（岩土工程专业论文）桩土的动力反应分析.pdf

p i l e - - s o i lo n d y n a m i ci n t e r a c t i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s u nx i n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i ey o n g l i c h a n g a nu n i v e r s i t y ，x i a l l ，c h i n a 咖45啪l03 7ji脚y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：羽屋五和年月6 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 研晏 铷签v 纠 可r f 加p 年石月否日 沙，。年f 月夕日 摘要 随着人类的发展和进步，在最近几十年来，国内学者，国外学者几乎同时对动力 作用下，桩土的之间的相互作用体系进行了大量的研究工作，由于桩土之间相互的 作用在动力体系中非常的复杂，所以现有的研究成果，还不能够满足工程设计，抗震 设计的需求，至今，还没有成熟的理论方法，可以应用到工程的抗震设计中。 通过现场剪切波速的测试，室内动三轴试验，对两种得到的东剪切模量进行对比 分析。通过动三轴试验的研究，得出所依靠的工程场地，各层土的动剪切模量值，为 下一章提供计算参数。所做的试验研究，对测定一般场地的动力的特性参数，具有重 要的意义。 通过a n s y s 有限元软件，分别对以3x 3 群桩基础，2 2 群桩基础，在不同的 条件下，进行计算分析，并对二者进行对比，得出结论。 关键词：桩基，动力反应，h a r d i n 模型，土动力特性，地震波 a b s t r a c t n l cr e s e a r c ho fp i l e s o i l s t r u c t u r e - d y n a m i ci n t e r a c t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n gs a f e t yo fp i l ef o u n d a t i o nu n d e rd y n a m i cl o a d s m a n y r e s e a r c h e r sh a v ed o n el o t so f w o r k si nt h i sf i e l da n do b t a i n e dal a r g en u m b e ro f v a l u e d r e s u l t s h o w e v e rt h ed y n a m i ci n t e r a c t i o no fp i l e - s o i l s u p e r s t r u c t u r es y s t e mi ss o c o m p l i c a t e dt h a tt h e r ea r es t i l lm a n yk e yi s s u e st ob er e q u i r e df o rf u r t h e rr e s e a r c h e s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs i t ea r ea n a l y z e dc o m p a r a t i v e l yt h r o u g hs o i lt e s t s f i e l dt e s t sa n dl a b o r a t o r yt e s t s8 r ep e r f o r m e d ，a n dt h ed i f f e r e n c eo fr e s u l t s i s r e s e a r c h e dc o m p a r a t i v e l y d y n a m i ct r i a x i a lt e s to fs o i l ，t h ea n a l y s i so fd y n a m i c p a r a m e t e r s ，a n dd e t e r m i n e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o i l g r a s p i n gt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h eg e n e r a lf i e l di nc h a n g s h ac i t yh a sc e r t a i nr e f e