振动台多功能叠层剪切箱研制

振动台模型试验是研究地震作用下土-结构动力相互作用的重要方法,而土箱的性质将直接影响到试验结果的可靠性。在总结国内外研制土箱经验的基础上,研制出刚度可调的多功能叠层剪切箱。该剪切模型箱可完成单向和多向振动台土-结构动力相互作用试验;针对不同试验中所选择的模型土种类的不同,本剪切模型箱可调整水平向剪切箱刚度,以更好地模拟水平场地边界效应问题。通过全黏土层中三层三跨地下结构试验验证剪切模型箱模拟水平场地边界效应问题;并通过砂土夹层中三层三跨地下结构试验,验证本剪切箱能够较好地完成三维土-结构相互作用振动台试验。

振动台试验三维叠层剪切箱研制

在进行土-结相互作用振动台试验中,最常用的盛土容器为叠层剪切箱。但目前已研制出的剪切箱还只能进行一个水平方向的剪切运动,不能满足对三维土-结相互作用研究的要求。在总结国内外研制叠层剪切箱经验的基础上,研制出了刚度可调的三维叠层剪切箱。通过三层三跨地下结构砂土夹层试验,证明了本剪切箱不但能够进行三维土-结相互作用振动台试验,而且能够很好的解决模型箱的边界效应问题。同时,针对不同试验中所选择的模型土种类的不同,可以调整剪切箱的刚度,以满足试验对降低模型箱边界效应的要求。

双向叠层剪切箱的研制及模型土体振动台试验研究

在结构–土体动力相互作用试验中,最常用的盛土容器是叠层剪切箱。在总结国内外剪切箱经验的基础上,研制出了刚度可调的二维叠层剪切箱,改进了箱体层间滑动装置。通过地震激励下模型土体试验,验证了该剪切箱很好的解决了单向水平地震输入时的边界效应,研究了土体在地震作用下的位移变化形态和非线性特征,得到了土体剪应力随地震动峰值的变化规律。结果表明:不同高度处土体的位移分布接近第一振型,土体剪应力和剪应力–剪应变滞回曲线的包络面积都随着地震动峰值的增大而增加,但是上下部土体的剪应力增加速率存在明显不同。

大型叠层剪切变形模型箱的研制

振动台模型试验是研究工程结构抗震的重要手段之一。在碎石桩复合地基抗液化特性振动台试验研究中,基于半无限自由场原型土层的地震反应分析,在比较了目前国内外研究岩土结构地震问题振动台试验常用的3种模型箱(刚性模型箱、圆筒型柔性模型箱和叠层剪切变形模型箱)各自优缺点的基础上,设计一个可以用于振动台试验的大型叠层剪切变形模型箱。该模型箱由方钢管焊接的矩形框架和层间滚珠轴承构成,可以很好地模拟原型土层在天然地震剪切波作用下的变形特性。试验结果表明,所设计的叠层剪切变形模型箱不仅为本次试验获得成功打下了坚实的基础,还可以应用于其他岩土地震问题的试验研究。

堆叠式剪切模型箱的改进

对现有叠层剪切模型箱进行技术改进,其整体改进思路是用轴承和端部弹性约束系统分别取代常见的滚珠和侧向刚性约束系统。改进措施是把原叠层方钢框架模型箱改成H型钢和方钢交替堆叠式模型箱;层间轴承外径由16mm调整为72mm;模型箱受力形式由"抽屉式"改为"堆叠式";非主振方向上铆接弹性薄钢板取代侧向刚性约束系统。并用ANSYS软件对铆接弹性薄钢板情况进行模拟,结果显示,其对模型箱和土体的动力特性影响很小。改进后的模型箱自重减小,层间间隙缩小并且可根据需要调整,模型箱受力机制更接近于实际土体。设备的可循环操作性和使用性能增强,可最大程度地利用现有的试验设备实现土体在动荷载作用下的自由剪切变形模拟。

