自由场地震模拟振动台试验

摘要:为了观察自由场的地震反应情况和检验试验用的层状剪切土箱的边界效应影响以及应用效果,采用实验室的大型地震模拟振动台试验设备进行了粘土与沙土地基自由场振动台试验,输入地震波采用EL Centro波、Taft波和人工波。文章给出了土体的加速度反应观测结果。试验结果表明:土体对加速度峰值有放大作用;土体有滤波作用;层状剪切土箱能较好地模拟自由场土层的剪切变形,边界效应影响较小。

关键词:自由场;地震反应;振动台;层状剪切土箱

中图分类号:P315文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0008-02

尽管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,但是振动台试验设备具有二维和三维振动的能力,而且模型一般比离心机试验模型大很多,同时振动台试验不存在离心机试验中的科里奥利效应,因此具有其自身的优势。振动台模型试验是20世纪70年展起来的,也是目前进行桩土结构相互作用试验采用最多的方法。从日本的Kub在1969年第一次进行桩土结构动力相互作用振动台试验几十年来,各国学者在此方向上的研究逐渐增多,而自由场的研究正是为了结构相互作用研究奠基。

本文采用我实验室的大型地震模拟振动台进行了粘土与砂土地基自由场振动台试验,给出了加速度观测结果,研究了自由场的地震反应情况。

一、试验概述

试验采用我院桥梁结构动力学实验室先进的地震模拟振动台系统进行,其最大输入的加速度三向均为1g。本次试验采用层状剪切土箱,其尺寸为3m×1.8m×1.9m。试验传感器布置如图1所示,图中所示均为加速度计,共有7个加速度传感器,依次将加速度传感器编号为A1～A7。

二、土体的加速度反应

(一)不同高度处土体的加速度峰值放大系数

现将土体加速度峰值放大系数定义为加速度测点的峰值与输入地震动加速度峰值之比。以人工波为例,将加速度传感器A1～A4的峰值放大系数与高度的关系列于图2和表1中。

从图2和表1中可以看出:从总体趋势上看,土体峰值放大系数沿高度方向是增大的,但在0.05g和0.10g时候,加速度峰值放大系数是沿土层高度逐渐增大,而在0.20g和0.30g时候,加速度峰值放大系数沿土层高度先减小然后增大;在土层表面随着输入加速度峰值的增大,土体加速度峰值放大系数反而减小,土体呈现非线性。

(二)土体的滤波作用

本节仅以人工波为例,分别列出在人工波0.1g和0.2g工况下沿土层高度方向分布的加速度传感器A1～A4的加速度时程图及其功率谱图。

从上图可看出:在人工波0.1g和0.2g工况下,土体沿高度方向过滤掉了较多高频成分,说明了土体的滤波作用。

三、土箱对边界条件的模拟

自由场的测点布置图如图1所示。土层表面中心处加速度测点为A4,距离纵向边界65cm处的加速度测点为A5,距离纵向边界25cm处的加速度测点为A6,距离侧向边界15cm处的加速度测点为A7。本节仅以人工波0.1g和0.2g两个工况为例,从时程图和功率谱图的比较来说明层状剪切土箱对边界条件模拟的好坏情况。加速度计A4~A7的时程图和功率谱图如图5与图6所示:

从以上各测点时程图及其功率谱图的比较可以看出:在人工波0.1g和0.2g工况下,加速度计A4与A5,A6,A7的时程图和功率谱图,波形基本一致。说明纵向和侧向边界对土体的影响都非常小,几乎可以忽略。

为了进一步说明本实验所采用的层状剪切土箱的边界效应影响大小,表2中列出了对加速度计A4观测结果分别与A5,A6,A7的观测结果的相关性系数。

从上表可以得知:在人工波0.1g和0.3g工况下,加速度计A4的观测结果与A5,A6,A7的相关系数在0.92～0.99之间。说明纵向和侧向边界对土体的影响都非常小,几乎可以忽略;在人工波0.1g和0.3g工况下,加速度计A4与A5的相关系数比A4与A6的相关性系数,A4与A7的相关性系数大,说明离边界越远,影响越小。总体上来看,采用的层状变形土箱能很好地模拟边界。

四、结语

1.土体对输入的加速度峰值具有放大作用。

2.土体沿高度方向过滤掉了较多高频成分,说明了土体的滤波作用。

3.层状剪切土箱能较好地模拟自由场土层的剪切变形,边界效应影响较小。

参考文献

[1]魏春莉.桩-土-桥梁相互作用地震动力相互作用振动台模拟试验研究[D].重庆:重庆交通大学硕士学位论文,2008.

[2]伍小平.砂土-桩-结构相互作用振动台试验研究[D].上海:同济大学博士学位论文,2002.

作者简介:胡建新,男,湖北松滋人,供职于招商局重庆交通科研设计院有限公司,硕士,研究方向:桥梁检测、加固与抗震。