r e n c e v a l u e i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a l la n a l y s i sm o d e lo f3x 3g r o u pp i l ea n d2 x 2f o u n d a t i o n s 晰m d i f f e r e n tp i l es p a c i n ga n dp i l ed i a m e t e ri sb u i l tu p t h ep i l e - s o i l s t r u c t u r ed y n a m i c i n t e r a c t i o nu n d e rh o r i z o n t a ls e i s m i ce x c i t a t i o n si s a n a l y z e db yu s i n g t h r e e d i m e n s i o n a le l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h e d e v e l o pp l a t f o r m a n s y s h a r d i nm o d e li sc h o s e nt os i m u l a t et h en o n 1 i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l k e y w o r d s ：p i l ef o u n d a t i o n ，d y n a m i ci n t e r a t i o n ，h a r d i nm o d e l ， s o i l d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，e a r t h q u a k ew a v e 目录 第一章绪论。1 1 1 课题研究背景1 1 2 土与桩基的动力相互作用的国内外研究现状2 1 2 1 动荷载作用下单桩的国内外研究现状2 1 2 2 动荷载作用下群桩的国内外研究现状3 1 3 通用有限元软件a n s y s 3 1 4 本文研究工作的意义、目的及主要内容4 1 4 1 研究的意义4 1 4 2 研究的目的一5 1 4 3 主要内容5 第二章土的本构关系 2 1 引言7 2 2 土的应力应变特性7 2 2 1 土的应力应变的非线性7 2 2 2 土的剪胀性8 2 2 3 土体变形的弹塑性一8 2 3 土的弹性模型9 2 3 1 概述9 2 3 2 邓肯张双曲线模型1 0 2 4 土的动力本构关系1 0 2 4 1 土的动应力应变关系的基本特点1 0 2 4 2 土体的粘弹性动力本构模型发展概况1 0 2 4 3h a r d i n 计算模型1 0 2 5 本章小结1 2 第三章场地土的动力特性研究。1 3 3 1 引言1 3 3 2 场地概况1 3 3 3 场地土动模量的室内外试验结果分析1 4 i i i 3 3 1 现场剪切波速测试1 4 3 3 2 实验室动三轴试验1 5 3 3 3 动模量的室内试验结果分析1 7 3 3 4 动模量的比较和分析2 0 3 4 本章小结2 1 第四章桩的水平地震作用反应分析。 4 1 引言2 2 4 2 计算模型2 2 4 2 1 运动方程。2 3 4 2 3 阻尼的确定2 4 4 2 4 边界的确定2 5 4 2 5 地震波的输入2 6 4 _ 3a n s y s 建模2 7 4 3 1 单元的选择2 7 4 4 建模2 9 4 4 2 计算结果3 0 4 5 本章小结3 5 第五章结论与展望。 5 1 主要研究结论3 6 5 2 进一步研究建议3 6 参考文献 致谢 i v 4 2 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 桩是深入土层的柱形构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。它的作 用是将上部建筑物的荷载( 包括水平的和竖向的荷载) ，通过较软弱的土层传递到深 部具有较大的刚度且压缩性小的土层或岩层。在一般的基础工程中，桩主要承受由上 部传递的垂直的竖向荷载，但在桥梁、河港、近海钻采平台、高耸塔型建筑、支挡建 筑和抗震等工程中，桩基还需要承受来自侧向的土压力、波浪力、风力、交通工具的 作用力和地震力等水平荷载【l 】。 根据时间特征划分，桩所承受的外力可分为动力荷载和静力荷载，动力荷载按其 随作用时间特征的变化规律，又可分为冲击荷载、周期荷载、以及随机荷载【2 】。例如： 风力是随机荷载，波浪力也是随机荷载，而桩在打入的过程中，或者偶然的撞击时， 如交通事故，预制工程桩及钢桩承受的锤击作用力，都属于冲击荷载；由于机器的振 动，传递到桩基上的作用力，被划分为周期荷载。