（岩土工程专业论文）液化大变形条件下桩土相互作用的动力响应研究.pdf

液化大变形条件下桩一土相互作用的动力响应研究 摘要 大量的地震震害调查研究表明，饱和砂土在地震作用下发生液化以及由液 化引起的大变形是造成公路、桥梁、桩基等生命线工程严重破坏的主要原因之 一。地震液化大变形的机理及影响因素比较复杂，是岩土工程和地震工程界的 一个热点和难点。本文结合国家自然科学基金“桩土结构动力相互作用振动 台试验 ( n o 4 0 7 7 2 17 1 ) ，以振动台模型试验为基础，采用有限差分程序 f l a c 3 d ，计算分析液化大变形下桩土相互作用的动力响应。 本文设计与制作了振动台试验模型，包括试验模型、材料性能参数、试验 加载制度等，为下文利用f l a c 3 d 程序进行模拟和验证提供了必要的计算参数。 作者在试验模型的基础上对计算模型作出了一定的改进，以具有斜坡的临空面 场地模型来更好地模拟地震液化下的大变形。研究表明临空面附近土体位移明 显较大，且随着距离临空面距离的增加，土体位移反应减弱。 本文利用f l a c 3 d 程序计算了修改后的具有临空面场地的模型，着重研究 了地震液化大变形下地基孔隙水压力的分布、地基土层对地震动的影响，得到 软土尤其是液化土对地震波的传递有一定的减振隔震作用；通过桩基础的位移、 弯矩和应变反应分析，表明软硬土层交界处及土层液化部位是桩身出现裂缝甚 至断裂的主要位置，与试验后观察到的结果及历次桩基震害调查情况一致。所 得结论对高烈度地震区桩基础的抗震设计具有一定的参考意义，在存在液化侧 向扩展的地基中桩基础不仅要考虑上部结构的震动影响，还应考虑地基侧向位 移对桩基础的影响。 关键词：液化；大变形；桩基；桩一土体系；f l a c 3 d r e s e a r c ho nd y n a m i cr e s p o n s eo fp i l e - - s o i li n t e r a c t i o n u n d e rt h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n ti n d u c e db y e e a r t h q u a k el i q u e f a c t i o n a b s t r a c t t h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n ti n d u c e db yl i q u e f a c t i o no fe a r t h q u a k em a y r e s u l ti ns e r i o u sd a m a g e st ot h el i f ee n g i n e e r i n gs u c ha sh i g h w a y ，b r i d g ea n dp i l e f o u n d a t i o n l i q u e f a c t i o nm e c h a n i s mo fl a r g ed e f o r m a t i o na n di m p a c to ft h e s e f a c t o r sw e r ec o m p l i c a t e d ，a n di th a db e c o m eah o ta n db i gp r o b l o e mi nt h eg e o t e c h - n i c a le n g i n e e r i n ga n de a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g t h ec u r r e n tr e s e a r c hw a ss u p p o r t e d b yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c to ft h es h a k i n gt a b l et e s to fp i l e s o i l - - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ( n o 4 0 7 7 2171 ) ，c a l c u l a t e da n da n a l y z e dt h ed y n a m i cr e s p o n s e o fp i l e - s o i li n t e r a c t i o nu n d e rt h el a r g eg r o u n dd i s p l a c e m e n ti n d u c e db ye e a r t h - - q u a k el i q