1、    砂土地基自由場離心機振動臺模型試驗                         更新時間：2010-03-11 16:04:03               

2、                                     劉晶波  劉祥慶  王宗綱  王文暉     

3、                       (清華大學土木工程系,北京100084)    摘要：為了觀察砂土地基自由場的地震反應情況和檢驗 試驗用疊環式模型箱的邊界效應影響以及應用效果,采用清 華大學離心機振動臺試驗設備進行了砂土地基自由場動力 離心模型試驗,輸入地震波采用Kobe波,離心加速度

4、環境為 50g。文中給出了加速度反應和位移反應量測結果,研究了 砂土地基的地震反應情況。試驗結果表明:疊環式模型箱可 以較好地模擬自由場土層的剪切變形,邊界效應影響較小; 振動臺的激振性能、數據量測儀器與采集系統的使用效果均 良好,從而為后續有關試驗奠定了基礎。    關鍵詞：砂土地基;地震反應;離心機;振動臺;模型試驗    中圖分類號：TU 41; P 315.8文獻標識碼:A    文章編號

5、：1000-0054(2009)09-0031-04    土工離心模型試驗被稱為土工模型試驗發展史上的里程碑,已廣泛應用于土木工程領域土工結構 性能的模擬研究1,而在土工離心機系統的基礎上發展而來的離心機振動臺模型試驗則是研究巖土工程地震問題較為有效和先進的研究方法和試驗技 術。目前,動力離心模型試驗技術在國內已在巖土工 程地震問題的研究中得到應用,在地震破壞機理、抗震設計計算、數值模型驗證等方面顯示出巨大的優越性,并取得了良好的效果2-4。由于目前中國包括 臺灣在內建成的離心機振動臺設備系統僅有4臺這極大地限制

6、了離心機振動臺模型試驗的開展,因此試驗成果相對較少。    本文采用清華大學離心機振動臺設備系統進行了砂土地基自由場水平振動試驗,給出了加速度反應和位移反應量測結果,研究了砂土地基的地震反應情況。    1 試驗裝置及砂土地基模型制備    試驗采用清華大學巖土工程研究所土工離心機設備以及電液伺服土工離心機振動臺系統進行。該系統可在最大為50g的離心加速度下提供高精度的單向水平振動,可施加正弦或任意波形的地震波,最大振動加速度20g,最大持續時間4s,設計振動負&#

7、160;載質量100kg5。本次試驗采用疊環式模型箱,尺寸 為50cm×20cm×30cm。模型箱內壁附有一層0.8mm厚的整體乳膠膜,用以防止土體從模型箱的疊 環之間漏出。乳膠膜與模型箱底部之間采用環氧結 構膠固定,以避免振動過程中的滑移。    本次試驗的離心加速度取50g,試驗結果所涉及到的主要相似常數(模型/原型)為:加速度相似常數Ca=50,位移相似常數Cl=1/50,時間相似常數Ct=1/50,頻率相似常數Cf=50。    試驗用土采用北京地區常見砂土

8、,主要材料性質為:平均粒徑d50=0.231mm,不均勻系數Cu=2. 967,土粒密度Gs=2.692g/cm3。采用分層夯實、控 制密度和含水量的方法制備地基模型,試驗時控制 地基質量密度=1.7g/cm3,含水量=2%,密實 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。制樣完成后, 模型總高度為28cm,對應于原型為14m。    試驗傳感器布置如圖1所示,量測數據為加速 度和位移,圖中A與L分別表示加速度計和位移傳&#

9、160;感器,共用到10個單向加速度計、1個3向加速度計 和4個位移傳感器。振動臺臺面為如圖1c中所示的 x-y平面,振動臺激振方向為x方向。                     單向加速度計編號為Ai-j(i=14,j=13), 按照加速度計所在土層深度以及與邊界距離分別編 號,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)用來檢驗疊環式模型箱的邊界效應影響。 Ai-j(i=14)在模型土體中的埋深分別為24、17、 10和3cm,按照相似關系換算到原型自由場土體的 深度分別為12、8.5、5和1.5m。位移傳感器L1至 L3固定在與振動臺臺面緊密連接的側向位移傳感 器支架上,用來量測土體相對于振動臺臺面的剪切 變形, L4用來量測地基土體的豎向位移反應。    2 試驗結果及分析    地震輸入采用

11、1995年日本阪神地震中的加速度記錄,以下簡稱Kobe波。試驗實測臺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A5量測得到;輸入地震波的Fourier譜如圖2b所 示。                     由于振動臺軌道精度的影響,在振動臺臺面內垂直于主振方向的水平向以及垂直于振動臺臺面的豎向也存在一定的振動, A5量測得到的這兩個方向的加速度峰

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,試驗所采用的振動臺地震動的輸入效果良好。    下面給出本次試驗的部分量測結果,并進行簡要的比較討論,試驗結果描述中傳感器編號見圖1,所列數據均為換算到原型后的結果。    2.1 加速度反應    部分加速度計實測記錄如圖3所示。模型箱中軸線處加速度計Ai-1(i=14)由于距離邊界相對較遠,因此可以認為是自由場反應的結果。臺面加速度計A5及中軸線處Ai-1(i=14)的峰值如表1

13、所示,可以看到,試驗所采用的砂土地基對輸入的Kobe波有一定的放大作用,接近地表處的加速度峰值相對于臺面輸入地震波峰值的放大系數約為1.34。                     模型箱中軸線加速度計Ai-1(i=14)實測記 錄的Fourier譜如圖4所示,由圖4可以看到地震波的放大規律。可以看到,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。                      峰值及與相應深度位置中軸線處加速度反應峰值間 的相對誤差見表2。                     

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

16、定的限制作用所引起。    2.2 位移反應    圖5給出了地基與基底間的水平相對位移反應以及地基豎向位移反應,其中位移計L1因故障無量測數據,圖中u和v分別表示水平與豎向位移。                      由試驗結果可以看出,模型箱各疊環的位移表現出向著同一方向的運動趨勢

17、,其反應表現為淺層較大、深層較小,最上層L3位移計所測得的最大位移對應于原型約為8.2cm。綜合考慮試驗所采用疊環式模型箱的實際振動情況、土層的高度、地震動強度以及后續針對模型試驗所進行的模擬分析6,分析認為位移計的量測結果尚不夠準確,相比于實際情況偏大。    在離心機加速過程中,土體發生了對應于原型 約1.15cm的固結沉降,使得振動試驗前地基土體的密實度有所增加,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定值 分別約為1.9cm和1.2cm。 

18、60;  3 結 論    1)離心機振動臺模型試驗所采用的疊環式模型箱可以較好地模擬自由場土層的剪切變形,且邊界效應影響較小,但仍存在一定的誤差,主要是由于模型箱疊環的質量和疊環之間的摩擦力仍偏大,以及各疊環的高度較大,對土體變形有一定的限制作用所引起。    2)振動臺的激振性能、地震波的輸入效果、加速度計與數據采集系統的使用效果良好,從而為后 續有關試驗奠定了基礎。    3)影響位移反應量測精度的因素主要有兩方面:位移計的量測端部在振動臺不到1 s的