反复性和突发性，是动力荷载的两 个基本特性，其作用于桩上的作用力产生的动力响应比静力荷载作用产生的静力响应 难以预测和把握，所以从某种程度来说，动力荷载的危害比静力荷载的大得多p 1 。 相对于浅基础，桩基础的优点如下：( 1 ) 能提供很大的动阻力或静阻力；( 2 ) 能够 提供很高的固有频率；( 3 ) 桩基础具有很小的振动幅值：( 4 ) 具有非常小的残余动沉降【4 】。 然而桩基础只有在产生较小变形的情况下，才能够有效地抵抗动荷载的作用，桩基础 对动荷载产生的响应与纵向弹性波传播理论和横向弹性波传播理论密切相关，它受桩 基础的自身重量、几何尺寸、桩身所承受的静荷载以及桩周土和桩的本构特性的影响 【5 1 。所以，桩基的数值模拟、试验分析、定性分析等研究一直是国内岩土工程专家、 国外岩土工程专家及技术人员共同关注的问题。 和基岩的地基相比较，在受到振动时，土基的基础上的结构发生了非常大的变化， 有的情况下，结构的动力性能，也发生了改变。由于在动荷载的作用下，土与结构之 间的动力相互的作用，非常得明显。 通过大量研究的统计结果表n y j t 6 7 l ，考虑土一结构动力的相互作用后，结构的地 震反应作用一般来讲都将会减小。在过去一些观点中，些认为忽视地基土层对输入 的地震动的滤波作用和放大得作用，在这种情况下地震动则由基岩进行输入。因此可 以看出在目前的情况下，桩基在地震作用下的分析及设计，缺乏大量的必要研究。 第一章绪论 有些情况下，按传统的刚性地基假定进行分析，并且考虑土结构之间的相互 作用，计算得到的抗震设计是保守的，且偏于安全，其实在有的情况下，这一结论并 不是完全正确的。可是在p 效应的情况下，其产生的产生结构位移和附加力，都 将增加一定的程度，则考虑土一结构的动力相互作用下，求得的地震作用，好像一定 会减小。所以大量的开展在地震作用的情况下，桩基设计的深入研究，有非常重要的 意义。 1 2 土与桩基的动力相互作用的国内外研究现状 桩基础是一种历史悠久而且应用广泛的深基础形式。近年来，随着现代科学技术 的发展，工程建设也有了很大的发展，且桩基的计算方法和设计理论等各个方面都有 了较大的发展和提高，使桩与桩基础的应用非常的广泛，更具有了生命力。在动力荷 载的作用下，对地基桩基上部结构之间的相互作用，做了非常多的研究，但是到目 前为止，由于问题非常复杂，地基桩基上部结构之间在动力荷载的作用下，做出的 研究成果，远远不够。在静力荷载作用下，对地基桩基上部结构之间的相互作用， 做了非常多的研究，一部分的研究成果应用于实践中且在实践中得到了验证。 1 2 1 动荷载作用下单桩的国内外研究现状 1 动荷载作用下单桩的国外研究现状 b a b a r a n o v 薄层法，被m n o v a k 等人运用且加以了深入的研究，对单桩在不同 的振动情况下，进行了全面且深刻的分析研究。关于薄层法的理论，王贻荪【8 】( 1 9 8 3 ) 曾根据b a b a r a n o v 所编的原始文献和m n o v a k 的所作的相关研究工作，进行了相当 全面地总结。b e l s h a r m o u b y 1 2 】( 1 9 8 3 ) ，m n o v a k 对m n o v a k 的研究方法，进行了全 面而深刻的总结。通过应用此种研究的方法，e a b o u l e l l a l 9 ( 1 9 7 4 ) 和m n o v a k ，得到 了摇摆振动所需的相关分析参数，水平振动的相关分析参数。j e h o w e l l 【l l 】和 m n o v a k ( 1 9 7 7 ) 又分别研究了均质弹性与粘弹性地基中单桩的扭转振动。 w e n k l e r 地基梁法是动荷载作用下得另一个简单普通的方法，而确定桩和土之间 的阻尼和弹簧刚度，则是此方法的难点，也是最为关键的地方。在桩土的相互作用分 析中，该方法得到了较好的应用，它的优点在于把桩土的非线性考虑了进去。 2 动荷载作用下单桩的国内研究现状 单桩在动荷载作用下的振动分析，我国的学者对此也进行了较为全面的试验分析 研究和理论分析。刘宗贤c 2 3 】( 1 9 9 3 ) ，李玉亭1 2 4 ( 1 9 9 4 ) 运用了解析方法和数值方法 2 长安大学硕士学位论文 二者相结合的方法，根据地基土的分层特性，对扭转振动下振动下和水平振动下的单 桩，分别进行了研究。 首培休【1 8 】，李贵宝二人则通过较大尺寸的模型，对桩进行了竖向的振动试验，水 平的振动试验，为单桩在振动中所需的参数，桩基的振动理论，提供了充分的依据。 1 2 2 动荷载作用下群桩的国内外研究现状 1 动荷载作用下群桩的国外研究现状 由r s e n ，e k b a n e r j e e t 3 6 1 ( 1 9 8 5 ) 等人，根据边界元法的理论，分别研究了群桩 的水平振动和竖向振动，单桩的水平振动和竖向振动。