u e f a c t i o nb yf l a c 3 d b a s e do nt h em o d e lo ft h es h a k i n gt a b l et e s t t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no ft h es h a k i n gt a b l et e s ti sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r ， i n c l u d i n gt h ee x p e r i m e n t a lm o d e l ，t h em o d e lm a t e r i a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ，t h e e x p e r i m e n t a li n c r e a s es y s t e m a n di tp r o v i d e dt h en e c e s s a r yp a r a m e t e r st os i m u l a t e a n dv e r i f yt h es h a k i n gt a b l em o d e le x p e r i m e n tb yf l a c 3 d t h i sa r t i c l em a d es o m e i m p r o v e m e n t si nt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo nt h eb a s i so ft h es h a k i n gt e s tm o d e l ，i n o r d e rt oh a v eaf r e es u r f a c es i t em o d e l st ob e t t e rr e s p o n dt ol a r g ed e f o r m a t i o nu n d e r s e i s m i cl i q u e f a c t i o n w ef o u n dt h a tw h e r en e a rt h ef r e ef a c es i g n i f i c a n t l yh a da g r e a t e rd i s p l a c e m e n t ，a n dw i t hi n c r e a s i n gd i s t a n c ef r o mt h ef r e ef a c e ，t h e r ei sl e s s d i s p l a c e m e n t i nt h i sp a p e r ，t h er e v i s e dm o d e lw i t haf r e ef a c es p a c ew a sc a l c u l a t e dw i t h f l a c 3 d t h a tf o c u s e do nt h ed i s t r i b u t i o no fp o r ew a t e rp r e s s u r eu n d e rt h el a r g e g r o u n dd i s p l a c e m e n ti n d u c e db ye a r t h q u a k el i q u e f a c t i o n ，a n df o u n dt h a tl i q u e f i e d s o i lh a dac e r t a i nv i b r a t i o ni s o l a t i o ne f f e c tw i t ht h et r a n s m i s s i o no fs e i s m i cw a v e s t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fd i s p l a c e m e n t ，m o m e n ta n ds t r a i nr e s p o n s eo ft h ep i l e f o u n d a t i o n ，t h i sp a p e rf o u n dt h ep i l ew h e r ea r et h ej u n c t i o no fs o f ta n dh a r ds o i l ， a n dl i q u e f i e ds o i l ，w o u l dh a v ec r a c k sa n dd a m a g e ，w i t ht h et e s