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土结构性的剪切波速表征及对动力特性的影响

周燕国  
【摘要】: 场地土体在地震作用下的动力响应和破坏规律是分析各种工程动力灾变的重要基础,土体结构在动力荷载下的损伤演变过程及其评价是研究场地土体地震灾变的关键问题。天然土都具有结构性,不同结构土体的力学行为各异。只有深入理解结构性对土体动力特性的影响,才能揭示地震作用下场地土体破坏机理,为土工抗震设计提供科学依据。 剪切波速表征了小应变下土体的剪切刚度,是一个既能全面反映土体结构特征又易于测量的重要指标。本文基于多学科交叉背景,全面研究了压电弯曲元波速测试技术的基本理论和关键问题,并通过结合弯曲元测试的系列试验,包括固结试验、动三轴试验和土工离心机振动台试验,揭示了砂土和粘土的结构性与剪切波速的关系,进而以剪切波速为静力和动力作用下土结构损伤演化的主要指标,揭示结构性对砂土抗液化强度、粘土动变形和强度的影响规律。具体内容包括: 1.针对压电陶瓷弯曲元振动响应问题,建立了基于一阶剪切变形理论的压电层合梁解析模型,分析了弯曲元结构在机电信号激励下的响应,成功解释了弯曲元的促动和传感功能。研究表明,同向极化并联配置和反向极化串联配置两类弯曲元本质相同,区别只在机电能量转换能力上,因此前者适合作为激发元、后者适合作为接受元使用。这些发现为弯曲元波速测试的振动信号分析提供了理论依据。 2.深入研究弯曲元波速测试技术,在参与研发多套弯曲元波速测量系统基础上,首次提出并研制了可用于现场剪切波速测试的便携式弯曲元系统。通过大量的室内实验和理论分析总结了可靠的弯曲元波速测试方法,并参加了ISSMGE组织的弯曲元国际平行试验,验证了所提出测试技术和分析方法的有效性和可靠性。 3.利用弯曲元剪切波速测试技术,开展饱和标准砂不排水循环三轴试验,深入研究了地震循环应力历史对各种饱和砂土小应变剪切模量的影响,发现在相同有效应力下地震循环应力历史会使小应变剪切模量降低6-9%,并指出应力历史影响的实质是改变了土体结构状态。该研究对地震响应有效应力分析法中土体小应变模量的取值有重要参考价值。 4.通过理论推导和大量测量剪切波速的动三轴液化试验,揭示了砂土抗液化强度(CRR)与其剪切波速(V_s)的4次方成正比的相关关系,并建立了基于室内CRR-V_s相关关系的砂土液化剪切波速判别法。与基于现场液化调查的方法和数据进行详细比较,证实了本研究结论的可靠性。 5.针对8号硅砂进行土工离心机振动台液化试验,利用弯曲元检测模型地基内部剪切波速的变化,验证了基于室内CRR-V_s相关关系的液化判别方法的可靠性。 6.针对结构性软粘土,利用弯曲元测得的剪切波速成功监测了土体结构的损伤过程,并通过动三轴试验考察了结构破坏水平对循环荷载下变形和强度特性的影响;进行了测量剪切波速的土工离心机振动台试验,验证了软粘土地基震后变形行为与土体结构演化之间的良好关联。 上述研究显示了利用压电弯曲元技术测试土体剪切波速的巨大优势,也表明利用剪切波速表征土体结构状态和变化过程的合理性,为揭示地震作用下场地液化、大变形等动力灾变机理提供科学依据和定量参数,对土动力学与地震工程研究和实践具有重要的理论和应用价值。


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