且用柱单元或者梁单元，来模 拟桩，且地基假定为粘弹性的半空间。h g p o u l o s 3 0 - 3 1 1 ( 1 9 6 8 ，1 9 7 1 ) ，e h d a v i s f 3 2 1 ( 1 9 8 0 ) 等人，提出了静力相互作用的因子法，对群桩在静力荷载作用下，应用了此种理论， 进行分析，对群桩性能的研究，起了重要的作用。 a m k a y n i a ，m d 七【3 7 】采用了边界元法，通过对在s v 波，s h 波，斜向方 向入射的p 波和r a y l e i g h 波的四种波的作用下，进行了桩基的动力反应分析。r d o b r y g 与g a z e t a s 3 5 1 ( 1 9 8 8 ) ，针对动力的相互作用的因子的概念，提出了一种简化的方法， 用来计算桩桩在均质的土中动力之间相互作用的因子。 2 动荷载作用下群桩的国内研究现状 对群桩的动力反应分析研究，相对于国外，我国的学者研究的较少。王有为， 根据我国的民用建筑常用的布桩的形式，工业建筑中常用的布桩的形式，提出了在地 震荷载的作用下，计算桩基的水平刚度的简化方法。1 9 8 4 年，王开l 顷t a o j 通过对 j p e n z i e n 的集中质量法的分析研究，也提出了在地震荷载的作用下，计算桩基的水平 刚度的简化方法。简化的原理是利用m i n d i i n 的公式位移，m i n d i i n 的快速衰减，在 布桩过程中的对称性等理论。但是对频率的相关性，动刚度，没有解析得到解决。1 9 8 8 年，邓大同【4 1 1 利用了n o v a k 的薄层法，建立了在桩一土一基础相互作用的时候，且 有回填土影响的情况下，在水平一摇摆耦合的振动下，桩基础的动力计算，并提出了 桩基础体系的动反力的计算公式，阻尼解析表达式，动力刚度解析表达式。 1 3 通用有限元软件a n s y s a n s y s 软件是一种大型通用有限元分析软件，它可以在大多数计算机和操作系 统，如l i n u x 、w i n d o w s 、h p u x 、u n i x 等中运行它涉及计算力学、计算数学、数 字仿真技术、结构动力学、工程管理学与计算机技术等领域，可以广泛应用于地质、 3 第一章绪论 土木、矿业、机械、材料、水利等工程的分析和科学研究。 1 4 本文研究工作的意义、目的及主要内容 1 4 1 研究的意义 中国位于世界两大地震带环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板 块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育。2 0 世纪以来，中国共 发生6 级以上地震近8 0 0 次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有的省、 自治区、直辖市。 中国地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震灾严重的国家。1 9 0 0 年以来，中国死于地震的人数达5 5 万之多，占全球地震死亡人数的5 3 ；1 9 4 9 年以 来，1 0 0 多次破坏性地震袭击了2 2 个省( 自治区、直辖市) ，其中涉及东部地区1 4 个 省份，造成2 7 万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的5 4 ，地震成灾面积达3 0 多 万平方公里，房屋倒塌达7 0 0 万间。地震及其他自然灾害的严重性成为中国的基本国 情之一。 2 0 0 8 年5 月1 2 日，汶川地震震惊全国。这是中华人民共和国自建国以来影响最 大的一次地震。震级是自1 9 5 0 年8 月1 5 日西藏墨脱地震( 8 5 级) 和2 0 0 1 年昆仑 山大地震( 8 1 级) 后的第三大地震( 7 8 级地震) ，直接严重受灾区达1 0 万平方公里。 图1 1汶川地震中被摧毁的建筑物 4 长安大学硕士学位论文 图1 2 汶川地震中引起的公路塌陷和拱起 图1 - 3汶川地震中被毁坏的公路 所以探索和研究地震对工程建筑物的地震反应的影响，迫在眉睫，具有非常重要 的意义。而在抗震工程中，桩基需要承受来自侧向的土压力、波浪力、风力、交通工 具的作用力和地震力等水平荷载，所以研究桩基的在动荷载作用下的反应，对工程抗 震防灾减灾的研究和工程抗震设计也具有有重要的意义。 1 。4 2 研究的目的 本文以某一工程场地为背景，进行土的动力特性测试和室内土的动三轴试验，结 合土动力学理论，并借助大型的通用有限元软件，建立不同参数的桩基模型，在水平 地震荷载作用下进行计算机仿真模拟分析，得出在3 3 群桩下不同的桩径、桩间距 的桩体的剪应力幅值沿桩长的变化的曲线，2 2 群桩下不同的桩径、桩间距的桩体 的剪应力幅值沿桩长的变化的曲线，并对二者进行比较分析， 为桩基结构的抗震分析与工程设计提供理论根据。 