tr e s u l t sa n dp r e v i o u s o b s e r v a t i o n so ft h ee a r t h q u a k ed a m a g ei n v e s t i g a t i o ni nt h ep i l e i nt h ep r e s e n c eo f l i q u i d s i d ee x p a n s i o nf o u n d a t i o n ，p i l ef o u n d a t i o nm u s tc o n s i d e rn o to n l yt h eu p p e r p a r to f t h es t r u c t u r eo fv i b r a t i o n ，a n da l s ot h ei m p a c to fl a t e r a ld i s p l a c e m e n to ft h e s u b s o i l ，t h i sp a p e rh a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ot h es e i s m i cd e s i g no fp i l e f o u n d a t i o ni nt h eh i g h i n t e n s i t ye a r t h q u a k ez o n e k e y w o r d s ：l i q u e f a c t i o n ；l a r g ed e f o r m a t i o n ；p i l ef o u n d a t i o n ；p i l e - s o i ls y s t e m ； f i ，a c 3 d 插图清单 图1 1 新泻地震中的地基液化1 图1 2 南投地震中的地裂缝。1 图1 3 阪神地震中海岸护壁水平位移1 图1 4 文可勒弹簧模型5 图2 1 四面体单元的面和节点7 图2 2 桩单元构件的局部坐标系和自由度1 2 图2 3 桩土之间作用示意图1 3 图2 - 4 桩构件剪切方向力学特性1 3 图2 5 桩构件法线方向力学特性1 4 图3 1 模型结构布置图及照片1 5 图3 2 试验用土箱结构示意图1 6 图3 3 模型结构布置及配筋图1 9 图3 - 4 加速度计改装前后示意图2 0 图3 - 5 孔隙水压力计2 0 图3 - 6 直杆桩应变计及土压力布置图2 l 图3 7 试验加速度计测点布置图2 1 图3 8 试验位移计测点布置图2 2 图3 - 9 试验孔隙水压力计测点布置图2 2 图3 1 0e lc e n t r o 波时程图及其傅氏谱2 2 图3 1 1 上海人工波时程图及其傅氏谱2 3 图3 1 2k o b e 波时程图及其傅氏谱2 3 图4 1 自由场边界示意图2 5 图4 2 施加自由场边界的网格2 6 图4 3 归一化的临界阻尼比与角频率之间的关系2 6 图4 4 模量衰减曲线( s e e d & i d r i s s ) 2 7 图4 5 计算模型一2 9 图4 6 自由场边界2 9 图4 7 工况4 4 加速度时程图3 0 图4 8 工况4 5 加速度时程图3 0 图4 10 模型示意图3 2 图4 1 1 计算模型3 2 图4 1 2 竖向应力分布云图3 2 图4 一1 3 孔隙水压力分布云图3 3 图4 1 4 临空面侧向位移( 局部放大) 3 3 图4 15 临空面附近节点侧向位移对比图3 4 图4 16 竖向位移云图3 4 图4 1 7 位移矢量图( 局部放大) 3 5 图4 1 8 模型网格变形图。3 6 图5 1o 0 9 3 9 及0 5 3 2 9 e l c e n t r o 波加速度时程曲线3 7 图5 2 不同深度处的孔压比、超孔隙水压力与有效应力时程曲线图。4 1 图5 3 不同输入下超孔隙水压力时程曲线4 1 图5 4 试验液化现象4 2 图5 5 不同输入下加速度峰值放大系数。4 3 图5 - 6 不同位置处的土体水平位移与桩身水平位移4 4 图5 7 不同时刻土体相对位移曲线4 5 图5 8 试验后桩身破坏情况4 5 图5 - 9 孔压比与桩身弯矩反应4 7 图5 1 0 桩身弯矩沿深度方向的分布4 8 图5 一l1 不同输入下桩身的应变4 9 表格清单 表3 1 模型主要物理量的动力相似系数一1 7 表3 2 原型与模型的尺寸情况1 8 表3 3 原型与模型的结构参数。