岩土工程振动台试验理论及在地下管线动力响应研究中的应用

摘要

我国很多大中城市处在地震高发区，而城市恰好是岩土工程结构和生命线设施聚集的地区，这就使得震区工程结构的抗震设计问题显得尤为重要。振动台模型试验是对工程结构地震响应进行研究的重要手段，经过近几十年的发展，振动台试验的研究成果已经越来越多的被应用在科学研究和工程实践当中，同时，振动台试验也面临着试验对象的大型化、试验对象的复杂化和试验设备飞速发展而配套技术相对落后等亟待解决的问题。
　　解决上述问题的根本在于对当前振动台试验理论进行突破。鉴于目前的现状，本论文开展了岩土工程振动台试验理论的研究，基于常用的振动台试验相似律，依托分离量纲分析法，建立了新的适合于复杂工程原型-模型之间相似关系的模型试验分离相似设计方法。以分离相似设计结果为基础，开展了振动台模型土、模型结构及模型基岩相似材料的研究，提出适合于振动台试验的模型土和模型基岩相似材料设计方法。以某重要场地的地下管线为原型，并以考虑多点激励作用下地下管线地震响应的振动台试验为依托，地下管线的震害现象和规范计算方法为参照，对所发展的试验理论进行验证。通过开展上述工作，得到了以下结论:
　　1)首次提出了分离量纲分析方法，基于分离量纲分析方法建立了复杂岩土工程振动台模型试验的分离相似设计体系，并利用分离相似设计方法对多点激励作用下地下管线地震响应振动台试验进行相似设计，得到分别属于模型土、模型管线和地震波各自的特征方程和关键设计参数的相似比。通过对特征方程进行分离，使模型试验中每个参数的设计权重得到了很好的表现，同时解决了传统相似设计方法要求所有参数必须满足相似比，而现实中模型设计又无法同时满足所有参数相似比之间的矛盾。
　　2)确定了土的非线性、滞后性和应变累积性相似的核心在于动剪切模量比随剪应变变化关系的相似性。经过一系列参数对比研究后，推荐采用Stokoe模型中参考应变作为动剪切模量比变化曲线相似的控制指标。利用该方法进行了振动台试验模型土的设计，确定了粘土与河砂的质量比为1∶1.5，含水率为14％的土为最终试验用土。建立了土动应力-动应变相似判定体系，通过检验原型土与模型土参考应变相似比、相关系数值、不均匀系数相似比、曲率系数相似比四个指标，保证了原型土和模型土动应力动应变关系的相似，重现了原型地下管线周围地基土在地震作用下的动力特性。
　　3)提出了考虑波传播特性相似的模型基岩设计方法。根据模型试验的相似原理，研制出以粘土、重晶石粉、石膏等为原料的岩体相似材料。通过正交试验设计及物理力学性质试验，确定了相似材料中各原材料对基岩相似材料密度、参考应变和最大剪切模量的影响规律，基于这些影响规律，开展了模型基岩相似材料配制的动三轴试验，最终确定了模型试验软岩相似材料的最终质量比为粘土∶重晶石粉∶石膏=7.9∶2.1∶3。所配制的模型材料考虑了地震作用下剪切波速的相似比要求，适合用于振动台试验软岩相似材料的模拟。
　　4)生成了具有空间相关性的多维多点人工地震动，以此为基础开展了多维多点地震动作用下地下管线地震响应的振动台试验，给出了地下管线的动力响应特性规律，并首次在振动台试验中得到了地下管线的扭转特性规律，同时，试验结论也为当前的管线抗震设计规范提出了一些建议。通过将本次振动台试验中地下管线的应变响应数据与规范计算结果进行比较，对本文开展的振动台试验的合理性给予了证明，进而对第二章至第四章提出的分离量纲分析法、模型土设计方法和模型基岩设计方法的合理性给予证明。
　　本文所研究的岩土工程振动台试验理论可以很好的推进振动台试验技术的发展，缓解试验技术发展明显滞后于试验设备发展的现状。通过振动台试验得到的地下管线地震响应结果，对输油气管线、市政输水管线等生命线工程的抗震设计有很好的指导意义。整个论文的工作对减少大震震害的经济损失、保障能源和生活生产安全、提升我国岩土工程抗震水平具有重要的意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题背景及研究意义