1 4 3 主要内容 本文主要开展了以下几方面的工作： 对土的本构关系系统的进行了探讨，对土的静力本构模型和动力本构模型分别进 第一章绪论 行了探讨。 对被测试的工程场地土进行了动力特性试验研究。通过动模量的室内外试验以及 室内试验，比较了室内外试验确定的动模量的差异。同时研究了室内动三轴试验所确 定的土动力参数，并析了试验结果。最后运用室内动三轴试验，确定了场地各土层的 动力特性指标。 在桩土动力相互作用分析中，通过介绍a n s y s 软件在此的应用，并探讨了桩 土本构模型的选择、边界的确定、地震波的输入，并且建立了不同桩间距的计算模型， 根据第三章试验确定的动力特性指标，通过a n s y s 计算进行对比分析。 6 长安大学硕士学位论文 第二章土的本构关系 2 1 引言 “土的本构关系”即为土体内部产生的应力、应变与时间之间的一定关系。则“土 的动力本构关系 ，即为在动力条件下的的这种关系。土的本构关系的认识对于研究 土的强度、变形和稳定问题以及上部结构一基础地基共同工作等具有重要意义。 在静力问题中，邓肯张( j m d u n c a na n dc y c h a n g ) 模型应用较为普遍。邓肯 张模型具有简单、实用的特点，但也有局限性，例如尚不能反映出主应力和应力路径 等的影响。为此学者们作了改进性研究 4 2 1 0 此外，在静力本构关系的研究中往往不 考虑时间效应，然而饱和粘性土的时间效应是不能忽视的，主要表现在土的流变特性 方面【4 3 1 。 土的动力本构关系反应了土在动力荷载作用下的基本特性，对于研究土的动变 形、动强度及对土的动力反应分析等非常的重要。由于土是一种非线性和弹塑性材料。 它的工作性质极为复杂。要建立一个既简单又比较符合实际的动力本构关系的数学模 型并非易事。一般要求所建立的模型：比较接近实际情况；动力参数易于通过试验确 定；数学表达式比较简单，易于计算，即便比较复杂，也能用数值方法计算。 2 2 土的应力应变特性 弹塑性、非线性和剪胀性，是土的主应力应变的主要的特性。土是岩石风化而成 的碎散矿物颗粒的集合体，它的应力应变关系，很复杂，并且和许多的因素有关系。 2 2 1 土的应力应变的非线性 由于颗粒间的位置的变化，引起的变形，为土的宏观的变形，则在不同的水平的 应力作用下，由相同的应力增量引起的应变增量，就不会相同，所表现的特性，就为 非线性特性。 图2 1 土的常规三轴试验( 非线性) 7 第三章场地土的动力特性研究 图2 1 表示常规三轴压缩试验中，土的的一般的试验结果。其中图中实线表示的 是超固结粘土，或者是密实沙土；图中虚线则表示的为正常固结粘土，或者是松砂。 从图中分析可以看出，实线表现为开始时，应力随着应变的增加而不断地增加，当达 到一个峰值后，此时的应力则随着应变的增加而呈不断的下降趋势，最后则趋于稳定； 虚线表现为开始时，应力随着应变的增加而不断地增加，但是随着速率不断增加，却 表现为很慢得变化趋势，最后则趋于稳定。 2 2 2 土的剪胀性 由剪切引起的体积的变化，被称为广义的剪胀性，它包括体缩和体胀两个主要的 部分。 一 、：一一r 一 、一 一_ ， ，l ， 图2 2 土的常规三轴试验( 剪胀性) 图2 2 虚线表示正常的固结粘土，或者是松砂，实线表示超固结粘土，或者是密 实的沙土。由图可以看出，三轴的试验中，虽然在开始的时候，试样有少量的体积的 压缩之外，随后还发生了明显的体胀变化，但是密砂，或者是超固结粘土，随着偏差 应力q 一吒的增加，轴应变s 。随着增加。由于常规三轴压缩试验中，加载的过程中， 平均的主应力增量p = ( = j 1 ( 仃。一仃。) ) 值，在试验过程中，一直是正值，所以g ，不 可能是试验土体的体积的弹性回弹，只能是由剪应力引起，我们把由剪应力的变化 诶引起的体积变化，定义为土的剪胀性。 2 2 3 土体变形的弹塑性 土体变形的弹塑性的表达式如下： 8 长安大学硕士学位论文 s = 占。+ s p( 2 1 ) 其中，g p 指塑性应变；。指弹性应交。 土在应力循环过程中另一特性是存在阻尼耗功的滞回圈。图2 3 表示的是某中密 砂( 一种天然均匀细纱) 在仃，= l o o k p a 下的三轴试验结果。 铲扣一v b y 坦) 】、 s ，= 吉b y y ( 仃：+ 仃，) 】 l ：= 圭b ：一y ( 仃善+ 仃，) 】l 驴掣r 砂 广旺2 ， 驴掣f 弦 i ，荔：掣f 尽 亦可表示为：p 2 鼍l ( 2 3 ) 9 芒毒ll备，毫 、- 第三章场地土的动力特性研究 其中， k = 页两e ；g = i 而e 。 2 非线性弹性模型 非线性特性，在弹性的所包括的理论中，包括两种模型，一个是切线模型，另 外一个是割线模型。 