土結(jié)構(gòu)性的剪切波速表征及對動力特性的影響.pdf

1、場地土體在地震作用下的動力響應(yīng)和破壞規(guī)律是分析各種工程動力災(zāi)變的重要基礎(chǔ)，土體結(jié)構(gòu)在動力荷載下的損傷演變過程及其評價是研究場地土體地震災(zāi)變的關(guān)鍵問題。天然土都具有結(jié)構(gòu)性，不同結(jié)構(gòu)土體的力學(xué)行為各異。只有深入理解結(jié)構(gòu)性對土體動力特性的影響，才能揭示地震作用下場地土體破壞機(jī)理，為土工抗震設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。 剪切波速表征了小應(yīng)變下土體的剪切剛度，是一個既能全面反映土體結(jié)構(gòu)特征又易于測量的重要指標(biāo)。本文基于多學(xué)科交叉背景，全面研究了壓電

2、彎曲元波速測試技術(shù)的基本理論和關(guān)鍵問題，并通過結(jié)合彎曲元測試的系列試驗(yàn)，包括固結(jié)試驗(yàn)、動三軸試驗(yàn)和土工離心機(jī)振動臺試驗(yàn)，揭示了砂土和粘土的結(jié)構(gòu)性與剪切波速的關(guān)系，進(jìn)而以剪切波速為靜力和動力作用下土結(jié)構(gòu)損傷演化的主要指標(biāo)，揭示結(jié)構(gòu)性對砂土抗液化強(qiáng)度、粘土動變形和強(qiáng)度的影響規(guī)律。具體內(nèi)容包括： 1．針對壓電陶瓷彎曲元振動響應(yīng)問題，建立了基于一階剪切變形理論的壓電層合梁解析模型，分析了彎曲元結(jié)構(gòu)在機(jī)電信號激勵下的響應(yīng)，成功解釋了彎曲元

3、的促動和傳感功能。研究表明，同向極化并聯(lián)配置和反向極化串聯(lián)配置兩類彎曲元本質(zhì)相同，區(qū)別只在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換能力上，因此前者適合作為激發(fā)元、后者適合作為接受元使用。這些發(fā)現(xiàn)為彎曲元波速測試的振動信號分析提供了理論依據(jù)。 2．深入研究彎曲元波速測試技術(shù)，在參與研發(fā)多套彎曲元波速測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，首次提出并研制了可用于現(xiàn)場剪切波速測試的便攜式彎曲元系統(tǒng)。通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論分析總結(jié)了可靠的彎曲元波速測試方法，并參加了ISSMGE組織的彎

4、曲元國際平行試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出測試技術(shù)和分析方法的有效性和可靠性。 3．利用彎曲元剪切波速測試技術(shù)，開展飽和標(biāo)準(zhǔn)砂不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)，深入研究了地震循環(huán)應(yīng)力歷史對各種飽和砂土小應(yīng)變剪切模量的影響，發(fā)現(xiàn)在相同有效應(yīng)力下地震循環(huán)應(yīng)力歷史會使小應(yīng)變剪切模量降低6-9％，并指出應(yīng)力歷史影響的實(shí)質(zhì)是改變了土體結(jié)構(gòu)狀態(tài)。該研究對地震響應(yīng)有效應(yīng)力分析法中土體小應(yīng)變模量的取值有重要參考價值。 4．通過理論推導(dǎo)和大量測量剪切波速的動三軸液

5、化試驗(yàn)，揭示了砂土抗液化強(qiáng)度(CRR)與其剪切波速(V<,s>)的4次方成正比的相關(guān)關(guān)系，并建立了基于室內(nèi)CRR-V<,s>相關(guān)關(guān)系的砂土液化剪切波速判別法。與基于現(xiàn)場液化調(diào)查的方法和數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)比較，證實(shí)了本研究結(jié)論的可靠性。 5．針對8號硅砂進(jìn)行土工離心機(jī)振動臺液化試驗(yàn)，利用彎曲元檢測模型地基內(nèi)部剪切波速的變化，驗(yàn)證了基于室內(nèi)CRR-V<,s>相關(guān)關(guān)系的液化判別方法的可靠性。 6．針對結(jié)構(gòu)性軟粘土，利用彎曲元測得的剪

6、切波速成功監(jiān)測了土體結(jié)構(gòu)的損傷過程，并通過動三軸試驗(yàn)考察了結(jié)構(gòu)破壞水平對循環(huán)荷載下變形和強(qiáng)度特性的影響；進(jìn)行了測量剪切波速的土工離心機(jī)振動臺試驗(yàn)，驗(yàn)證了軟粘土地基震后變形行為與土體結(jié)構(gòu)演化之間的良好關(guān)聯(lián)。 上述研究顯示了利用壓電彎曲元技術(shù)測試土體剪切波速的巨大優(yōu)勢，也表明利用剪切波速表征土體結(jié)構(gòu)狀態(tài)和變化過程的合理性，為揭示地震作用下場地液化、大變形等動力災(zāi)變機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)和定量參數(shù)，對土動力學(xué)與地震工程研究和實(shí)踐具有重要的理