超重力模型试验土体动力特性参数监测与表征

论文摘要

地震是指由震源释放出来的地震波在岩土介质中传播而引起的地面运动,一般可以使用地面位置加速度的时间函数来表示。作为一种突发的自然灾害,岩土工程中目前面对的许多问题与地震密切相关,地震往往会引起场地和建筑物的破坏,给人类社会正常的生产活动带来极大的危害。地震作用下场地土体的破坏规律和动力响应特性分析是研究场地土体地震灾变问题的基础。地震中实时监测土体结构演化的过程对认识地震作用下场地土体的灾变规律有重要作用。不同类型土体的物理力学行为各异,土体震前的状态和其动力响应特性对研究场地地震作用响应同样有很大的影响,只有深入研究土体动力特性的影响因素,才能揭示不同场地土体在地震作用下的响应规律和破坏准则,为数值模拟分析和土工抗震设计提供准确的动力特性参数。土体的动力特性可以通过单元体试验、模型试验、现场调研分析及数值分析等手段进行深入研究。离心机试验技术作为土力学和岩土工程领域的一种新兴的物理模拟手段,通过超重力离心机可以恢复岩土体原型重力场,通过离心机振动台在模型底部实现地震动输入,再通过各种监测手段可以获得由地震引起的岩土结构物变形和稳定等特性。综合考虑各种手段的优势和局限性,使用离心模型试验研究土体动力响应行为有明显的优势。本文对超重力条件下模型土体的弹性波速联合测试结果分析的准确性进行理论验证,并通过弹性波速计算得到相应的土体弹性参数。开展一组动力离心模型试验,通过场地的动力响应规律反计算得到土体的剪应力剪应变响应时程,进而分析得到全应变段内土体的动模量和阻尼比参数随剪应变水平变化的规律,对实际工程问题有指导意义。具体研究内容包括:1.以2015年和2017年“液化试验验证与分析”项目(简称LEAP)各参与单位的单元体试验成果为依据,总结Ottawa F65砂的物理力学特性参数,并根据LEAP团队的大量动三轴试验数据分析得到Ottawa F65砂在不同剪应变水平下的动模量和阻尼比变化规律,为通过离心模型试验得到的全应变段内的动力参数的正确性验证提供依据。2.针对离心机工作环境的特殊性和复杂性,弹性波速测试技术在离心模型试验中的运用受到很大挑战。利用目前已有得离心机试验弹性波测试技术和优化设计后的弯曲元和压缩元件,开展了两组静力超重力离心模型试验,包括干砂水平场地和饱和砂水平场地模型,深入研究超重力条件下土体的弹性波动监测与分析方法,得到了超重力环境中弹性波传播规律,并计算得到土体的弹性参数,包括剪切模量G、杨氏模量E和泊松比v,但阻尼比D的结果与实际相差较大。将弹性波波速的试验测试结果与理论分析得到的结果对比,验证了目前波速测试技术的可靠性和准确性,为该项技术的广泛应用奠定了基础。3.离心机振动台试验是深入研究土体的非线性动力特性的有效研究手段。开展了一组倾斜场地的离心机振动台模型试验,通过多次振动事件,包括不等幅正弦波和阶跃波的输入,得到饱和土体的加速度和孔压等动力响应特性。通过线性方法反计算得到场地土体的剪应力剪应变响应时程,再分析得到场地土体一定应变范围内的动模量和阻尼比参数变化规律,并将试验结果与单元土体室内动三轴试验直接计算得到的动模量阻尼比参数进行比较。研究表明,模型试验中存在的多种影响因素,会造成模型试验结果与单元体试验结果产生差异,同时验证了通过模型试验估计土体动模量阻尼比方法的可靠性。基于以上的研究内容,表明了超重力条件下土体弹性波速监测技术的可靠性和准确性,对于重大岩土工程灾变问题的监测不失为一种有效手段。通过离心模型试验估计土体非线性特性(包括土体动模量和阻尼比参数随剪应变水平的变化规律)方法的合理性也得到了验证,建立了一套超重力环境中全应变段内土体动力参数监测与表征的研究方法。以上研究内容为揭示地震作用下土体的动力响应原理和破坏机制有重大价值,为数值模拟分析和土工抗震设计提供了可靠的科学依据和重要参数。对此类土动力学和地震工程问题的进一步研究提供了重要的技术手段和研究思路。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 弹性波基本理论及离心机弹性波测试现状
•     1.2.1 土介质中波动传播基本理论
•     1.2.2 弹性波速与土体弹性参数
•     1.2.3 超重力环境中弹性波速测试技术研究现状和存在问题
•   1.3 土体动力特性研究现状
•     1.3.1 土体动力特性及其参数简介
•     1.3.2 土体动应力-动应变关系的物理描述方法
•     1.3.3 土体动力特性研究方法现状
•   1.4 本文主要研究内容和方法
• 2 基于单元体试验的砂土动力特性研究
•   2.1 引言
•   2.2 Ottawa F65砂基本物性参数
•   2.3 固结试验成果
•   2.4 动三轴单元体试验成果
•     2.4.1 试验数据
•     2.4.2 模量阻尼比曲线
•     2.4.3 动孔压模型
•     2.4.4 动强度曲线
•   2.5 本章小结
• 3 超重力条件下土体弹性波动监测与分析
•   3.1 引言
•   3.2 土中弹性波的传播特性
•     3.2.1 饱和土的弹性波动方程组
•     3.2.2 饱和土中弹性波的传播特性
•     3.2.3 气饱和土中弹性波的传播特性
•     3.2.4 压缩波速与饱和度的理论关系
•   3.3 离心机弹性波速测试装置及技术介绍
•     3.3.1 压电传感器测试原理
•     3.3.2 弯曲元技术要领
•     3.3.3 压缩元技术要领
•     3.3.4 离心模型试验弹性波测试方法
•   3.4 超重力离心模型试验验证
•     3.4.1 试验设备
•     3.4.2 离心模型试验相似律
•     3.4.3 模型试验方案
•     3.4.4 试验流程
•     3.4.5 模型试验波速测试结果
•     3.4.6 波速测试结果分析
•   3.5 本章小结
• 4 动力离心模型试验估计土体动力特性参数
•   4.1 引言
•   4.2 动力离心模型试验
•     4.2.1 离心机振动台设备介绍
•     4.2.2 离心模型试验介绍
•     4.2.3 模型试验结果及分析
•   4.3 试验结果对比分析
•   4.4 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 进一步研究工作建议
• 参考文献
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 摄宇

导师: 周燕国

关键词: 离心模型试验,弯曲元,压缩元,剪切波速,压缩波速,弹性波传播规律,砂土,土体非线性动力特性,剪切模量,阻尼比,地震响应,倾斜场地

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,地球物理学,建筑科学与工程

单位: 浙江大学

基金: 国家自然科学基金项目(Nos.51578501,51778573),浙江省自然科学基金资助(No.LR15E080001),国家重点基础研究发展计划(973)项目课题(No.2014CB047005),“国家万人计划”青年拔尖人才项目

分类号: TU435;P315.9

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.002300

总页数: 144

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