切线模型的表达形式为增量的广义胡克定律，表示为 ) = d t ) ( 2 4 ) 割线模型中，它的弹性参数e ，是关于应变的函数。 2 3 2 邓肯一张双曲线模型 康纳在1 9 6 3 年，提出了拟合一般土的三轴试验p 。一仃，) s 。曲线的双曲线，表示 为 旰呼去( 2 5 ) 邓肯张模型就是根据这一双曲线，提出的增量弹性模型；式中口，b 为试验常数。 2 4 土的动力本构关系 2 4 1 土的动应力一应变关系的基本特点 在周期荷载作用下，土的应力应变关系则包括非线性和滞后性两个特点。土在动 力荷载作用的情况下，发生的变形为塑性变形和弹性变形两个部分。 2 4 2 土体的粘弹性动力本构模型发展概况 在土体的动力反应分析中，常用的粘弹性模型为等效线性模型和曼辛( m a s h i n g ) 非线性模型两类。r a m b e r g - o s g o o d 模型，h a r d i n - d r n e v i c h 双曲线模型等都是等效线 性模型，而h a r d i n 双曲线模型是在结构工程动力反应分析中应用的最为广泛的模型。 2 4 3h a r din 计算模型 1 岛( 或g d ) 的确定 1 0 长安大学硕士学位论文 f刃7 一 一，膨 s 0 ， ， ， a 蝣( 龟p 斧一 喑 卅 e 。( t ( ；7 戤) ；( f 图2 4 应力应变关系曲线骨架曲线 图2 5 本构关系的双曲线模型 则应力一应变关系表达式可表示为： 篓) ( 2 6 ， 届 仃d 眦l -，r c 、 铲盎j 便于分析，做如下处理：引入参考应变s ，( 或y ，) ，即 所以 鱼：j 二 民1 + 鱼 占y 鱼：l g o 1 + 丝 y r 。一仃d 蚴 q 2 首 矿昔 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 只要确定了仃d 一或p d 娜) 和e o ( 或g 。) 后，就可得到易= e ( 6 d ) 或g d = g ( y d ) 的 函数关系。 2 确定阻尼比d 第三章场地土的动力特性研究 图2 6 剪应力一剪应变关系 哈丁等人从上图所表示的应力一应变关系出发，找出g 。和d 之间的某种简单关 d = d 血。 y d ，y 1 + 丝 y r 其中，仇嘴为动力特性中的最大阻尼比。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 用粘弹性模型进行动力反应分析时，一般先要假定一个模量和阻尼比常数，然后 求出各土层的平均应变，应用哈丁模式的有关计算公式或试验资料确定相应的日( 或 q ) 和d 值，在进行计算。如此反复迭代，直到协调为止。 2 5 本章小结 现在比较成熟的土的动力本构模型，为粘弹性双曲线模型，而在粘弹性双曲线模 型中，应用较为广泛的模型为h a r d i n 模型，在地震荷载的作用下，此种模型在求解 场地土的地震反应时，应用非常得广泛。 1 2 瓯一q 一 ，、 妇 d o = 式 d 模算计的 d 出列后然系 长安大学硕士学位论文 第三章场地土的动力特性研究 3 1 引言 我国幅员辽阔，各地区的工程得有很大的不同。所以要获得场地中的各种土层的 不同的动力参数，则要进行室内的土工动力实验方法，工程场地实际测试，得到地震 反应分析中所需要的各种参数，对场地土在地震作用下的动力特性，进行深刻的分析， 本章应用了论文成层基地一桩基一上部结构动力相互作用理论分析与试验研究 的第二章内容的试验成果，特此声明。 等效线性模型，现在在土动力分析中，被广泛得采用。滞后性、非线性，是土的 动应力应变关系的两个基本特征。等效线性模型，就是将土体看作粘弹性体，通过 等效阻尼d 及等效弹性模量髟来反应它的粘弹性特性，且运用阻尼比，使其表示为 动应幅的函数，且等效弹性模量也如此，可表示为： 历= e ( s d ) ；g a = g ( r d ) ；d = d ( 8 d ) ；d = d ( r d ) ； 由于等效线形模型，它的概念非常明了正确，同时，固结平均主应力对此的影响 也必须考虑进去，目前在实际应用中，介于它自身具有的特点，使其在实际应用中非 常广泛。 为了给下一章的计算分析中，提供所需要的各种参数，本章通过现场的勘察及现 场动力测试，室内土的动力试验为此做准备，提供可靠的参数。动荷作用下的土的应 力应变关系，反映了土在动力荷载作用下的基本特性，通过对土的动变形，动强度， 土与结构物在动力荷载下的作用下的研究，对实际工程的应用意义非常重大。 3 2 场地概况 本为所测试的工程场地，它位于某一市区，它的地形平坦开阔，场地原来被用来 作为耕地，根据地表形态规模的大小，此地貌单元被划分为丘陵和冲沟。根据历史记 载，该市区至今没有发生过大于6 级的地震，它的地震烈度都没有超过六度。