两种岩土隔震系统的振动台试验研究

采用低成本的减隔震技术是降低农村房屋地震灾害的重要途经。近年来,围绕结构基础与地基土之间使用低模量材料的岩土隔震技术(GSI)引起了广泛的研究兴趣。提出了两种低成本的岩土隔震系统即基于砂垫层的岩土隔震系统(GSI-SC)和基于玻璃珠-砂垫层的岩土隔震系统(GSI-GBSC)。通过考虑场地的大比例振动台模型试验对单层砌体结构模型进行了有、无隔震系统的对比试验,单层砌体结构模型采用1/4的缩尺比例制作。选取1940年记录到的El-Centro波南北分量作为输入波,输入加速度幅值分别为0.1g,0.2g,0.4g。振动台试验结果表明:提出的两种低成本的岩土隔震系统均可以减少结构的地震反应,达到隔震的目的;在输入加速度幅值为0.4g时,GSI-SC系统使结构屋面板的加速度反应以及结构的层间位移反应的减小率分别达到33%和39%;而GSI-GBSC系统相应的减小率更是达到了45%和48%。GSI-SC系统和GSI-GBSC系统都具有良好的隔震效果,且施工简便、成本低廉,适合在农村地区推广。就隔震效果而言,GSI-GBSC系统较GSI-SC系统更具有优势。

地下结构地震破坏机制试验研究

利用自行研制的三维叠层剪切模型箱,完成黏土层中典型三层三跨地铁车站模型的地震响应大型振动台试验。通过对车站模型结构和土层中的加速度时程及其傅里叶频率幅值谱的对比研究,分析地下结构动应变变化规律及结构破坏宏观现象。揭示地下结构地震破坏机制为地下结构地震响应主要受周围土层控制,土层相对较软时,地下结构易发生破坏。同时,埋深越浅,地下结构破坏越严重。地下结构的地震破坏模式是地下结构周围土体的剪切变形使结构产生层间相对位移,当位移过大时,楼板与侧墙将发生拉伸破坏。而柱子则在剪切或弯矩作用下可分别产生剪切破坏和弯曲破坏,或在同一根柱子上同时出现剪切和弯曲组合破坏。

饱和砂土地基液化特性振动台试验研究

饱和砂土地基试验是研究碎石桩复合地基抗液化性能振动台试验的先导和必要组成部分。本文采用自行研制的简易单向专用振动台和大型叠层剪切变形模型箱完成了两个饱和砂土地基模型的三次振动台试验,验证了模型箱的性能和模型地基内部的均匀性。通过量测振动过程中砂土的超静孔隙水压力,得到了饱和砂土地基液化规律以及振动加密对其抗液化能力的影响。同时,探索了饱和砂土地基液化大型振动台模型试验技术,如饱和砂土模型地基设计与制备、传感器布置、试验加载方案确定等,为今后开展此类试验提供一般的研究思路,并且为后续碎石桩复合地基振动台试验提供了必要的技术经验。

近远场地震中土工格栅加筋土挡墙抗震特性的振动台试验研究

地震中土工格栅加筋土挡墙的动态行为与抗震机理的认识还尚不清楚。采用叠层剪切型模型土箱开展大型振动台试验,基于量纲理论π定理的Froude常数设计试验模型,考虑近远场地震动影响,采用汶川地震中松潘远场波、什邡近场波和Taft中远场地震波,测试墙体加速度、加筋回填土加速度、墙体侧向变形、加筋区与非加筋区回填土表面震陷、加筋区填土超静孔隙水压力以及土工格栅应变特性,得出远场和中远场地震波对加筋结构产生了强烈的宏观反应特征,而近场波对加筋区填土超静孔隙水压力的微观反应影响显著,加速度和沉降反应特征表明土工格栅为柔性挡土墙提供了较强的抗震能力,格栅应变分布特征揭示了柔性挡土墙上受力分布规律。研究结果将为土工格栅加筋土挡墙抗震安全设计和工程施工提供依据。

基于玻璃珠–砂垫层的岩土隔震系统振动台试验研究

为了保护农村房屋免受地震破坏,提出一种基于玻璃珠–砂垫层的岩土隔震系统(简称GSI-GBSC),即在结构基础与地基土之间回填玻璃珠–砂垫层材料进行隔震。对有、无隔震系统的单层砌体结构模型开展考虑场地的大比例振动台模型试验,单层砌体结构模型缩尺比例为1/4。选取1940年记录到的El-Centro波南北分量作为输入波,输入加速度幅值分别为0.1 g,0.2 g,0.4 g。试验结果表明:在小震时,GSI-GBSC系统的隔震效果不明显,随着地震量级的增大隔震效果也随之增强;在输入加速度幅值为0.4 g时,GSI-GBSC系统使结构的屋面板加速度反应以及层间位移反应分别减小了50%和47.5%;即该隔震系统可以显著减少上部结构的地震反应,实现隔震的目的。