經(jīng)越來越多的被應用在科學研究和工程實踐當中，同時，振動臺試驗也面臨著試驗對象的大型化、試驗對象的復雜化和試驗設備飛速發(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前振動臺試驗理論進行突

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雜工程原型-模型之間相似關(guān)系的模型試驗分離相似設計方法。以分離相似設計結(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雜巖土工程振動臺模型試驗的分離相似設計體系，并利用分離相似設計方法對多點激勵作用下地下管線地震響應振動臺試驗進行相似設計，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)鍵設計參數(shù)的相似比。通過對特征方程進行分離，使模型試驗中每個參數(shù)的設計權(quán)重得到了很好的表現(xiàn)，同時解決了傳統(tǒng)相似設計方法要求

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、滯后性和應變累積性相似的核心在于動剪切模量比隨剪應變變化關(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模型中參考應變作為動剪切模量比變化曲線相似的控制指標。利用該方法進行了振動臺試驗模型土的設計，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。建立了土動應力-動應變相似判定體系，通過檢驗

5、原型土與模型土參考應變相似比、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，保證了原型土和模型土動應力動應變關(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。通過正交試驗設計及物理力學性質(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的振動臺試驗，給出了地下管線的動力響應特性規(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)論也為當前的管線抗震設計規(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變響應數(shù)據(jù)與規(guī)范計算結(jié)果進行比較，對本文開展的振動臺試驗的合理性給予了證明，進而對第二章至第四章提出的分離量綱分析法、模型土設計方法和模型基巖設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結(jié)果，對輸油氣管線、市政