巖土工程振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)理論及在地下管線動(dòng)力響應(yīng)研究中的應(yīng)用.pdf

1、我國(guó)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(jì)問(wèn)題顯得尤為重要。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是對(duì)工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行研究的重要手段，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究成果已經(jīng)越來(lái)越多的被應(yīng)用在科學(xué)研究和工程實(shí)踐當(dāng)中，同時(shí)，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)也面臨著試驗(yàn)對(duì)象的大型化、試驗(yàn)對(duì)象的復(fù)雜化和試驗(yàn)設(shè)備飛速發(fā)展而配套技術(shù)相對(duì)落后等亟待解決的問(wèn)題。
　　解決上述問(wèn)題的根本在于對(duì)當(dāng)前振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)理論進(jìn)行突

2、破。鑒于目前的現(xiàn)狀，本論文開(kāi)展了巖土工程振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)理論的研究，基于常用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(yàn)分離相似設(shè)計(jì)方法。以分離相似設(shè)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，開(kāi)展了振動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的模型土和模型基巖相似材料設(shè)計(jì)方法。以某重要場(chǎng)地的地下管線為原型，并以考慮多點(diǎn)激勵(lì)作用下地下管線地震響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為依托，地下管線的震害現(xiàn)象和規(guī)范計(jì)算方法

3、為參照，對(duì)所發(fā)展的試驗(yàn)理論進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)開(kāi)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(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的分離相似設(shè)計(jì)體系，并利用分離相似設(shè)計(jì)方法對(duì)多點(diǎn)激勵(lì)作用下地下管線地震響應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行相似設(shè)計(jì)，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(jì)參數(shù)的相似比。通過(guò)對(duì)特征方程進(jìn)行分離，使模型試驗(yàn)中每個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)權(quán)重得到了很好的表現(xiàn)，同時(shí)解決了傳統(tǒng)相似設(shè)計(jì)方法要求

4、所有參數(shù)必須滿(mǎn)足相似比，而現(xiàn)實(shí)中模型設(shè)計(jì)又無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)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(dòng)剪切模量比隨剪應(yīng)變變化關(guān)系的相似性。經(jīng)過(guò)一系列參數(shù)對(duì)比研究后，推薦采用Stokoe模型中參考應(yīng)變作為動(dòng)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯恋脑O(shè)計(jì)，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(yàn)用土。建立了土動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變相似判定體系，通過(guò)檢驗(yàn)

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(gè)指標(biāo)，保證了原型土和模型土動(dòng)應(yīng)力動(dòng)應(yīng)變關(guān)系的相似，重現(xiàn)了原型地下管線周?chē)鼗猎诘卣鹱饔孟碌膭?dòng)力特性。
　　3)提出了考慮波傳播特性相似的模型基巖設(shè)計(jì)方法。根據(jù)模型試驗(yàn)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(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，確定了相似材料中各原材料對(duì)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(kāi)展了模型基巖相似材料配制的動(dòng)三軸試驗(yàn)，最終確定了模型試驗(yàn)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(diǎn)人工地震動(dòng)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展了多維多點(diǎn)地震動(dòng)作用下地下管線地震響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，給出了地下管線的動(dòng)力響應(yīng)特性規(guī)律，并首次在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中得到了地下管線的扭轉(zhuǎn)特性規(guī)律，同時(shí)，

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