強(qiáng)震作用下地裂縫力學(xué)響應(yīng)的振動臺模型試驗(yàn)研究

劉明明

（西京學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

強(qiáng)震作用下地裂縫力學(xué)響應(yīng)的振動臺模型試驗(yàn)研究

劉明明

（西京學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

地裂縫是汾渭盆地帶的一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，強(qiáng)震作用下西安地裂縫將有何擴(kuò)展特征、運(yùn)動特征、振動特征，地裂縫兩側(cè)巖土層中應(yīng)力將怎樣變化，這對地裂縫活動環(huán)境中的生命線工程非常重要，強(qiáng)震作用下地裂縫的力學(xué)響應(yīng)是個亟待研究的問題，因此開展強(qiáng)震作用下地裂縫場地力學(xué)響應(yīng)的振動臺模型試驗(yàn)具有一定的理論意義和應(yīng)用前景。

本文的振動臺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為下一步進(jìn)行強(qiáng)震作用下地裂縫力學(xué)響應(yīng)的振動臺模型試驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。

地裂縫；振動臺；模型試驗(yàn)；動力響應(yīng)

1.引言

（1）問題的提出

目前，城市發(fā)展由平面擴(kuò)展模式（以城市為中心向外圍擴(kuò)展的單一格局）向立體擴(kuò)展模式（在空間上向高空和地下發(fā)展的三維模式）轉(zhuǎn)變，大力開發(fā)利用城市地下空間，將工業(yè)建筑、商業(yè)設(shè)施、民用建筑、交通設(shè)施等置于地下。

在西安城市地下空間開發(fā)利用實(shí)踐中，遇到一些工程難題，因?yàn)槲靼舶l(fā)育著十四條危害程度較高的地裂縫。據(jù)歷史資料和地裂縫調(diào)查，地裂縫對沿線建（構(gòu)）筑物己造成了較大危害；有些地裂縫仍然比較活躍，有些地裂縫或有些地段有加劇發(fā)展趨勢，其對影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物具有潛在的不確定的危害，值得深入研究。

（2）振動臺模型試驗(yàn)與振動臺的發(fā)展

振動臺模型試驗(yàn)主要是對結(jié)構(gòu)地震破壞模式和破壞機(jī)理的研究、結(jié)構(gòu)整體抗震能力的評價，以及對減震、隔震效果衡量的重要方法和手段?？梢灾苯佑迷蛯w積和重量沒有超過振動臺承載力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，振動臺試驗(yàn)結(jié)果可以直接作為評價抗震性能的依據(jù)，對地基-結(jié)構(gòu)的共同作用等可通過理論分析進(jìn)行考慮。然而由于試驗(yàn)時間、承載能力和經(jīng)費(fèi)等振動臺本身的限制，對于大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行分析時，需根據(jù)相似比理論采用縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn)。先將模型放在振動臺上，之后輸入地震波進(jìn)行激振試驗(yàn)，可得到模型的位移、加速度和關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)變的反應(yīng)時程，通過逐級加載地震波輸入，從而觀察結(jié)構(gòu)的破壞過程，找出其薄弱環(huán)節(jié)。因此我們可通過試驗(yàn)建立原型結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型及構(gòu)件的恢復(fù)力模型，通過選取合適的原型結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算其非線性地震反應(yīng)。通過分析評價原型結(jié)構(gòu)的抗震性能，采取合理的抗震措施以提高原型結(jié)構(gòu)的抗震性能，從模型上能直觀反映原型的破壞模式及薄弱部位，這對一些復(fù)雜以及超限結(jié)構(gòu)具有重要意義。

2.振動臺模型試驗(yàn)

（1）原型場地土

參照南京理工大學(xué)陳國興教授、同濟(jì)大學(xué)楊林德教授及國內(nèi)外相關(guān)的土一地下結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)原型場地為西安市南郊某地裂縫場地。通過對該場地土樣進(jìn)行靜力試驗(yàn)和動力特性試驗(yàn)，得到了土體的靜力學(xué)參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)。

1）靜力學(xué)參數(shù)

采用環(huán)刀法測定土的密度，用烘干法測定土的含水率，用直剪試驗(yàn)測土體的液限、塑限、粘聚力等靜力學(xué)參數(shù)。

2）動力學(xué)參數(shù)

在進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析時，通常利用等效線性模型模擬土的非線性，并要確定場地土的結(jié)構(gòu)關(guān)系。在確定場地土的結(jié)構(gòu)關(guān)系時，一般采用如下兩個步驟：一是通過現(xiàn)場土層剪切波速 Vs的測值，確定土層的最大剪切模量 Gmax；二是由室內(nèi)動三軸實(shí)驗(yàn)確定剪應(yīng)變與剪切模量比及阻尼比的關(guān)系。前者是小應(yīng)變條件下，得到土的最大剪切模量，后者是在大應(yīng)變條件下得到土的動力參數(shù)。