1 8 表3 4 模型用土的物理力学性质指标2 0 表3 5 相互作用体系加载制度2 4 表4 1 桩体物理力学参数3 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 盒理兰些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：樾签字日期：枷铀年多月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金e 巴业太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金目巴工业太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：夕争使刍 签字日期：少少年中月z ，日 导师签名：铁t 熟磋 签字日期：矽，矿年月沙日 工作单位：浙江太含建设工枉j | ；c 蔓洇l | 嘀湖绷 电话：f ；旷弘7 船钐d 通讯地址：律圳乡誊劐求路；i 弓 邮编：；f 舶3 致谢 本论文是在导师钱德玲教授的悉心指导下完成的，感谢钱老师对我的教导 与培养。钱老师不仅学识渊博，治学严谨，而且诲人不倦，关心学生。读研究 生以来，钱老师在学习和生活方面都给予我无微不至的关心。我不仅在专业方 面取得了进步，更重要的是我从导师身上学到了做人处事的道理，这些都将使 我受益终生。在此我对我的导师表示深深的谢意! 感谢答辩专家、评阅专家、答辩秘书在百忙之中抽出宝贵的时间，对论文 进行评阅与指导。 感谢我所有的同门李辉、李金俸、夏京、徐雁飞、周伟等，谢谢你们对试 验和论文的大力支持和帮助。 最后，要感谢我的父母把我养育成人，还有我的亲人们，谢谢你们这些年 来对我的关爱与帮助! 作者：李健全 2 0 1 0 年4 月1 日 第一章绪论 1 1 引言 地震是人类面临的最严重的自然灾害之一，常常引起建筑物的破坏、人员 的伤亡，给人类社会造成巨大的经济损失。近几年来，地震发生的频率呈现上 升趋势，如2 0 0 2 年阿富汗地震、2 0 0 3 年墨西哥地震、2 0 0 8 年汶川大地震、2 0 0 9 年台湾花莲东南方海域发生的68 级地震和2 0 1 0 年1 月1 3 日海地共和国发生的 m s 73 级大地震。这些地麓对人民的生命安全和财产安全构成了严重的威胁， 使得市政、交通、水利等生命线工程产生了巨大的破坏。地震灾害与其它自然 灾害如风灾、水灾等的显著区别在于，几乎所有的人员伤亡和经济损失都与工 程结构及构筑物的破坏密切相关。 图1 3 阪神地震中海岸护壁水平位移 a l a nf r a u c h h l 等( l a t e r a ls p r e a d ) ，认为“地震液化地面永久大变形是由 于下覆浅层土体液化而引起的缓坡( 定义为： 耻睁嘲u 一( 2 - 3 1 ) 当介质达到平衡时，不平衡力等于0 。 2 1 2 3 增量形式的本构方程 快速拉格朗日分析中，假定时间a t 内速度为常数，增量形式的本构方程可 表示为： i ，= h ： j ，毛。a t ) ( 2 3 2 ) 式中，时。称为共转( c o - r o t a t i o n a l ) 应力增量，或为一给定的函数。共转 ( c o r o t a t i o n a l ) 应：j 速率张量i 。等于给定参考系的介质内一点应力的偏导数和 以瞬时角速度q 的转动，数学表达式为： l o f 】p = d f e 一a + 。口( 2 - 3 3 ) f 】p2 i 一a + o 口 式中，w 为转动速率张量。 利用有限差分方程，可以得到转动速率张量的分量形式： = 一i 1 。行y 一v p ( 2 3 4 ) 式中符号同前。 2 1 2 4 基于时间导数的有限差分近似方法 由本构方程( 式( 2 3 2 ) ) 和变形速率与节点速率之间的关系( 式( 2 - 7 ) ) ， 式( 2 2 6 ) 可表示为一般的差分方程： 等= 六2 v ；( 3 ，酽) 以 ( 2 - 3 5 ) 式中， 刮 是指在计算过程中全局节点，节点速度值的子集( 式( 2 - 2 9 ) ) 。 在时间间隔a t 中实际节点的速度假定是线性变化的，式( 1 - 3 5 ) 左边导数用中心 有限差分估算。 酽飞+ 争叫， ( 卜争+ 嘉酽m 心2 y 产，矿) ( 2 - 3 6 ) 类似地，节点的位置也用中心有限差分进行迭代： x ；( ，o + ，) ：x ：( 7 ( f ) + 加：( 7 o + i a t ) ( 2 3 7 ) 因此，节点位移也有如下关系： “_ ： ，o + f ) ：甜_ ：( 7 ，o ) + n ，；( ，o + i a t ) ( 2 3 8 ) 2 1 2 5 阻尼力 为使运动方程获得静态或准静态( 非惯性) 解，快速拉格朗日分析的静力 分析中，在式( 2 2 9 ) 中加入非粘性阻尼力。