动力机器弹性地基的动力学分析

摘要:土动力学是研究地震、波浪及机器基础等动荷载作用下土体的动变形、动强度以及稳定的一门学科。其主要研究内容可以概括为土的动力特性,土的动力反应与稳定以及土与土体的动力测试技术三个方面。海洋钻井平台,大坝,地震中的房屋等,其地基土均受到循环荷载作用,为了防止其受力破坏,必须对其地基土的动力特性进行试验研究。

动弹性模量E和动剪切模量G是表征土的动力变形特性的重要参数,其主要影响因素有:土体初始应力状态、土体本身性质、动力荷载性质等。因此,通过试验模拟实际环境,研究其变化特点及特征是很有必要的。土动力学的逐渐深入研究,离不开不断发展的试验设备。室内测试技术包括动三轴仪、动扭剪仪、共振柱、共振台、离心模型试验等。原位测试技术包括剪切波速测试、弯曲元法、动力旁压试验等。

关键词:土动力学;基础;荷载作用;动变形

中图分类号:TU435

文献标识码:A

文章编号:16723198(2009)20032401

1测试方法及技术

土层动力学参数测试技术分为剪切波速测试和地脉动测试,这里将主要介绍前者提供的地层波速和动剪、动弹模。

剪切波速测试技术(主要在钻孔中进行)又分单孔法和跨孔法。近年来发展的瑞雷波测试技术也可以在地面上进行,但还处于实验阶段。目前我国常用单孔法测试技术。单孔法测试技术就是把井中三分量检波器放在孔中自下而上提升检波器的探头,

并在地面距井口约五米处放置一块木板,沿木板纵轴线水平敲击板端,这样就有地震波传到孔中,从而被检波器所接收,然后通过电缆线传回地面控制仪器并接收其振动信号。左、右锤击木板同时得到正反两向的记录波形图。如图1(某工地波速测试原始记录图,GJY1型地震记录仪数据采集)。

2资料整理与解释

由实测波形记录图,按左右锤击分水平方向X轴、Y轴,垂直方向Z轴,分开整理同方向,左击或右击自下而上的波形记录图。这项工作是靠仪器的内部指令,或由计算机自动完成的。如图2是某工地水平X方向整理后的波形记录图。

根据波形记录图,解释人员对波形的初至及相位进行了初步地分析判断,保证正确完整的记录。根据水平方向检波器正、反向的波形记录,确定剪切波振源到每一测点的初至时间。目前已经可以运用计算机自动读取初至时间,按下式计算波的传播时间。

t=HH2+d2t′

式中:t――波的传播时间,单位为s;H――测点深度,单位为m;D――震源中心点至测试孔水平距离,单位为m;t′――由震源到检测点的传播初至时间,单位为s。

以深度H为纵座标,以时间t为横座标,绘制时距曲线,根据时距曲线的不同斜率线段,并结合地层的实际情况计算地层的剪切波速度。

Vs=Hn-Hn-1tn-tn-1=ΔHΔt

式中:Vs――底层剪切波速,单位m/s。

ΔH――地层厚度,单位为m。

Δt――对应H的剪切波速传播时间差。

上述过程,可以把记录的全部波形数据输入到计算机中,由计算机自动绘制时距曲线,自动求取地层剪切波的速度等。完成上述工作后,根据任务的要求绘制波速测试工作布置图,钻孔波速测试成果图(横坐标、纵座标、深度、地层名称、测试深度、剪切波速、动剪切模量、动弹性模量、地层柱状图等)。

3计算机自动读取初至方法

人工从打印出来的记录波形图中量取初至,或从屏幕移动光标中读取初至,往往会造成不同程度的人为误差。

在各种数据采集仪都可以把采集的数据输入到计算机中,或由计算机控制数据的采集。根据工作的需要我们开发出一套计算机自动读取初至的方法。并应用于实际操作,这大大提高了工作效益和数据解释精度。其判别方法如下:

(1)振幅识别。

研究表明,在地震道时间序列中(X1,X2,X3,……X1……)相邻采样值之间符合标准正态分布规律。用标准离差来衡量是否是有效信号:

σk=1nΣ[(Xi-Xi-1)-Xn]2

如果标准离差在一定范围之外,那就不属于有效讯号;如果在一定范围之内,那就属于有效讯号,则可以进行下一步地判别。

(2)延续性识别。

有效讯号有一定的延续性,因此取有效讯号事情脉冲的前四个采样值,判断它们是否是相同的符号,如果是相同的符号,则进一步认为是有效讯号,否则,则不是有效讯号。

(3)讯号的形态识别。

观察地震的连续记录讯号表明,有效讯号前半峰值往往小于它的第二半峰值。因此取有效讯号的第-个半周期上连续四个采样值和第二个半周期的四个采样值作比较,如果前者幅值小于后者的幅值则通过,反之,则不通过。(4)脉冲预测。

根据勃郎斯威最小二乘预测原理进行判断。其实就是利用讯号到达之前的纯噪声段计算出预测因子h(t),对随后即将到来的讯号进行预测。如果随后到来的讯号是噪声,那么二者的误差不大,预测就成功。由于有效讯号与噪声是截然不同的两种讯号,因此利用噪声段计算出的预测因子去预测随后到来的有效讯号事情,二者的误差较大,预测就失败,由此判断其是无效讯事情。

由上述四个判别步骤确定的有效讯事情,只是对各道进行了单独地判读,而真正的初至时间尚且需要进一步地确定。确定方法是求出各道第一拐点时间ts,然后将拐点时间ts与有效讯号时间to之差t。求其平均值t,将各道拐点时间减去平均时差即为各道的正确初至时间。对于记录有严重干扰或不正常的个别道,计算机判断有误时可由人工干预。

4在工程建设中的应用

工程建筑场地土要划分场地土的类别和类型,这是指场地范围内表层土刚度(软硬)的表征,也是根据岩土的性状,剪切波速或承载力划分的。场地土类型是确定建筑场地类别的主要依据,场地土类别是场地条件的表征。

4.1场地土类型

建筑的场地土类型划分是根据国家标准《建筑抗震设计规范》土层剪切波速范围划分的。见表1。

表1土层剪切波速(Vs为岩土剪切波速)

4.2建筑场地类别

建筑的场地类别,应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度将建筑场地划分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类,见表2。

表2土层等剪切波速

覆盖层的厚度是根据《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》定义的,一般解释为从地面至剪切波速大于500m/s的土层或坚硬土顶面的距离。

从表中可以看出,同一类土的波速值可以相差很多,这是因为土的结构形状因地而异,其饱和度、密度和有效应力等物理力学特性也有明显变化的原因。因此,对于重要的、需要进行场地分类的建筑物,都应该根据实测波速值。