1．2 地下管线管体段震害调查

1．2．1 地下管线管体震害模式分类的目的和原则

1．2．2 典型管体震害模式分类

1．2．3 不同震害模式的发生机制

1．3 振动台试验理论的国内外研究现状

1．3．1 振动台试验相似律

1．3．2 振动台试验相似材料设计

1．4 地下结构多点激励振动台试验研究现状

1．5 本文的研究内容

第2章 分离量纲分析理论及在模型试验中的应用

2．1 经典的量纲分析法

2．2 量纲分析法在模型试验中的应用

2．3 分离量纲分析理论

2．3．1 分离量纲分析的定义

2．3．2 分离量纲分析方法的证明

2．4 模型试验的分离相似设计方法

2．5 地下管线多点激励振动台试验分离相似设计

2．5．1 原型概况

2．5．2 经典的相似设计过程

2．5．3 分离相似设计过程

2．5．4 设计参数的权重分析

2．6 本章小结

第3章 土体动应力-动应变关系相似性研究

3．1 循环荷载作用下土体的动应力-动应变关系

3．1．1 土体动应力-动应变关系的介绍

3．1．2 非线性的相似

3．1．3 滞后性的相似

3．1．4 应变累积性的相似

3．2 动剪切模量比的经验模型研究

3．2．1 动剪切模量比数据库的建立

3．2．2 Davidenkov模型的研究

3．2．3 不同经验模型拟合精度比较

3．2．4 Davidenkov模型和Stokoe模型的参数研究

3．2．5 Stokoe模型中控制参量相似比的计算

3．3 模型土动应力动应变关系相似度评价体系

3．3．1 相关系数

3．3．2 不均匀系数和曲率系数相似比

3．3．3 相似度评价体系

3．4 本章小结

第4章 振动台试验模型土与基岩相似材料设计方法

4．1 振动台试验相似材料的选择原则

4．2 动力特性相似的模型土设计方法

4．2．1 模型土相似材料设计概述

4．2．2 模型土的动三轴试验

4．2．3 模型土参考应变值的计算

4．2．4 模型土设计结果评价

4．3 动力特性相似的模型基岩设计方法

4．3．1 基岩设计的关键参数及其相似比

4．3．2 基岩相似材料的正交试验

4．3．3 基岩相似材料最终配比的确定

4．4 本章小结

第5章 地下管线多点激励振动台试验的设计和实施

5．1 振动台模型试验研究目标的确定

5．2 模型材料的相似设计

5．2．1 振动台试验的相似比

5．2．2 模型土及基岩的设计

5．2．3 模型管线的设计

5．3 试验设备选择

5．3．1 振动台

5．3．2 模型箱

5．4 模型试验测试系统

5．4．1 测量元件及其布测位置

5．4．2 数字采集系统

5．5 空间相关地震动的选择及加载工况设计

5．5．1 人工地震动生成

5．5．2 天然波的选择

5．5．3 加载工况的确定

5．6 振动台试验的实施

5．6．1 振动台台面防护

5．6．2 模型箱的处理与吊装

5．6．3 试验前测量元件的处理

5．6．4 模型的制作

5．6．5 模型制作注意事项

5．7 模型场地土剪切波速测试

5．8 本章小结

第6章 振动台试验数据处理及成果验证

6．1 振动台性能测试结果

6．2 模型箱边界效应检测

6．3 模型场地加速度响应规律

6．3．1 地表加速度时程

6．3．2 加速度放大系数

6．4 管土位移变化规律

6．4．1 管土相对位移变化规律

6．4．2 管土相对运动的位移峰值

6．4．3 地下管线的永久位移

6．5 地下管线应变响应规律

6．5．1 应变数据的处理

6．5．2 轴向应变响应规律

6．5．3 弯曲应变响应规律

6．5．4 扭转应变响应规律

6．6 应变测试结果合理性的验证

6．6．1 核电厂抗震设计规范

6．6．2 油气输送雷遁线路工丰呈抗震设计规范

6．6．3 ASCE管道抗震设计规范

6．6．4 各规范计算方法与试验结果的对比

6．7 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文及科研成果