则式( 2 - 2 9 ) 变为： f + g t 圳( 鲁) 7 式中：为阻尼力，e l = 吨旧乍劬( v j ) ， s i g n ( y ) = - 1 ，i fy l0i fy = 0 ，= 1 力( 2 3 9 ) 口为阻尼系数，其默认值为0 8 。 ( 2 4 0 ) 2 2 结构单元桩( p i l e ) 单元的应用h 7 3 2 2 1 结构单元的连接 结构单元与实体单元或其他结构单元发生作用都是通过结构节点( 1 i n k ) 来 实现的。结构节点的连接( 1 i n k ) 有两种类型：一种是n o d e z o n e 连接，表示节 点与所属实体单元之间的连接；另一种是n o d e n o d e 连接，表示节点与另外一个 结构节点之间的连接。这两种连接形式可以通过s e ll i n k 命令进行设置。 如果两个或多个结构单元共用一个结构节点，则所有的力和力矩将在共享 该节点的构件中传递。如果需要在这些共享节点的构件之间限制特定的力或力 矩，则需要创建两个分开的结构节点，将这两个节点创建成n o d e n o d e 的连接， 并设置合适的连接条件。 2 2 2 桩单元的定义 利用f l a c 3 d 有限差分软件进行桩土的相互作用模拟，其中桩用桩结构单 元( p i l e s e l ) 来模拟，土体可采用三维的8 节点或4 节点的实体单元来模拟。 f l a c 3 d 中的桩单元由几何属性、材料属性和连接属性共同定义。 r ； 季“。 y x 图2 - 2 桩单元构件的局部坐标系和自由度m 3 2 2 2 1 几何属性 桩结构单元由两个节点组成，每个节点有六个自由度：二个平动自由度和 三个转动自由度。每一个自由度分别对应相应的力、轴力、剪力和弯矩。如图 2 2 所示。桩结构单元之间以塑性连接，打破了通常情况下桩为弹性材料的假定； 亦可采用塑性铰链进行连接，并允许有塑性行为发生。在定义桩单元时还须指 定桩的截面属性，如横截面积、惯性矩、极惯性矩等。 2 2 2 2 材料属性 桩结构单元的材料属性主要包括桩的密度、杨氏模量、泊松比、热膨胀系 数和考虑材料塑性时的极限弯矩等。其中在做动力分析时，必须指定桩的密度； 极限弯矩若没有特别指定，在默认情况下被认为是无限大。 2 2 3 桩土动力相互作用的模拟与实现 1 2 桩与实体单元之间的相互作用 是通过耦合弹簧实现的。如图2 3 所 示。耦合弹簧为非线性、可滑动的连 接体，能够在桩身节点和实体单元之 间传递力和弯矩。切向弹簧的作用同 灌浆锚杆的切向作用机理是相同的。 法向弹簧可以模拟法向载荷的作用 以及桩身与实体单元节点之间缝隙 的形成，还可以模拟桩周土对桩身的 挤压作用。 2 2 3 1 切向耦合弹簧的作用 桩土j 杰向剐度 桩- 七剪切冈b 度桩土接触粘聚力 图2 - 3 桩土之间作用示意图3 桩土接触面的剪应力作用主要考虑其粘聚力和摩擦力。其机理同灌浆锚索 是相同的，如图2 4 ，只需要将切向耦合弹簧的性质代替灌浆的性质就可以了。 切向耦合弹簧的特性包括刚度k 。、粘聚力c 。、内摩擦角以及桩外边界半径。桩 周切向弹簧的作用通过以上几个参数和桩周有效应力进行反映。 2 2 3 2 法向耦合弹簧的作用 桩土接触面的法向作用主要考虑粘聚力和摩擦角，模拟方法与水泥浆锚索 系统一样。如图2 5 所示，法向耦合弹簧的特性包括刚度k n 、粘聚力c 。、内摩擦 角、缝隙以及有效应力，通过这些参数来反映桩土之间发生相对法向移动时， 桩土界面之间的法向力学作用。当桩承受横向载荷时，桩土之间就会产生缝隙。 将g a p 的参数设置为o n 就可以考虑缝隙对横向受载桩的影响。 睃兰 l 。 f 岱 j1 ( t 摊i o n )a ；i p ( e o m p t 雠g i t m ) 陀僦i 己 图2 4 桩构件剪切方向力学特性例 i l t 矿l 工 j i l 一。 i _ ll i 比陋l o n i l 露 i 眦、i l p f c 佣阳辩汹j窖2 图2 - 5 桩构件法线方向力学特性3 本文即通过切向耦合弹簧与法向耦合弹簧的作用，模拟实现桩与土体之间 的相互作用，以便研究桩土相互作用在地震液化大变形下的动力响应。 1 4 第三章桩土结构相互作用的振动台试验 3 1 引言 近年来，随着岩土地震工程及有限元、边界元等计算理 会和分析方法的不 断发展，针对液化场地桩土结构动力相互作用的研究不断深入，己经取得了 很多有意义的成果。然而，地震作用下的桩土结构相互作用则是一个极其复 杂的科学问题，特别是土层在液化状态下的动力力学行为阻及桩一土在动力荷 载作用下藕合响应的复杂性和多样化，使得过去的研究工作主要局限于理论分 析和数值模拟上。不同的理论分析模型和计算方法有不同程度的假定，致使各 种研究方法给出的结果不尽相同、甚至差别较大。这些假定是否合理、理论分 析方法是否j 下确，均需要通过模型试验进行验证。 