砂土地基自由场离心机振动台模型试验

　　为了观察砂土地基自由场的地震反应情况和检验 试验用叠环式模型箱的边界效应影响以及应用效果,采用清 华大学离心机振动台试验设备进行了砂土地基自由场动力 离心模型试验,输入地震波采用Kobe波,离心加速度环境为 50g。文中给出了加速度反应和位移反应量测结果,研究了 砂土地基的地震反应情况。试验结果表明:叠环式模型箱可 以较好地模拟自由场土层的剪切变形,边界效应影响较小; 振动台的激振性能、数据量测仪器与采集系统的使用效果均 良好,从而为后续有关试验奠定了基础。

　　关键词：砂土地基;地震反应;离心机;振动台;模型试验

　　中图分类号：TU 41; P 315.8文献标识码:A

　　文章编号：1000-0054(2009)09-0031-04

　　土工离心模型试验被称为土工模型试验发展史上的里程碑,已广泛应用于土木工程领域土工结构 性能的模拟研究[1],而在土工离心机系统的基础上发展而来的离心机振动台模型试验则是研究岩土工程地震问题较为有效和先进的研究方法和试验技 术。目前,动力离心模型试验技术在国内已在岩土工 程地震问题的研究中得到应用,在地震破坏机理、抗震设计计算、数值模型验证等方面显示出巨大的优越性,并取得了良好的效果[2-4]。由于目前中国包括 台湾在内建成的离心机振动台设备系统仅有4台这极大地限制了离心机振动台模型试验的开展,因此试验成果相对较少。

　　本文采用清华大学离心机振动台设备系统进行了砂土地基自由场水平振动试验,给出了加速度反应和位移反应量测结果,研究了砂土地基的地震反应情况。

　　1 试验装置及砂土地基模型制备

　　试验采用清华大学岩土工程研究所土工离心机设备以及电液伺服土工离心机振动台系统进行。该系统可在 大为50g的离心加速度下提供高精度的单向水平振动,可施加正弦或任意波形的地震波, 大振动加速度20g, 大持续时间4s,设计振动负 载质量100kg[5]。本次试验采用叠环式模型箱,尺寸 为50cm×20cm×30cm。模型箱内壁附有一层0.8mm厚的整体乳胶膜,用以防止土体从模型箱的叠 环之间漏出。乳胶膜与模型箱底部之间采用环氧结 构胶固定,以避免振动过程中的滑移。

　　本次试验的离心加速度取50g,试验结果所涉及到的主要相似常数(模型/原型)为:加速度相似常数Ca=50,位移相似常数Cl=1/50,时间相似常数Ct=1/50,频率相似常数Cf=50。

　　试验用土采用北京地区常见砂土,主要材料性质为:平均粒径d50=0.231mm,不均匀系数Cu=2. 967,土粒密度Gs=2.692g/cm3。采用分层夯实、控 制密度和含水量的方法制备地基模型,试验时控制 地基质量密度ρ=1.7g/cm3,含水量ω=2%,密实 度Dr=0.636,孔隙比e=0.616。由于1/3

　　试验传感器布置如图1所示,量测数据为加速 度和位移,图中A与L分别表示加速度计和位移传 感器,共用到10个单向加速度计、1个3向加速度计 和4个位移传感器。振动台台面为如图1c中所示的 x-y平面,振动台激振方向为x方向。

　　单向加速度计编号为Ai-j(i=1~4,j=1~3), 按照加速度计所在土层深度以及与边界距离分别编 号,其中i=1~4分别表示从地基深处到接近地表处,j=1~3表示水平位置。Ai-2(i=2~4)与Ai-3 (i=2~4)用来检验叠环式模型箱的边界效应影响。 Ai-j(i=1~4)在模型土体中的埋深分别为24、17、 10和3cm,按照相似关系换算到原型自由场土体的 深度分别为12、8.5、5和1.5m。位移传感器L1至 L3固定在与振动台台面紧密连接的侧向位移传感 器支架上,用来量测土体相对于振动台台面的剪切 变形, L4用来量测地基土体的竖向位移反应。