通过现 场的动力测试试验，得到该场地土层的剪切波速，各层剪切波速依次为1 4 5 、2 3 5 、 3 3 0 、 5 0 5 m s 。 根据现场的钻孔所知，地基土层从上往下依次为：素填土，厚度为2 0 0 3 4 0 m ，平均2 6 2 m ；粉质粘土，状态为硬塑，它的厚度为3 0 6 1 0 r e ，且土层的平 均厚度为4 5 m ；残积粉质粘土，状态为硬塑，它的厚度为4 5 6 7 0 m ，此土层的 1 3 第三章场地土的动力特性研究 平均厚度为6 0 m ；强风化泥质板岩，它的厚度为4 1 0 8 8 0 m ；中风化泥质板 山 石o 3 3 场地土动模量的室内外试验结果分析 土的动力参数的测试方法，有很多种，最为广泛应用的为现场测试方法和实验室 测试方法两种方法。在重大工程中，对土的动模量的影响因素非常之多，所以采用 试验方法，来测定土的动模量，非常重要。 现场测试试验，有优点和缺点之分。它的缺点是只能测定土在天然状态下的动模 量；而它的优点，减轻了或者避免了对土样的扰动，且对土体的测定范围相对很大， 对土样在宏观结构，微观结构的情况下，它的土性，得到系统的反应。 实验室试验，也有很多优点，经它所测的参数，经过大量的应用，已经取得了 一定的使用价值。但是，实验室试验也有很多的缺点，如所取的土样少，则实验室的 试验所得的参考数据就少，其代表性就相对差。而且在取土样是受到了扰动，所以对 土层的真实情况，得不到全面的反映，且在试验的过程中，人力、物力、财力得到了 很到的消耗4 4 1 。 由此可见，实验室测试和现场测试各有优缺点，二者结合起来，可以相互现验证 4 5 】，相互得到补充，这样一来，使获得的土的动力参数，更为可靠。 在进行土动力学计算分析的时候，土的动模量是非常关键的参数。在进行场地土 的地震安全评价中，它是非常重要的内容，必不可少。通过和实际情况进行对比，验 证其是否符合实际要求，它的准确性对计算结果影响非常重大，且有决定性作用。 3 3 1 现场剪切波速测试 采用的试验方法是首先在场地中分别钻取三个孔，然后再在地面采用激振器，进 行振动，在孔底得到反射并接收，此种方法被称为单孔法测试。而它的剪切波速，被 定义为地表表层，到测点间土层的波速，在经过平均计算，得到的波速。我们假定波 是沿着直线进行的传播，则在传播的过程中，所经历的时间和距离，即可对波速进行 计算，得到结果。 整理现场试验数据，得到场地各土层的剪切波速，如表( 3 1 ) 所示 1 4 长安大学硕士学位论文 表3 1 土的剪切波速 根据现场测试的剪切波速，计算土的动剪切模量为 g d 咪= p 瑶 ( 3 1 ) 其中圪为土层的剪切波速，p 为土的密度。 该土层的场地类型，被划分为坚硬的场地土。 各土层的密度，通过对各土层取试验样品，经过密度试验而得到的，从下到上各 层土的密度为：残积粉质粘土2 1 2 9 c m 3 ，粉质粘- i - 2 0 6 9 c m 3 ，耕土1 8 2 9 c m 3 。 经过单孔测试，得到强风化泥质板岩的波速超过5 0 5 m s ，且这层土层以下的土 层的剪切波速也超过了5 0 5 m l s ，所以在计算分析中，只需该土层以上的动剪切模量， 3 3 2 实验室动三轴试验 在扰动试样的制备过程中，试样的直径为7 0 r a m ，试样的高度为2 0 r a m ，根据该 粉质粘土天然密度，天然的含水量进行制备，并且采用抽气饱和。 由于该场地土属于坚硬的场地土，强风化泥质板岩的波速，超过了5 0 5 m s ，且 以下土层的剪切波速，也超过5 0 5 m s ，所以只取该土层以上的土样。 采用的是振动三轴试验，按照国家的现行标准，在试验前，我们应该先拟定好 试验的方案，把仪器设备给调试正常，让它的工作状态保持正常，在进行试验。其试 验的步骤如下： 1 制备土试样 根据工程设计需要，制各成饱和度、均匀性、密实度等都符合要求的圆柱土试 样。土试样套上橡皮膜进行抽气，使橡皮膜紧贴膜壁，保证形状均匀，尺寸合格。对 粘性土试样，一般采用切土盘切削成型，但在制备过程中原状土样应避免扰动，重塑 土样应符合现场填土条件。测定饱和土动力特性时，对土试样的饱和方法一般采用抽 气饱和或水头饱和、反压饱和。 2 施加静应力 为了要求控制的应力状态，或者是为了模拟现场的初始应力条件，则在试样的轴 向施加静应力仃。，侧向施加a 3 。根据实验的要求，可以采用均等固结，固结比 第三章场地土的动力特性研究 k 。：垒= 1 ；也可以采用偏压固结，固结比k 。：垒 1 仃3 f仃3 3 进行振动 当土样试样的固结完成之后，马上施加振动荷载。根据工程所承受的动荷的特点， 我们来确定动荷的频率、振次、波形。进行试验的过程中，动应力作用的次数，一般 不超过5 次。当测试阻尼比随应变幅的变化时或者动模量随应变幅的变化时，应该逐 级的施加动应变幅，或者逐级施加动应力幅，且可以规定前一级的振幅为后一级的振 幅的一半。 