强震作用下地裂缝力学响应的振动台模型试验研究

2015-04-10刘明明

四川水泥 2015年8期

关键词：振动台强震模型试验

刘明明

（西京学院土木工程学院，陕西西安 710123）

强震作用下地裂缝力学响应的振动台模型试验研究

刘明明

（西京学院土木工程学院，陕西西安 710123）

地裂缝是汾渭盆地带的一种典型的地质灾害，强震作用下西安地裂缝将有何扩展特征、运动特征、振动特征，地裂缝两侧岩土层中应力将怎样变化，这对地裂缝活动环境中的生命线工程非常重要，强震作用下地裂缝的力学响应是个亟待研究的问题，因此开展强震作用下地裂缝场地力学响应的振动台模型试验具有一定的理论意义和应用前景。

本文的振动台模型试验设计方案为下一步进行强震作用下地裂缝力学响应的振动台模型试验研究打下基础。

地裂缝；振动台；模型试验；动力响应

1.引言

（1）问题的提出

目前，城市发展由平面扩展模式（以城市为中心向外围扩展的单一格局）向立体扩展模式（在空间上向高空和地下发展的三维模式）转变，大力开发利用城市地下空间，将工业建筑、商业设施、民用建筑、交通设施等置于地下。

在西安城市地下空间开发利用实践中，遇到一些工程难题，因为西安发育着十四条危害程度较高的地裂缝。据历史资料和地裂缝调查，地裂缝对沿线建（构）筑物己造成了较大危害；有些地裂缝仍然比较活跃，有些地裂缝或有些地段有加剧发展趋势，其对影响范围内的建（构）筑物具有潜在的不确定的危害，值得深入研究。

（2）振动台模型试验与振动台的发展

振动台模型试验主要是对结构地震破坏模式和破坏机理的研究、结构整体抗震能力的评价，以及对减震、隔震效果衡量的重要方法和手段。可以直接用原型对体积和重量没有超过振动台承载力的结构构件进行试验，振动台试验结果可以直接作为评价抗震性能的依据，对地基-结构的共同作用等可通过理论分析进行考虑。然而由于试验时间、承载能力和经费等振动台本身的限制，对于大型结构物进行分析时，需根据相似比理论采用缩尺模型进行试验。先将模型放在振动台上，之后输入地震波进行激振试验，可得到模型的位移、加速度和关键构件应变的反应时程，通过逐级加载地震波输入，从而观察结构的破坏过程，找出其薄弱环节。因此我们可通过试验建立原型结构的力学计算模型及构件的恢复力模型，通过选取合适的原型结构参数，计算其非线性地震反应。通过分析评价原型结构的抗震性能，采取合理的抗震措施以提高原型结构的抗震性能，从模型上能直观反映原型的破坏模式及薄弱部位，这对一些复杂以及超限结构具有重要意义。

2.振动台模型试验

（1）原型场地土

参照南京理工大学陈国兴教授、同济大学杨林德教授及国内外相关的土一地下结构振动台试验设计，本次试验原型场地为西安市南郊某地裂缝场地。通过对该场地土样进行静力试验和动力特性试验，得到了土体的静力学参数和动力学参数。

1）静力学参数

采用环刀法测定土的密度，用烘干法测定土的含水率，用直剪试验测土体的液限、塑限、粘聚力等静力学参数。

2）动力学参数

在进行土层地震反应分析时，通常利用等效线性模型模拟土的非线性，并要确定场地土的结构关系。在确定场地土的结构关系时，一般采用如下两个步骤：一是通过现场土层剪切波速 Vs的测值，确定土层的最大剪切模量 Gmax；二是由室内动三轴实验确定剪应变与剪切模量比及阻尼比的关系。前者是小应变条件下，得到土的最大剪切模量，后者是在大应变条件下得到土的动力参数。

（2）试验模型土的制作

土层采用上述西安典型地裂缝场地地层剖面，按照相似要求经过人工夯填而成。模型土制作时先将足够的现场土剔除其中杂物，过筛后装袋供试验模型土使用。模型土体在装箱时，采用分层、人工压密方法，以保证模型箱内土体密度可以达到试验要求。

根据上述场地土的试验结果和相似比关系可换算出模型土各项物理力学参数。

（3）试验模型箱设计

初步设计本模型土箱内壁空间尺寸为：3.0m×2.0m×2.004m(长×宽×高)；由18层彼此独立的矩形钢框架叠合而成，每层框架由 4 根断面尺寸为 100mm× 100mm×2mm(长×宽×厚)的方形钢管焊接而成。

（4）传感器的选择

土压力传感器，土压力盒：本试验采用钢弦式（直径 110mm）土压力盒测量土压力。量程为6.0MPa，灵敏度为0.001MPa。

土应变传感器，土体应变计，采用电位计式传感器。传感器长度：480mm；量程：±3000με；分辨率：1με，测量精度为：±（显示值的0.05%+1）με。

位移传感器，采用电感式位移传感器、拉线位移计。

加速度传感器，采用压电陶瓷微型感应耦合等离子体加速度传感器。

（5）振动台数据的采集

试验拟采用的动态测试仪器可选择如下；长安大学“陕西省公路桥梁与隧道重点实验室”的德国IMC公司生产的动态信号采集系统；北戴河实用电子技术研究所生产的SDY2400数据采集分析系统(WS一USB数据采集仪0506246，16通道)；江苏联通电子技术有限公司生产的YE6262Bsinocera动态测试分析系统(8通道)；江苏东华测试技术有限公司生产的DH5923动态信号测试分析系统(8通道)；华东电子仪器厂生产的YD一28型动态电阻应变仪(4通道和6通道两台)。

试验中需要采集的数据包括振动台的加速度，其采集原理为：振动台加速度信号通过传感器拾取，变为电信号输出经调理后送采样模块采样，然后采样信号经处理后送计算机，显示测量结果。

（6）试验加载制度

根据分析对象的特点，本试验拟选取 El-Centro 地震波(埃尔森特罗波)、Taft波(塔夫特波)、不同超越概率的西安人工地震波分别作为振动台的输入波。El-Centro地震波是采集到的1954年在美国帝国谷发生的地震波，根据西安市的场地条件，选用其适合二类场地土的南北向地震波；西安人工地震波是根据西安地区的地质特点人工拟合的地震波，有63%、10%和2%三种超越概率。

试验采用单向输入激励，输入波的时间间隔和加速度峰值等根据相似关系进行确定。在工况为100gal、200gal、300gal、400gal时，每级地震加速度分别输入El-Centro 波，EI-Centro波的记录持续时间为53.73秒，强震部分持续时间为 26秒。原始记录离散加速度的时间间隔为 0.02秒，最大加速度在 X方向为Taft波，时间间隔为0.02s，峰值加速度为0.1793g，持时54.40s；西安人工波超越概率为63%、10%、2%的地震动峰值分别为60gal、175gal、225gal。