論文題目：高烈度地區非線性土體--樁--結構振動臺試驗研究
1、本文的研究背景
我國是一個多地震國家，地震分佈極其廣泛，7度以上的地震區約佔國土面積的一半。地震作為重大的自然災害，給人類社會造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。縱觀歷史，駭人聽聞的唐山地震、日本阪神地震、土耳其地震以及XX年汶川地震等，均造成了慘重的損失，使人類的心靈受到了嚴重的創傷
樁基礎是一種歷史較長而又應用廣泛的深基礎型式，能較好地適應複雜地質條件以及各種荷載情況，特別是在軟弱地基上採用得較多。與其它基礎型式相比，樁基礎具有承載能力大、穩定性好、差異沉降小等優點而被廣泛應用於橋樑結構、高層建築、港口碼頭、海洋平臺和火電及核電站結構中。樁基能提高地基承載力，是預防地基失效的重要抗震措施：在非液化地基中，樁基能減少基礎附加沉降、減輕震害;即使在液化地基中，只要樁尖深入持力層，也能減輕震害。歷次國內外地震震害調查表明，樁基支承的建(構)築物的震害輕於非樁基支承的同類建(構)築物。1976年唐山地震後，有關部門曾調查了天津地區102項樁基建築工程的震害情況，發現上部結構產生震害的僅7項，震害遠較天津地區天然地基淺基礎上同類結構的少且輕，樁基發生震害的僅有3項。
然而，樁基礎作為預防地基失效的重要抗震措施，在地震中其本身也遭受了嚴重的破壞。在實際的樁基礎震害中，有大量上部結構的破壞並不是由於結構的慣性力引起，而是由於如液化、地基失效等場地因素導致樁基損壞，從而使上部結構發生落樑等嚴重破壞。我國已建的和擬建的高層建築及橋樑大部分位於沿海地區和大江大河下游地區，這些地區軟土和飽和土層分佈廣泛，場地條件對於抗震而言極為惡劣，可以預想，一旦發生地震，樁基礎可能嚴重受損。
大量的地震事實告訴我們，由地震引起的樁基破壞機制與地震時樁的受力情況有關，在地震荷載下，土-樁-上部結構作為一個整體振動，相互影響。因此，研究樁-土-結構在地震作用下的動力特性和動力響應，以及在地震作用下的受力特點及破壞機理，應力、應變的分佈規律及其重要。
2、選題的目的和意義
模擬結構-地基動力相互作用問題一直是模型試驗中的重大的理論與實踐問題，開展地基-結構動力相互作用體系的振動臺模型試驗研究，其理論意義在於可以發展和豐富振
動臺模擬試驗技術和動力相似理論，為在實驗室模擬實際結構提供指導;獲得一整套試驗
資料，為開展計算分析研究、驗證其力學模型和計算方法的合理性奠定基礎，從而豐富和
發展結構-地基相互作用理論;其實踐意義在於可以驗證理論與計算分析的研究成果，為工程設計提供依據。
本文通過採用較先進的土箱裝置，以三種不同性質土作為模型土進行振動臺試驗，通過試驗研究在小、中、大震下單樁、三樁及六樁等典型群樁群樁的慣性相互作用和運動相互作用規律，瞭解土中樁基和結構的地震反應有關規律，研究樁在破壞前後的抗震效能，並進而研究地震作用下土-樁-結構相互作用的機理。同時，通過理論分析方法與試驗結果的比較，驗證有關分析方法的可靠性。
3、國內外研究綜述
3.1 國內外地震模型理論綜述
3.1.1國外的研究方法
1970年，penzien等對地震作用下的土-樁-橋樑結構系統提出了一套非線性分析方法。penzien模型把土-樁-橋樑系統離散成一個理想化的集中質量引數系統。用三元件模型模擬粘土介質的動力性狀，連線毗鄰兩個質量的每一裝置，由一個雙線性滯後型彈簧和一個非線性阻尼器所組成，兩者相互並聯，然後再與非線性阻尼器串聯，研究結果表明，當樁較長，土又較硬時，樁土相互作用對橋樑的動力特性影響不大;只有當土較軟，樁又較短時，樁土相互作用對橋樑的影響才顯著。他們的方法至今仍被廣泛應用。
