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《中国地震局工程力学研究所》 2004年
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岩土动剪切模量阻尼试验及应用研究

孙静  
【摘要】:岩土动剪切模量和阻尼是岩土动力学特性中的两个重要参数,国内外许多学者进行了较广泛的研究,并取得了许多有价值的研究成果,但无论是理论上的认识还是工程上的应用方面都有待提高。本文从其试验技术、试验研究和应用角度,采用试验、理论分析和数值模拟等多种手段,对岩土的动剪切模量阻尼有关的几个重要问题进行深入研究,内容主要包括试验技术和试验可靠性分析方法、土动剪切模量理论以及土动剪切模量阻尼的应用等三个方面的工作。 在试验技术和可靠性分析方法方面,本文着重研究有关共振柱试验机的两个重要问题:一是固定-自由型共振柱常规试验可靠性分析技术方法;二是新共振柱试验机测试刚性试件新功能的实现技术及试验可靠性分析方法。 在固定-自由型共振柱常规试验可靠性分析技术方法上,本文发展了固定-自由型共振柱常规试验可靠性分析理论,建立了一套自身可靠性检验的分析方法和技术。提出了固定-自由型共振柱仪剪切模量、应变和阻尼比误差的分析公式,得到了关于几种主要控制因素和其影响程度的新认识,并用于指导试验和分析工作。按照所建立的分析方法和技术,对新研制的多功能共振柱试验机的常规试验功能进行了可靠性检验,为今后该仪器进行常规土类试验奠定了基础。 在新共振柱试验机测试刚性试件新功能实现技术及试验可靠性分析方法上,本文提出了一种修正方法,给出了测试刚性试件的自振和共振修正曲线,使新研制的共振柱试验机这一重要的新功能可付诸实施。同时,建立了一套检验其可靠性的分析方法和技术,包括误差分析、试验频率误差、试验结果相关性和自振共振修正曲线验证等多种技术手段。建立了共振柱刚性试件剪切模量、应变和阻尼比误差的分析公式,得到了几种主要影响因素和其影响程度的新认识,并用于指导试验和分析工作。利用所建立的分析方法和技术,对新共振柱试验机测试刚性试件动剪切模量功能的可靠性进行了检验。 在土动剪切模量理论方面,本文着重研究固结比对土动剪切模量的影响这一非常重要但争论较大的问题。 利用新共振柱试验机和动三轴仪进行了大量系统试验,本文提出了一个非均等固结下土最大动剪切模量新的增长模式和新的公式,并对Hardin公式进行了修正。结果表明,描述非均等固结对最大动剪切模量影响较为合适的方式是以幂函数模式建立非均等固结下最大动剪切模量相对于均等固结下最大动剪切模量的增量ΔG_m/G_(0m)和固结比的增量K_c-1之间的关系,即ΔG_m/G_(0m)=C·(K_c-1)~B。新公式中最大动剪切模量是K_c-1幂函数形式,不同于Hardin公式中ΔG_m/G_(0m)~K_c近似直线的增长关系,K_c>1最大动剪切模量较K_c=1时增长的程度明显比Hardin公式要大。同时通过新共振柱试验机大量系统的试验, 中国地展局工程力学研究所博士学位论文 得到了不同固结比对土动剪切模量与剪应变非线性关系的影响规律。 在土动剪切模量阻尼应用方面,本文主要研究三个重要问题:一是对以 往规范中不合理的土动剪切模量阻尼值进行纠正:二是研究考虑实际非均等 固结下土的动剪切模量对土层地震反应的影响;三是建立一种考虑竖向地震 动与土动力特性变化之间的简化关系,供抗震规范和工程上简化分析使用。 针对以往规范中土动剪切模量和阻尼比参考值的不合理性和产生的误导 作用,本文通过与国内外土动力学参数的对比研究以及土层地震反应的对比 计算,说明了近来给出的新推荐值的合理性和适用性,纠正以往的偏差,以 用在规范修订上。综合分析结果表明,与原规范值相比,新推荐值与国内外 结果接近许多,特别是与国内结果相差不大,且避免了土层地震反应中地表 反应谱“矮、粗、胖”现象,也可避免以往产生的误导作用。目前,此成果 己被接纳到规范修订的相应条文说明内容中。 在考虑实际非均等固结下土的动剪切模量对土层地震反应影响的研究 上,本文分别计算了动剪切模量比和最大动剪切模量的作用。结果表明,对 于小震和中震,是否取非均等固结下土的动剪切模量影响不大,基本可以忽 略;但对于大震和深厚土层,在实际应用时应适当考虑实际非均等固结下土 的动剪切模量对土层地震反应的影响。另外,同比条件下,土的动剪切模量 比对土层地震反应的影响程度要比最大动剪切模量影响程度大得多,说明土 的非线性对土层地震反应会产生更显著影响,在理论研究和实际工程应用中 应引起更多的重视。 在简化分析竖向地震动对土动力性能影响上,本文通过计算建立了一种 考虑竖向地震动与土动力特性变化之间的简化关系,可供抗震规范和工程上 使用。以土剪应变增量的变化作为反映竖向地震动对土动力特性影响的基本 指标,提出一种简化分析方法,建立了考虑竖向地震动与土体地表最大剪应 变相对增量之间的简化计算公式,公式中包含了场地类别、峰值比、输入加 速度峰值和土层厚度等基本因素,便于工程应用。将简化方法应用到动模量 阻尼的估计上,建立了考虑竖向地震动与土体动剪切模量比阻尼比变化之间 的关系式。同时,通过参数分析得到了竖向地震动对动力性能影响规律的一 些新认识。
【学位授予单位】:中国地震局工程力学研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TU458

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