3 2 试验概况 在导师钱德玲教授主持的国家自然科学基金( 4 0 7 7 2 l7 1 ) 项目支持下，于 2 0 0 9 年1 月在同济大学土木工程防灾国家重点实验室，进行了不同结构体系抗震 性能对比的研究试验。如图3 1 所示。 ：1 ：亭壤黟一 t i - 图3 - 1 模型结构布置图及照片 试验考虑了按照1 1 0 相似关系进行模型相似模拟和土层边界条件模拟。上 部结构为单跨双向1 2 层钢筋混凝士框架，基础为六根长l2 米的支盘桩模型土 箱选用圆桶形橡胶容器土箱，直径为3 米，模型用土为三层不同厚度的重塑土 粉质粘土、砂质粉土和砂土，试验采用加速度计、应变计、位移计、孔隙 水压力计和士压力计来量测上部结构、桩和地基土体在模拟地震荷载作用下的 动力响应。试验以e l c e n t r o 波，上海人工波及k o b e 波三种地震波作为输入地震 波，进行了包括自由场和相互作用体系两个阶段的振动台模型试验。 3 3 试验设计”“ 33 l 土箱的设计与制作 在实际的结构地基动力相互作用情况下，地基是无限边界的。但在振动台 试验中，振动台台面尺寸和承载能力是有限的，加上其他试验条件的限制，决 定了试验中土体范围无法做到无限边界，只能用有限尺寸的容器来模拟。这样， 由于其边界上的波动反射以及体系振动形态的变化将会给试验结果带来一定的 误差，即所谓“模型箱效应”。因此，如何合理模拟土体边界条件，减少模型箱 效应，是结构- 地基动力相互作用振动台试验中的一个重要问题。 用振动台或离心机进行土体振动试验时，土体边界模拟和模型箱效应这个 问题已经引起试验人员的重视，设计采用了一些试验容器来进行边界模拟，有 层状单剪型剪切盒、碟式容器、普通刚性土箱加内衬和柔性容器等也常直接 采用普通刚性土箱。层状单剪型剪切盒“”采用h 型钢焊成框架水平层状叠台而 成层与层可设置滚珠。层状单剪型剪切盒只能进行单向的振动试验，而且容 器自重较大，占用了振动台的承载能力。碟式容器具有倾斜的刚性侧壁。设计 思想是通过锥形区束减少波动能量的反射。普通刚性土箱加内衬“”1 的方法。 其效果易受内衬材料的选择和设置方法的影响。柔性容器采用模量略高于土的 软材料作为容器的侧壁。 选择合适的土箱及模型尺寸并对土箱材料及边界做一定的处理，将困“摸 型箱效应”产生的相对误差控制在试验允许的范围之内，对试验结果的可靠性 具有关键性影响。通过比较几种边界模拟方法，其中柔性容器的模拟较好，除 了能较好地再现原型反应外，它还具有自重较轻和能适应多向振动试验要求的 特点。因此，本试验中采用柔性容器作为试验用模型土箱。 。，震薹匡薹雾”。 * 4 亡兰三= 三三三三兰 蓍】i 4 “ = = 二；2 = 。一= 州 一2 = ：= ：j ( a ) 土箱结构示意刚 ( b ) 土箱立面图 翻3 - 2 试验用土箱结构示意图 如图3 2 为土箱结构示意图，试验选用的土箱为直径3 米的圆桶形柔性容器 采用厚5 r a m 的橡胶膜作为圆桶侧壁，用4 6 0 的钢筋在圆桶外侧作圆周式加 固，以使圆桶既具有一定的刚度，又能够允许土体作层状水平剪切变形。圆桶 通过螺栓与上部环形板和下部底板连接。由固定在底板上的四根柱支撑环形顶 板，柱中设置高度调节螺杆以调节顶板水平和使圆桶体处于适当的状态。柱顶 设置万向节，使环形板在振动时可以侧向位移。为了使起吊的过程中不产生过 大的变形，底板用钢板制作，并用小钢梁加劲。在橡胶侧壁内侧制作花纹，用 环氧树脂在钢底板板面上粘上碎石，使之成为粗糙表面，减少土与容器界面的 相对滑移。 本试验的上部结构均采用单向双跨1 2 层钢筋混凝土框架。动力相互作用体 系中的桩基础分别为支盘桩和直杆桩，模型地基土分三层，自上而下分别为粉 质粘土、砂质粉土、砂土。 、 3 3 1 1 试验模型的相似关系设计 本次试验采用非原型材料忽略重力模型，选取一个单向双跨的1 2 层钢筋 混凝土框架为原型单元，其梁、柱、板均设计为现浇。可以认为原型体系为典 型的小高层建筑体系。本次试验模型的缩尺比例为1 1 0 ，质量密度相似系数 s = 1 ，土、结构的弹性模量相似系数均为s f = 3 7 6 。土、基础、上部结构遵循 相同的相似关系。按照b o e k i n g h a m 兀定理导出各物理量的相似关系式和相似系 数，见表3 1 。 表3 1 模型主要物理量的动力相似系数 相似系数相似系数 物理量相似关系式物理量相似关系式 ( 原型模型)( 原型模型) 长度 s ， 10质量密度 s o 1 线位移s x = s t 1 0 质量s m = s o s ； 1 0 0 0 角位移 s b l 刚度 s k = s e s | 3 7 6 面积 s 一= 簧 10 0 时间 s ，：$ 。s 。硅 5 1 5 7 弹性模量s e 3 7 6 0频率 s ， 0 1 9 4 应力s 6 = s e 3 7 6 0阻 尼 s ? = s m i s , 1 9 3 9 应变 s 。 