砂石墊層在水平振動(dòng)下的響應(yīng)分析★

馬新宇 王 翔 常 河 蔣紅英

(西京學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123)

砂石墊層在水平振動(dòng)下的響應(yīng)分析★

馬新宇 王 翔 常 河 蔣紅英

(西京學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123)

基于二維模擬實(shí)驗(yàn)，研究了在水平動(dòng)荷載下砂石墊層動(dòng)力的反應(yīng)情況，對(duì)一個(gè)固定頻率狀況下顆粒響應(yīng)后產(chǎn)生的位移及內(nèi)部的耗散性能進(jìn)行了分析，探討了振動(dòng)時(shí)間對(duì)散體材料結(jié)構(gòu)影響及豎向深度方向下的響應(yīng)規(guī)律，為更好的研究散體材料結(jié)構(gòu)的減震特性提供了科學(xué)的依據(jù)。

砂石堆實(shí)驗(yàn)，動(dòng)荷載，耗散，減震

砂石墊層是典型的散粒體結(jié)構(gòu)。而散粒體結(jié)構(gòu)“散”和“動(dòng)”是散體材料結(jié)構(gòu)最主要的力學(xué)特性。散粒體材料不均勻且各向異性[1]，有著許多不同于固體和流體的力學(xué)行為特性。散粒體的不連續(xù)性，顆粒之間存在著復(fù)雜的相互作用使得微觀行為非常復(fù)雜。當(dāng)外力介入時(shí)，內(nèi)部有應(yīng)力鏈，具有耗散性。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)散粒體結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究已有了許多的成果，但對(duì)于散粒體結(jié)構(gòu)的研究還很不夠[2]，尤其是動(dòng)力性質(zhì)的研究還很欠缺，由于顆粒結(jié)構(gòu)性所產(chǎn)生諸多復(fù)雜特性，不符合經(jīng)典彈性理論和常規(guī)彈塑性理論。因此還需要大量的實(shí)驗(yàn)積累和理論研究。本文通過實(shí)驗(yàn)，模擬了水平地震力作用下散體材料墊層的響應(yīng)情況，應(yīng)用非線性的隨機(jī)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析了散粒體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況。

1 模擬實(shí)驗(yàn)

自行設(shè)計(jì)二維實(shí)驗(yàn)設(shè)備——有機(jī)玻璃盒子(150 mm×40 mm×20 mm)，放在水平振動(dòng)臺(tái)(精度為0.1 mm)，以模擬水平地震振動(dòng)，頻率和振幅為給出設(shè)定值，加載過程為：從零逐漸增加到某一給定值，然后逐漸卸載。以鐵塊加在散體材料墊層上面模擬附加壓力，縮小比例為1∶50。填裝高度、顆粒位移和級(jí)配破壞深度以毫米測(cè)量。實(shí)驗(yàn)粒徑分別采用四種大小不同的顆粒粒徑均值為1.15 mm的礫石、粒徑均值為2.75 mm的礫石。在有機(jī)玻璃容器中，顆粒堆用黑色、紅色和黃色石子分層，用白色石子分格。振動(dòng)頻率定為15 Hz，觀測(cè)不同的時(shí)間段散體材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的響應(yīng)情況。填裝高度20.00 cm。砂碎石鋪設(shè)狀況如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

2.1 砂石墊層內(nèi)部的響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：散體材料結(jié)構(gòu)中動(dòng)量的耗散是指散體材料結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)波的吸收作用[4]，顆粒在外界能量的輸入下運(yùn)動(dòng)，因此，與振動(dòng)的時(shí)間有關(guān)。由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生了宏觀上的效果。系統(tǒng)內(nèi)部自組織，舊的平衡狀態(tài)破壞，新的平衡狀態(tài)產(chǎn)生。由于顆粒的各項(xiàng)異性，顆粒運(yùn)動(dòng)具有明顯的隨機(jī)性，同時(shí)也破壞了外部穩(wěn)定有序的干擾，顆粒群的行為可看成粘滯耗散[5]。設(shè)實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入的動(dòng)能均勻，是正弦波傳播。由于有耗散發(fā)生，褥墊層的設(shè)置會(huì)阻隔剪切波向上部結(jié)構(gòu)的傳播,減少了輸入結(jié)構(gòu)的地震能量。因此有減震作用(圖2為模擬建筑物頂部振動(dòng)狀況監(jiān)測(cè)圖)。

