能量注入式虚拟质量新型共振柱开发及砂土动力特性研究

摘要

土体的剪切模量和阻尼比是动力分析中两个重要的材料参数。但目前传统测量土动力特性的仪器存在诸多不足，如三轴仪/扭剪仪无法测量土体小应变动力特性，弯曲元无法反映土体的阻尼比性质，共振柱在扫频时预会振动扰动土样等等，因此研发一个可以克服上述缺陷的测量仪器十分有必要。应力状态对土动力特性的影响很大，围压和超固结比对土体动力特性的影响已得到了大量的研究，但是这些研究的结论之间仍有一些矛盾存在，如超固结对土体阻尼比的影响存在不同表述，需要进一步的研究。原位土经常会受到如地震、施工、交通荷载等作用，这些荷载使得土体在进行动力问题分析前遭受到了历史振动（前期振动）的作用，但是前期振动对砂土小应变剪切模量的影响在文献中存在不同结论。同时前期振动可通过土体的记忆特性被探测出来，但是记忆特性的研究目前仍然较少，比如围压、振动次数、振动幅度对记忆特性的影响仍然是未知的，有待进一步研究。
　　本文通过能量注入式虚拟质量原理，在已有理论的基础上研发出了第二代能量注入式虚拟质量共振柱，并采用新型系统测量不同应力状态下的砂土动力特性，分析文献中产生矛盾结论的原因，同时将试验数据用不同的动力模型分析以评估各类模型的实用性。此外对不同围压下土样施加前期振动，探讨前期振动对砂土小应变剪切模量的影响，并定量研究记忆特性与振幅和振动次数的关系，以此推导出某个振幅下土样能够记忆前期振动所需的最小振动次数。
　　本文的主要结论如下:1）第二代能量注入式虚拟质量共振柱可以克服传统测量仪器的缺陷，精确测量土体的动力特性;2）超固结比会轻微减小干砂的阻尼比，不同文献中的矛盾结论源于研究人员对统一土样的重复测量;3）考虑了不均匀系数的Stokoe模型所预测砂土的归一化剪切模量和Hardin-Drnevich模型预测的砂土阻尼比与实际值误差最小;4）前期振动的振幅γpre，振动次数N以及围压p'不同时，前期振动对砂土的Gmax影响会不同，其中γpre不同时造成的差异最大，γpre较小时经历前期振动后土样Gmax会减小，但当γpre较大时Gmax会增加;5）砂土的记忆特性与前期振动振幅及振动次数的关系得到了定量研究，记忆特性随振幅和振动次数增加而增加，此外记忆特性随着围压的增加而减小。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 测量方法

1．2．2 剪应变的影响

1．2．3 应力状态的影响

1．2．4 孔隙比的影响

1．2．5 前期振动的影响

1．2．6 土的动力模型

1．3 本文主要内容

2 第二代能量注入式虚拟质量(EIVM)共振柱

2．1 传统测量仪器的不足

2．1．1 三轴仪／扭剪仪

2．1．2 弯曲元

2．1．3 传统共振柱

2．2 能量注入式虚拟质量(EIVM)共振柱原理

2．3 第二代EIVM共振柱的改进

2．3．1 剪切模量G测量改进

2．3．2 阻尼比β测量改进

2．4 第二代EIVM共振柱的标定

2．4．1 I0标定

2．4．2 k标定

2．4．3 PID参数标定

2．5 第二代EIVM共振柱仪器介绍

2．6 第二代EIVM共振柱的优点

2．7 本章小结

3 应力状态对干砂动力特性影响

3．1 前言

3．2 试验材料及制样

3．2．1 试验材料及制样方法

3．2．2 试样制备安装步骤

3．2．3 固结

3．3 试验方案

3．4 围压与超固结的影响

3．4．2 对β-γ和G／Gmax-γ曲线的影响

3．4．3 对β-η和G／Gmax-η曲线的影响

3．5 不同动力模型模拟结果分析

3．5．1 Hardin-Drnevich模型

3．5．2 Zhang模型

3．5．3 Witchmann-Triantafyllidis模型

3．5．4 动力模型的优化

3．6 本章小结

4 前期振动对干砂动力特性影响

4．1 前言

4．2 试验方案及试验步骤

4．3 γpre和N的影响

4．3．1 对Gmax的影响

4．3．2 对记忆特性的影响

4．3．3 两次前期振动的影响

4．4 p’的影响

4．4．2 对记忆特性的影响

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 进一步研究建议

参考文献

作者简介及学术成果