1978年，matlock和foo開發了動力winkler地基樑分析程式spasm8(seismic pile analysis with support motion)。他們採用的方法考慮了上部結構的影響，將單獨確定的自由場土位移作為輸入激振，採用離散單元力學相似模型表示不同荷載和約束條件下的樁。每一結點中土-樁的耦聯是通過多元摩擦塊、彈簧和阻尼器的組合來模擬的。土的模型容許在初始彈性狀態範圍之外將強度的降低表示為撓度和撓曲反覆次數的函式。為了合理地模擬的土-樁相互作用，在上部土層容許形成間隙。藉助支座相對樁的初始零撓度點的移動來模擬側向土運動。土的反力-撓度效能曲線根據試驗結果得出，用具有某些線性阻尼的非線性模型表示土-樁的耦聯關係。
1988年，nogami等(提出了一種新模型，該模型通過積分平面應變的方法來分析單樁和群樁。這種模型也是基於winkler假設發展的，並且特別注意到了在動力荷載下，樁軸的鄰近區域引起強烈的非線性這一條件;並給出了與頻率無關的質量、彈簧和阻尼器的簡化公式。該模型可以以相對簡單的方式進行時域非線性分析。由於模型本身能產生動力效應，它的引數可通過土-樁系統的靜力效能或在靜力條件下發展的合理的p-y曲線得到，並且在土-樁介面對裂縫進行了特殊的考慮，
1995年，el naggar和novak提出了在瞬態動力荷載和諧和荷載作用下單樁和群樁橫向反應的分析模型。模型考慮了土的非線性行為、樁土介面的不連續條件和不同型別阻尼的能量耗散。模型中，樁用普通的樑單元模擬。每一土層的土介質被分成兩個環狀區域，內場區域考慮非線性，遠場區域考慮波從樁往外傳播。
1999年，boulanger等通過離心機試驗和理論分析對非線性動力winkler地基樑法進行了評估。他的分析是基於有限元平臺geofeap進行的，所採用的模型如圖2.6所示。自由場土柱與樁之間用非線性p-y彈簧和阻尼器相連。非線性p-y行為由彈性分量、塑性分量和裂縫分
量串聯起來
3.1.2國內的研究方法
陳熙之等(1985)採用集中引數法研究了樁-土-結構-水體系相互作用的彈塑性地震反應。樁附近的土簡化為串聯的多質點系，稱為等價土體系;遠離結構物的場地土不受結構存在的影響，稱為自然地基體系;在自然地基與等價體系之間用水平彈簧和阻尼器相聯絡。水對結構的動力影響包括水的附加質量引起的慣性力及動水阻力。
袁萬城(1990)提出了考慮sspsi的大跨度橋樑結構非線性地震反應分析，可以等價為一維非線性場地地震反應分析與考慮樁周土彈性約束作用的多點激振下的非線性地震反應分析的方法。樁周土的約束作用可用土彈簧來模擬，土彈簧剛度採用m法確定。這種方法實際是簡單了的winkler地基樑模型。範立礎等(1992)和胡世德等(1994)將之分別用於分析上海南浦大橋和江陰長江公路大橋縱向地震反應分析。
朱晞和王大慶(1992)採用penzien模型，土彈簧剛度用m法計算，他們認為這樣處理能滿足工程要求。
嚴士超和杜一平採用了penzien模型對電視塔-樁-土相互作用地震反應進行分析。
鄭海榮(1992)採用penzien模型分析了樁-土-橋墩-流體相互作用體系的地震反應，研究表明：是否採用非一致輸入對反應的影響較大，但土體附加質量的大小對橋跨結構的固有振動特性影響甚微，對結構位移反應的影響也不大，可以不計。魏琴等(1994)採用類似模型分析樁-土-橋樑結構相互作用地震反應，但自然地基體系與等價土體系之間的等價水平土彈簧剛度採用m法計算。