在動(dòng)力作用下，顆粒堆離開了平衡狀態(tài)，墊層結(jié)構(gòu)中的由顆粒體搭起的拱群結(jié)構(gòu)開始失穩(wěn)，隨著振動(dòng)增大或振動(dòng)時(shí)間的延續(xù)，越來越多的拱結(jié)構(gòu)群崩塌。材料顆粒體獲得了能量，具有了動(dòng)能，被迫克服剪阻力(顆粒表面的摩擦力、咬合力及碰撞)移動(dòng)。因此改變了原有的互相之間的約束條件，顆粒系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生了非線性的復(fù)雜的相互作用，外部傳來的能量在碰撞和克服剪阻力中不斷的衰減、耗散，使能量越來越小，直到耗盡為止，顆粒重新搭起拱結(jié)構(gòu)群，顆粒穩(wěn)定。消耗能量的演變過程是以材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種不可逆的內(nèi)變?yōu)榇鷥r(jià)的，原有狀態(tài)是不可恢復(fù)的。

2.2 隨振動(dòng)時(shí)間的發(fā)展規(guī)律

實(shí)驗(yàn)振動(dòng)結(jié)果：設(shè)振動(dòng)頻率固定為15 Hz，振動(dòng)時(shí)間分別為1 min，1.6 min，2 min，3 min。當(dāng)振動(dòng)時(shí)間t=1 min時(shí)，散體材料墊層上部顆粒大多已變得不穩(wěn)定，顆粒間出現(xiàn)離析現(xiàn)象，分格層開始紊亂，外部可看見表層小顆粒的移動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)時(shí)間2 min左右，顆粒級(jí)配有較大的變化，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間3 min時(shí)，顆粒級(jí)配已嚴(yán)重破壞，上部黑層大多消失，出現(xiàn)在原有位置的下方。即：隨著振動(dòng)時(shí)間的加長(zhǎng)，本來密實(shí)的散體材料墊層出現(xiàn)松散，顆粒分離現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，且涉及的范圍逐漸加大、加深。發(fā)生顆粒堆的離析現(xiàn)象，其深度是隨著振動(dòng)時(shí)間的增加而增加，但增加的速率有所不同，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間從1 min～1.6 min增長(zhǎng)時(shí)，其深度變化增加的速度較緩慢，再由1.6 min～2 min時(shí)涉及變化的深度增加較快。

3 砂石顆粒位移的特征

4 結(jié)語

根據(jù)分析結(jié)果：1)顆粒之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特征是粘滑運(yùn)動(dòng)。2)當(dāng)固定頻率時(shí)，砂石顆粒位移量主要與振動(dòng)時(shí)間和自身的物理、力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。3)顆粒運(yùn)動(dòng)隨著深度的增大響應(yīng)迅速減小。

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Responseanalysisofsandgravelcushionunderhorizontalvibration★

MAXin-yuWANGXiangCHANGHeJIANGHong-ying

(CollegeofCivilEngineering,XijingCollege,Xi’an710123,China)

Based on two-dimensional simulation experiment, the paper studies the dynamic response conditions of sand-gravel cushion under horizontal load, analyzes particle displacement and internal dissipation under a fixed frequent conditions, and explores the response law of vibration time upon discrete material structure and vertical depth, which has provided scientific basis for better studying seismic reducing properties of discrete material structure.

sand-gravel cushion, dynamic load, dissipation, shock absorptio

1009-6825(2014)33-0037-02

2014-09-17 ★：陜西省科技計(jì)劃(工業(yè)攻關(guān))項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2014K07-28)；西京學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目

馬新宇(1989- )，男，在讀本科生； 王 翔(1992- )，男，在讀本科生； 常 河(1991- )，男，在讀本科生； 蔣紅英(1959- )，女，博士，教授

TU444

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