（2）試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯恋闹谱?/p>

土層采用上述西安典型地裂縫場地地層剖面，按照相似要求經(jīng)過人工夯填而成。模型土制作時先將足夠的現(xiàn)場土剔除其中雜物，過篩后裝袋供試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯潦褂谩ＤＰ屯馏w在裝箱時，采用分層、人工壓密方法，以保證模型箱內(nèi)土體密度可以達(dá)到試驗(yàn)要求。

根據(jù)上述場地土的試驗(yàn)結(jié)果和相似比關(guān)系可換算出模型土各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)。

（3）試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湓O(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)本模型土箱內(nèi)壁空間尺寸為：3.0m×2.0m×2.004m(長×寬×高)；由18層彼此獨(dú)立的矩形鋼框架疊合而成，每層框架由 4 根斷面尺寸為 100mm× 100mm×2mm(長×寬×厚)的方形鋼管焊接而成。

（4）傳感器的選擇

土壓力傳感器，土壓力盒：本試驗(yàn)采用鋼弦式（直徑 110mm）土壓力盒測量土壓力。量程為6.0MPa，靈敏度為0.001MPa。

土應(yīng)變傳感器，土體應(yīng)變計(jì)，采用電位計(jì)式傳感器。傳感器長度：480mm；量程：±3000με；分辨率：1με，測量精度為：±（顯示值的0.05%+1）με。

位移傳感器，采用電感式位移傳感器、拉線位移計(jì)。

加速度傳感器，采用壓電陶瓷微型感應(yīng)耦合等離子體加速度傳感器。

（5）振動臺數(shù)據(jù)的采集

試驗(yàn)擬采用的動態(tài)測試儀器可選擇如下；長安大學(xué)“陜西省公路橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的德國IMC公司生產(chǎn)的動態(tài)信號采集系統(tǒng)；北戴河實(shí)用電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的SDY2400數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)(WS一USB數(shù)據(jù)采集儀0506246，16通道)；江蘇聯(lián)通電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YE6262Bsinocera動態(tài)測試分析系統(tǒng)(8通道)；江蘇東華測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH5923動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)(8通道)；華東電子儀器廠生產(chǎn)的YD一28型動態(tài)電阻應(yīng)變儀(4通道和6通道兩臺)。

試驗(yàn)中需要采集的數(shù)據(jù)包括振動臺的加速度，其采集原理為：振動臺加速度信號通過傳感器拾取，變?yōu)殡娦盘栞敵鼋?jīng)調(diào)理后送采樣模塊采樣，然后采樣信號經(jīng)處理后送計(jì)算機(jī)，顯示測量結(jié)果。

（6）試驗(yàn)加載制度

根據(jù)分析對象的特點(diǎn)，本試驗(yàn)擬選取 El-Centro 地震波(埃爾森特羅波)、Taft波(塔夫特波)、不同超越概率的西安人工地震波分別作為振動臺的輸入波。El-Centro地震波是采集到的1954年在美國帝國谷發(fā)生的地震波，根據(jù)西安市的場地條件，選用其適合二類場地土的南北向地震波；西安人工地震波是根據(jù)西安地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)人工擬合的地震波，有63%、10%和2%三種超越概率。

試驗(yàn)采用單向輸入激勵，輸入波的時間間隔和加速度峰值等根據(jù)相似關(guān)系進(jìn)行確定。在工況為100gal、200gal、300gal、400gal時，每級地震加速度分別輸入El-Centro 波，EI-Centro波的記錄持續(xù)時間為53.73秒，強(qiáng)震部分持續(xù)時間為 26秒。原始記錄離散加速度的時間間隔為 0.02秒，最大加速度在 X方向?yàn)門aft波，時間間隔為0.02s，峰值加速度為0.1793g，持時54.40s；西安人工波超越概率為63%、10%、2%的地震動峰值分別為60gal、175gal、225gal。

3.結(jié)論

（1）原型土采用西安南郊某典型地裂縫場地土，根據(jù)原型土靜力、動力特性，利用相似定理，并結(jié)合振動臺模型試驗(yàn)本身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模型土靜力、動力參數(shù)。

（2）為較好模擬土體的邊界條件設(shè)計(jì)了剪切模型土箱作為試驗(yàn)盛土容器。

（3）試驗(yàn)采用單向輸入激勵（地震波），分級加載制度。

（4）本方案為下一步進(jìn)行強(qiáng)震作用下地裂縫力學(xué)響應(yīng)的振動臺模型試驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。

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