蒯行成等(1998)採用動力winkler地基樑模型，在求得有限長樁運動微分方程通解的基礎上，匯出了層狀土中樁單元復剛度矩陣。提出了計算層狀土中單樁動力阻抗的方法。
孫利民等(1999，XX)改進了penzien模型，將原模型的單樁模型變為多樁模型，土-樁間的水平相互作用阻尼采用lysmer等(1966)提出的用粘性阻尼器模擬波動能量向半無限場地逸散的理論來計算。
3.2 國內外振動臺試驗綜述
3.2.1 國外振動臺試驗總結
1969年，日本的kubo第一個注意模型相似率而進行模型樁振動臺試驗。他在砂箱裡用不同頻率的水平方向的正弦激勵進行振動臺試驗。所採用的模型樁一端固定於檯面上，模型土為砂土和油的混合物以模擬軟土場地。試驗表明，隨著輸入檯面運動頻率的增加，土層表面運動水平隨之增加;樁體上的最大彎曲應力發生在樁頂位置，並隨樁深度逐漸減少。
yao(1980)將鋁管群樁打入淤泥粘土進行靜力橫向荷載試驗和振動臺試驗。當上部結構的自振頻率與土層的頻率一致時測到強烈的共振反應。
mizuno和iiba(1982)最早對模型施加地震時程激勵的，並對模型的相似關係進行了全面的討論。他們以一11層的公寓建築為原型，用聚丙烯醯胺(polyacrylamide)和斑脫土(bentonite)的混合物來製造彈性土介質，在土介質周圍用含水飽和的聚氨酯泡沫塑料來模擬
matsuda等(1988)採用分層土箱進行了飽和砂土振動臺試驗。在製作場地土模型時採用了一種新的方式，即：首先將砂土加入到容器裡，同時從容器的底部注入加壓水，使振動臺不斷地振動，從而將土中的氣泡排出，最後停止水的注射，排乾土平面的水，使土顆粒下落和沉積。採用這種方式，幾乎能夠將氣泡從土中排盡，土顆粒均勻沉澱。這種方式特別適合製作飽和或部分飽和砂土場地模型。
3.2.2 國內振動臺試驗總結
1999年韋曉首先採用剛性土箱進行了一系列的試驗，包括單柱樁墩模型、單墩群樁模型、雙墩群樁模型試驗。試驗結果表明：採用單墩比雙墩結構形式不利於橋墩結構的抗震;相反雙柱墩卻比單柱墩結構形式不利於樁基的抗震;單柱樁墩對抗震不利，因為單柱墩沒有足夠的側向約束，容易形成樁-土的脫離，加上上部結構的慣性力作用，很容易引起單樁墩柱的彎曲剪下破壞。
XX年，陳躍慶等採用圓筒型柔性容器進行了兩個階段的試驗。第一階段為均勻土-基礎-結構相互作用試驗，以上海軟土為模型土原型，小高層建築為結構原型，樁基為混凝土樁。通過試驗分析得到：由於上部結構的振動反饋，改變了基底地震動的頻譜組成，使基礎處的地震動與自由場地震動不完全相同，基礎處的有效地震動輸入比自由場地震動小，與體系頻率接近的分量獲得加強，而有些頻率分量則減弱;體系的反應與輸入地震動的頻率成份有很大關係。第二階段為分層土-基礎-結構相互作用試驗，模型土自上而下分別為粉質粘土、砂質粉土和砂土。試驗中採用了1/10和1/20兩種比例模型研究結構-地基相互作用體系的動力相似關係，在試驗載入的全過程中，當激勵較小和激勵較大時，試驗結果具有很好的相似關係，在中間階段，兩者存在差異。影響兩個縮尺模型在試驗中間階段的相似關係的主要原因是土體在地震激勵下非線性發展程度的差異。
XX年，王文劍等採用剛性土箱進行了土-結構相互作用對tmd振動控制影響的振動臺模型試驗研究。試驗表明：土-樁-結構相互作用使體系的頻率明顯降低，阻尼比增大;樁-土-結構相互作用使tmd振動控制效率降低，其控制效應的變化情況遠比剛性基礎上的複雜。
4 論文的研究內容和研究方法
4.1本文的研究內容
本試驗的主要內容有：
4.1.1製作模型箱，設計製作上部結構—phc管樁—土的物理模型;
4.1.2測定模型箱的頻率和阻尼;