　　2 试验结果及分析

　　地震输入采用1995年日本阪神地震中的加速度记录,以下简称Kobe波。试验实测台面主振方向加速度波形如图2a所示,峰值为0.2g,由加速度计A5量测得到;输入地震波的Fourier谱如图2b所 示。

　　由于振动台轨道精度的影响,在振动台台面内垂直于主振方向的水平向以及垂直于振动台台面的竖向也存在一定的振动, A5量测得到的这两个方向的加速度峰值分别为0.010g和0.038g,分别为主振方向的5.0%和19.0%。由此可见,试验所采用的振动台地震动的输入效果良好。

　　下面给出本次试验的部分量测结果,并进行简要的比较讨论,试验结果描述中传感器编号见图1,所列数据均为换算到原型后的结果。

　　2.1 加速度反应

　　部分加速度计实测记录如图3所示。模型箱中轴线处加速度计Ai-1(i=1~4)由于距离边界相对较远,因此可以认为是自由场反应的结果。台面加速度计A5及中轴线处Ai-1(i=1~4)的峰值如表1所示,可以看到,试验所采用的砂土地基对输入的Kobe波有一定的放大作用,接近地表处的加速度峰值相对于台面输入地震波峰值的放大系数约为1.34。

　　模型箱中轴线加速度计Ai-1(i=1~4)实测记 录的Fourier谱如图4所示,由图4可以看到地震波的放大规律。可以看到,在地震波由下向上传播的过 程中,在0.5~2.5Hz的频段有一定程度的放大。

　　峰值及与相应深度位置中轴线处加速度反应峰值间 的相对误差见表2。

　　由表2可以看到,叠环式模型箱与振动方向垂 直的侧面边界以及与振动方向平行的边界对土层地 震反应的影响均较小。同时由图3可以看到,靠近边 界处的加速度反应波形与中轴线处的加速度反应波 形均十分接近,对这些部位的加速度反应时程进行 Fourier变换得到的Fourier谱也和图4相似,各频 段的组成基本一致。由此可见叠环式模型箱可以较 好地模拟土层的剪切变形,且边界效应影响较小,但 仍存在一定的误差,主要是由于模型箱叠环的质量 和叠环间摩擦力仍偏大,以及各叠环的高度较大,对 土体变形有一定的限制作用所引起。

　　2.2 位移反应

　　图5给出了地基与基底间的水平相对位移反应以及地基竖向位移反应,其中位移计L1因故障无量测数据,图中u和v分别表示水平与竖向位移。

　　由试验结果可以看出,模型箱各叠环的位移表现出向着同一方向的运动趋势,其反应表现为浅层较大、深层较小, 上层L3位移计所测得的 大位移对应于原型约为8.2cm。综合考虑试验所采用叠环式模型箱的实际振动情况、土层的高度、地震动强度以及后续针对模型试验所进行的模拟分析[6],分析认为位移计的量测结果尚不够准确,相比于实际情况偏大。

　　在离心机加速过程中,土体发生了对应于原型 约1.15cm的固结沉降,使得振动试验前地基土体的密实度有所增加,但变化量并不大。由图5还可以看到,地震作用使得砂土地基发生了一定的竖向附加沉降,地震作用引起的附加沉降 大值和稳定值 分别约为1.9cm和1.2cm。

　　3 结 论

　　1)离心机振动台模型试验所采用的叠环式模型箱可以较好地模拟自由场土层的剪切变形,且边界效应影响较小,但仍存在一定的误差,主要是由于模型箱叠环的质量和叠环之间的摩擦力仍偏大,以及各叠环的高度较大,对土体变形有一定的限制作用所引起。

　　2)振动台的激振性能、地震波的输入效果、加速度计与数据采集系统的使用效果良好,从而为后 续有关试验奠定了基础。

　　3)影响位移反应量测精度的因素主要有两方面:位移计的量测端部在振动台不到1 s的高频激振时间内很难保持与模型箱侧壁的连续紧密连接;各叠环质量仍相对偏大以及叠环之间存在一定的摩擦阻力。但位移计量测结果仍然能在一定程度上反映地基土层的地震反应情况,如在地震波作用下上层位移反应比下层大的现象等。