4 测记参数与数据处理 计算动弹性模量，动剪切模量，阻尼比及动强度等参数。 1 ) 动弹性模量 应力一应变关系表达式可表示为： 孽卜2 ， 日仃d 懈【 ，。n 、 矿盘j 便于分析，做如下处理：引入参考应变，( 或) ，) ，即 所以 o d m x q 2 百 轳等 鱼：j 二 凰1 + 鱼 s v g d 1 一= = g o 1 + 丝 y y ( 3 3 ) ( 3 4 ) 只要确定了仃d 眦或 d 嘲) 和e o ( 或g o ) 后，就可得到e d = e ( s d ) 或g d = g ( r d ) 的 函数关系。 1 6 长安大学硕士学位论文 2 ) 阻尼比 确定阻尼比时，首先从每个试验记录的高速拍摄段内找出具有代表性的波形，选 取一个周期，求出该周期内不同时刻的动应力仃d 和动应变s d ，作出滞回圈曲线，如 图3 1 所示，由滞回圈的面积以和a c o m 面积4 计算阻尼比为 d ：l( 3 5 ) ji 口五 ，确j - ， 御f , , t i l f ， m 已 图3 1 滞回曲线与阻尼比 3 3 3 动模量的室内试验结果分析 了给f 面的计算分析，提供动力特性参数，对场地内素填土、粉质粘土、残积 粉质粘土分别进行了室内动三轴试验4 9 1 ，确定了各土层的最大动剪模量嘭一和曲线 嘭g d 一一y d ，d d d 蛳7 ，d 曲线。 通过室内的动三轴试验，测定了土的轴向的动应变s d ，土的轴向的动应力盯d ，二 歌指标，通过轴向的动应力与轴向的动应变之比，所得到的结果，就是土的动弹性模 量易，它与土的动剪切模i g d ，土的动剪应变y d 之间的换算关系为 m = s d ( 1 + p ) 卜志。石 1 素填土试验结果 第三章场地土的动力特性研究 素填土的g d g d 一y d 的拟合曲线，如图3 2 所示。 萼 蔷 骅 剪应变v 图3 2 q g d 一y d 曲线 则得到的素填土的最大动剪切模量g d 一= 4 0 9 5 3 k p a 。 吕 言 图3 3 d 仍一y d 的曲线 2 粉质粘土试验结果 粉质粘土的g d g d 嘣y d 的拟合曲线如图3 4 所示。 1 8 长安大学硕士学位论文 一 遣 鎏 型 剪应变y - 图3 4 q 嘭蛳7 ，d 曲线 则得到的粉质粘土最大动剪切模量g d 一- - - l 1 3 6 6 8 k p a 。 罗 簧 图3 5 d d d 懈y d 的曲线 3 残积粉质粘土试验结果 残积粉质粘土的g d g d 雠一儿的拟合曲线如图3 6 所示。 1 9 第三章场地土的动力特性研究 皇 冀 蔷 骅 图3 6 g d q 衄，d 曲线 则得到的残积粉质粘土最大动剪切模量g d 一= 1 8 1 4 6 2 k p a 。 0 0 0 l0 0 l 图3 7d 仍雎y d 的曲线 由g d g d 懈) ，d 曲线可以看出，动剪切模量比q g d 一随着剪应变y d 的增大 而减小，由d 仇嘣) ，d 的曲线可以看出，动阻尼比q g d 懈随着剪应变y d 的增大而 增大。 3 3 4 动模量的比较和分析 根据分析，可得出g d 眦的试验值，如表( 3 2 ) 所示。 锄 乃 加 彤 邡 彤 m m n n m 0 0 0 长安大学硕士学位论文 表3 2 嘭一试验值 由表( 3 2 ) 分析可得到如下结论： 通过在实验室进行动三轴试验，所得到的最大动剪切模量q 峨，和通过现场进 行剪切波速试验，所得到的各土层的最大动剪切模量吼一，二者相比，其值接近。 但是两种试验，在试验方法方面，试验理论方面，还有其整理数据等方面，都有不同 的特点，所以所得到的试验结果不是完全的相同。 3 4 本章小结 我国幅员辽阔，各地区的工程场地特性土的性状差异非常大，当需要更加精确地 抗震设计计算时，就必须对场地进行实地勘测和对土样进行必要的室内土工的动力实 验，例如需要建立场地土的本构关系模型，或者需要确定场地场地对结构地震动输入 波形的修正时，必须进行室内动力实验。本文针对某市区某一工程场地，进行了室内 的动力试验研究，对掌握该市区的一般场地的动力特性及参数，有一定的意义。 本章通过现场剪切波速计算得到的各土层的最大动剪切模量g d 一值和实验室动 三轴试验得到的最大动剪切模量q 一值进行对比，二者差异非常的小。说明实验室 试验得到的动剪模量值，现场试验得到的动剪模量值，都比较正确，二者之间可以互 相验证。 通过室内土样的动三轴试验的结果分析，得到动剪切模量比g d q 一随着剪 应变) ，d 的增大而减小。由d 仍嘲y d 的曲线可以看出，动阻尼比q q 一随着剪应 变y d 的增大而增大。 2 l 第四章桩的水平地震反应分析 第四章桩的水平地震作用反应分析 4 1 引言 在计算分析时，考虑与不考虑土与结构的相互作用，对计算结果有很大的差别。 结构的振动特性会由于土介质的存在而