l 速度 s 。= s ，i s , 1 9 3 9 泊松比& 1 加速度s d = s l s j 0 3 7 6 3 3 1 2 试验模型的结构设计 考虑到振动台的承载能力，相互作用体系振动台试验只能用有限尺寸的容 器来装填地基土，本试验选用直径为3 米的圆桶形容器作为土箱，土层总厚度 为1 6 米。为了减小模型箱效应，要合理设计相互作用体系模型的平面尺寸。 因此，本试验的上部结构采用单向双跨12 层钢筋混凝土框架，其平面尺寸为 6 mx7 2 m ，制成模型后平面尺寸为0 6 mx0 7 2 m ，土箱直径与模型直径( 尺寸) 1 7 之比为5 ( 长方向为4 2 ) 。原型与模型的尺寸情况见表3 2 。 表3 2 原型与模型的尺寸情况 项目原型模型数量位置 框架层数 1 21 2 框架层高总高 3 m 3 6 m0 3 m 3 6 m 框架柱网6 m 6 m0 6 m 0 6 m 框架梁截面( 宽高) 3 0 0 m m 6 0 0 m m3 0 m m 6 0 m m 5 1 2 根 框架柱截面5 0 0 m m 6 0 0 m m5 0 m mx6 0 m m6 12 根 楼板板厚 1 2 0 m m1 2 m m1 1 2 块 承台板尺寸( 长宽厚) 7 m 8 m 1 m0 7 m x 0 8 mx 0 1m 】块 支盘桩桩长1 2 m1 2 m6 根 桩截面尺寸( 桩径盘径) 6 0 0 m m m14 0 0 m m6 0 m m l4 0 m m 粉质粘土( 厚度直径) 2 0 m 3 0 m0 2 0 m 3 m 第一层 砂质粉土( 厚度直径)10 5 m 3 0 m1 0 5 mx3 m第二层 砂士( 厚度直径) 3 5 m 3 0 m0 3 5 m 3 m 第= 犀 表3 3 原型与模型的结构参数 参原型模型参原型模型参原型模型 数 ( m )( m ) 数 ( m )( m ) 数 h1 61 6l 270 7b 2 0 8 1 5 00 0 9 1 5 h 12 50 2 5d 13 03b 36 2 26 m 2 1 1 h 290 9g 10 50 0 5b 4 0 8 2 0 00 0 9 2 0 h 34 50 4 5g 2o 6o 0 6b 58 2 28 m 2 1 1 h 43 63 6f l0 30 0 3b 6 0 8 1 5 00 0 9 15 h 510 1 f 2 0 60 0 6b 7 0 8 1 5 00 0 9 1 5 h 61 21 2d 2o 60 0 6b 8 0 8 15 00 0 9 1 5 h 730 3d 31 40 1 4b 9 0 1 2 1 5 00 6 15 0 l 160 6 b 18 m 2 2 8 西2 1 1b 10 1 2 1 5 00 6 1 5 0 按照相似关系，试验的原型与模型的结构布置及配筋见图3 3 。模型结构 参数及原型与模型对比值见表3 3 。试验模型的材料为：上部结构和支盘桩的 混凝土采用微粒混凝土，钢筋由镀锌铁丝模拟。本试验中微粒混凝土的材料相 似关系为： s 詹= 1 s o - - - 3 7 6 。假设原型的混凝土等级为c 3 0 ，则微粒混凝土 强度等级为3 0 3 7 6 = 7 9 8 ，取标号m 8 ；镀锌铁丝的材料相似关系为：与i i 级钢 相比：s 向= 2 8 0 3 1 0 = 0 9 ；与i 级钢相比：s ，= 2 8 0 2 1 0 = 1 3 3 。考虑结构的 恒载作用，在上部结构中每层配重1 0 k g 。 1 8 lj ! 点啦一 一口j 翅二 f jt 坩f 批 一。 1 。 = 。u r 。 一 。 j 一5 承台板配筋圈 谁 工| _ 直杆桩与承台板连接囤 止 出一t 。卜 j 山l _ 圈3 - 3 模犁结构布置厦配筋倒 模型的上部框架结构的梁、板、柱均设计为逐层现浇，施工中严格控制构 件尺寸和微粒混凝土的配合比。同时模型所用材料均进行材料性能试验，实测 型兰一一肆 一一一 坠， 熊 材料性能参数。考虑试验的可操作性，模型桩基与上部结构采用装配式施工， 即将承台板分为上下两部分，上半部分与e 部结构一起制作：下半部分与桩基 一起制作。在下部结构埋入土中后，吊装上部模型结构两部分间使用螵栓连 接。 332 模型用土的物理力学性质指标 试验用的模型地基土分为三层，自上而下分别选用粉质粘土、砂质粉土和 砂土厚度分别设计为2 0 0 r a m 、1 0 5 0 r a m 、3 5 0 r a m 。由于土在运输过程中受扰动 和水分蒸发等原因，其物理力学性质已经与原状上不同。因此制作模型土时， 由在上海粉土中掺加一定量的水和中细砂搅拌制成，使之接近模型用土的要求； 砂土由筛后的中细砂构成。