土結構性的剪切波速表征及對動力特性的影響.pdf

1、場地土體在地震作用下的動力響應和破壞規(guī)律是分析各種工程動力災變的重要基礎，土體結構在動力荷載下的損傷演變過程及其評價是研究場地土體地震災變的關鍵問題。天然土都具有結構性，不同結構土體的力學行為各異。只有深入理解結構性對土體動力特性的影響，才能揭示地震作用下場地土體破壞機理，為土工抗震設計提供科學依據(jù)。 剪切波速表征了小應變下土體的剪切剛度，是一個既能全面反映土體結構特征又易于測量的重要指標。本文基于多學科交叉背景，全面研究了壓電

2、彎曲元波速測試技術的基本理論和關鍵問題，并通過結合彎曲元測試的系列試驗，包括固結試驗、動三軸試驗和土工離心機振動臺試驗，揭示了砂土和粘土的結構性與剪切波速的關系，進而以剪切波速為靜力和動力作用下土結構損傷演化的主要指標，揭示結構性對砂土抗液化強度、粘土動變形和強度的影響規(guī)律。具體內(nèi)容包括： 1．針對壓電陶瓷彎曲元振動響應問題，建立了基于一階剪切變形理論的壓電層合梁解析模型，分析了彎曲元結構在機電信號激勵下的響應，成功解釋了彎曲元

3、的促動和傳感功能。研究表明，同向極化并聯(lián)配置和反向極化串聯(lián)配置兩類彎曲元本質(zhì)相同，區(qū)別只在機電能量轉(zhuǎn)換能力上，因此前者適合作為激發(fā)元、后者適合作為接受元使用。這些發(fā)現(xiàn)為彎曲元波速測試的振動信號分析提供了理論依據(jù)。 2．深入研究彎曲元波速測試技術，在參與研發(fā)多套彎曲元波速測量系統(tǒng)基礎上，首次提出并研制了可用于現(xiàn)場剪切波速測試的便攜式彎曲元系統(tǒng)。通過大量的室內(nèi)實驗和理論分析總結了可靠的彎曲元波速測試方法，并參加了ISSMGE組織的彎

4、曲元國際平行試驗，驗證了所提出測試技術和分析方法的有效性和可靠性。 3．利用彎曲元剪切波速測試技術，開展飽和標準砂不排水循環(huán)三軸試驗，深入研究了地震循環(huán)應力歷史對各種飽和砂土小應變剪切模量的影響，發(fā)現(xiàn)在相同有效應力下地震循環(huán)應力歷史會使小應變剪切模量降低6-9％，并指出應力歷史影響的實質(zhì)是改變了土體結構狀態(tài)。該研究對地震響應有效應力分析法中土體小應變模量的取值有重要參考價值。 4．通過理論推導和大量測量剪切波速的動三軸液

5、化試驗，揭示了砂土抗液化強度(CRR)與其剪切波速(V<,s>)的4次方成正比的相關關系，并建立了基于室內(nèi)CRR-V<,s>相關關系的砂土液化剪切波速判別法。與基于現(xiàn)場液化調(diào)查的方法和數(shù)據(jù)進行詳細比較，證實了本研究結論的可靠性。 5．針對8號硅砂進行土工離心機振動臺液化試驗，利用彎曲元檢測模型地基內(nèi)部剪切波速的變化，驗證了基于室內(nèi)CRR-V<,s>相關關系的液化判別方法的可靠性。 6．針對結構性軟粘土，利用彎曲元測得的剪

6、切波速成功監(jiān)測了土體結構的損傷過程，并通過動三軸試驗考察了結構破壞水平對循環(huán)荷載下變形和強度特性的影響；進行了測量剪切波速的土工離心機振動臺試驗，驗證了軟粘土地基震后變形行為與土體結構演化之間的良好關聯(lián)。 上述研究顯示了利用壓電彎曲元技術測試土體剪切波速的巨大優(yōu)勢，也表明利用剪切波速表征土體結構狀態(tài)和變化過程的合理性，為揭示地震作用下場地液化、大變形等動力災變機理提供科學依據(jù)和定量參數(shù)，對土動力學與地震工程研究和實踐具有重要的理