4.1.3測定模擬土體的土體材料及混合材料的相關動力學引數;
4.1.4針對單樁、典型群樁(3樁、6樁)三種情況，模擬7度與8度以及9度地震烈度，施加地震波振動試驗，獲得樁基的動力特性和動力響應;
4.1.5觀察分析樁基的地震後形態，並分析phc管樁在地震作用下的受力特點，應力、應變的分佈規律
4.1.6採用有限元軟體計算試驗中模型，通過對比計算機計算結果與試驗測得結果，驗證分析方法的正確性
4.2試驗相關設計介紹
4.2.1 模型箱
將土箱設計成由18層獨立的長方形框架疊合而成的長方體容器。容器內尺寸為：長2.0米，寬1.5米，高2.0米，每層鋼框架由四根斷面為100×100mm的方鋼管焊接而成。
4.2.2 相似比
根據1:15的幾何相似比，樁模型尺寸設計如下：每根管樁長1500mm，外徑40mm，壁厚7-9mm。單樁模型承臺為200mm×200mm正方形，3樁模型為正三角形佈置，樁距220mm，承臺尺寸為420mm×420mm。6樁模型為2×3矩形佈置，雙向樁距均為220mm。承臺為長方形，尺寸為560mm×360mm×100mm(長×寬×高)。
4.2.3 激勵荷載
本次試驗，基本烈度定為7度與8度，每種烈度均擬採用2條地震波與1條人工波作為試驗的地震波。其中採用el-centro波，taft波和人工波
4.2.4 測點佈置
試驗採用加速度計、位移計測量測承臺、樁體以及土體的動力響應，採用應變片量測樁體的應變變化，採用孔隙水壓力計測量土體孔隙水壓力，採用土壓力計測定樁土間壓力。
在承臺表面佈置1個加速度計;沿樁體由上到下較均勻地佈置4個加速度計，同時考慮上密下疏，並考慮土層變化處;3樁承臺時每根模型，6樁承臺時選用對稱一邊的三根樁樁沿樁體由上到下均勻佈置7個加速度計;所有試驗均在振動臺表面佈置1個加速度計;土體表面佈置2個加速度計，1個位於模型箱中部，1個靠近邊緣處。
試驗中每根樁沿樁體縱向由上到下較均勻地選取4個斷面佈置應變片，同時考慮上密下疏，並考慮土層變化處。每個斷面處佈置4個縱向應變片，。
試驗中沿著上部結構分別佈置2個位移計，並在承臺表面佈置1個位移計。
沿樁體在土體中縱向由上到下較均勻地選取3個孔隙水壓力計，同時考慮上密下疏，共布9個孔隙水壓力計。
5 參考文獻
1、gb5001 1-XX，建築抗震設計規範[s].北京：中國建築工業出版社，XX.
2、陳國興. 土體–結構體系地震效能分析研究. 哈爾濱：國家地震局工程力學研究所博士學位論文，1993
3、陳躍慶. 結構–地基動力相互作用體系振動臺試驗研究. 上海：同濟大學博士學位論文，XX
4、陳躍慶，呂西林，黃煒. 結構–地基相互作用振動臺試驗中土體邊界條件的模擬方法. 結構工程師，XX(3): 25-30
5、韓英才，novak m. 單樁非線性振動實用分析方法的研究. 土木工程學報，22卷3期，1989(8):39-47
6、範敏，解明雨，鄔瑞鋒. 土–樁–結構相互作用體系的非線性地震反應分析. 地震工程與工程振動，1985，5(3):6-12
7、郭長城.建築結構振動計算[m].北京：中國建築工業出版社，1982.12.
8、雷超.樁一土一結構相互作用體系的振動臺試驗研究[d].合肥工業大學碩士學位論文，XX.5.
9、朱伯龍.結構抗震試驗[m].北京：地震出版社，1989.
10、李培振，陳躍慶，呂西林，等.較硬分層土一樁基一結構相互作用體系振動
臺試驗[j].同濟大學學報，XX，34(3)：307—313.
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