每层土在试验前后均取样进行材料性能试验，测定 土层的基本物理力学性能指标。 为了使模型土的物理力学性质与原状土接近，模型用土的物理力学性质指 标应接近表3 - 4 中规定的数值： 表3 - 4 模型用十的物理力学性质指标 士皂蓉重rtk n m ! )耋水鼋( )比重g逝孙窒s 。( )孔张眈e 粉质牯土 184 52 8427 2 9 0 108 5 3 砂质粉土 砂土 3 33 测点的布置 试验中采用加速度计、应变计和位移计量测桩- 土结构的动力响应，并在 桩土界面上埋设土压力盒以量测桩土接触压力，土中埋设孔隙水压力计量测孔 隙水压力的变化情况，如图3 - 4 、图3 - 5 为加速度计与孔隙水压力计。 结构测点的布置并不是越多越好。因为测点越多，测试仪器对结构模型的 影响越大，测试仪器之间的相互干扰也越大。同时振动台本身的测试仪器通道 数量也是有限的，因此台理确定测试仪器的种类、数量、位置对试验数据的采 集具有重要影响。本试验的测点布置图见图3 - 6 图3 - 9 。 隧蠢_ 童 圈3 4 加速度计改装前后示意圈图3 5 孔隙水压力计 _ ! l n 曩i j 一2 2 一 善 一k 了曩i 二 ，2 = 堡垒 j 。：! ：一 直杆桩编号图 ：，。“”； 上压力计位置 幽3 - 6 直杆桩应变计及土压力布置幽 堡垫童墅! 墼垫壅鏖茎堡重 ：嚣1 。 丝塾童鱼丝垫垂鏖丛生星 图3 7 试验加速度计测点布置幽 帝iii虬盥堡一_iim 嘴葡 d 4 、d 4 ， i ) 3 ， d 1 ， i 】 二层f1 ， 士层i2 1 二e 7 一一一 l 位移计位置 百中d 4 一- j - 等月现丧，f - 一万向幻位移计 ：；：；计t 圳州e 个 厶孔睁小丘力计 l 嵋个 l rl # 1 f o 土庄升# 1 0 1 1 位社n ( # 6 1 j f口 ，- l l 女i f 0 + 一 j - 、 7 6 r 5 皿斗婴l 坠一 孔隙水压力计位置 i 。辟，| 三二f 童i j 萨二量f 二一再 图3 8 试验位移计测点布置图图3 - 9 试验孔隙水压力计测点布置图 3 4 试验的加载制度 3 4 1 地震波的选择 试验选用的地震波形有e lc c n t r o 波，上海人工波及k o b e 波。图3 1 0 图 3 1 2 分别为e lc e n t r o 波、上海人工波和k o b e 波的加速度时程曲线及傅氏谱。 o o o 旬 由1 0 ：。ljl 曲b _ i r 丌。p 一- 1 l i r 1 t r1 一 n o1 3 5 甜- o 1 1 m l 坼i ；lj 傩艘。j 。! l ：。i w 吖m 1 一。 i【j，_ 。i 。 ull i r 1 1 。1 r 1 ii q h 1 & 52 7 0柏5钳0 t h 【- c 2 6& o7 囊1 aa m q u n 喇+ - 伍i “ 山重? lj 棚虹k j： _ u ：_ j 研俐胛_ 1 哪i - ! 1 1 1 o o6 o恂a1 6 a加0 ( b ) z 方向( 竖向分量) 图3 1 0e lc e n t r o 波时程图及其傅氏谱 i - 一“l啦。_i_ l i k h a i u 。j 一 i盯：fi 孵w - 一l 一 1 r 1 7 r 旧 霄0 2 0 0 吞 暑 薯 膏0 帕0 u 童0 0 0 0 0 02 0 0帕06 0 08 0 o0 o 2 五6 07 51 0 o t h e ( s k )f m q t a 们( p i z | 图3 1 1 上海人工波时程图及其傅氏谱 ! i j i| l且il j i k j 。 耵】 _ ”1 ”1 - ” l 一0 1 口 _ io 啮 。 翟。舶 笺0 0 5 嘎 而1 口 o o1 0 o2 0 _ o 3 0 o 0 t i m e | 毫c ， ： 4ji ；删l jl帆 y fv 。lf m 柏1 “ o ，o2 55 o7 5t 0 o f r q u 帅叫h z i ( a ) x 方向( n s 分量) i 。 -idi j 工l l 。 1门割 1 f f _ ” o 01 0 02 0 a3 0 o4 0 0 n m i s e c ) 骨 专 藿 葛 篁 ( b ) z 方向( 竖向分量) 图3 1 2k o b e 波时程图及其傅氏谱 3 4 2 试验加载制度 动力相互作用体系振动台试验进行之前，首先选择7 个工况进行自由场试 验。自由场试验进行后，静置一天，然后吊装上部结构，进行振动台试验。表 3 5 分别为直杆桩部分自由场试验和相互作用体系的加载制度。 n王甚苫2百i芍o-吒 售iu口鼋墨毒9。 一_luo暑l零p芝 表3 5 相互作用体系加载制度 加速度峰值( g ) 序号工况代原型 模 型备注 号x向y 向z 向x 向y 向z向 4 31 w