砂土场地桩-筒复合基础地震响应离心振动台试验

地震作用容易引起砂土地基中的海上风机基础液化失效,单桩-筒型复合基础(简称桩-筒复合基础)结合了单桩基础和吸力筒基础的优势,是一种新颖的海上风机基础形式。针对砂土场地桩-筒复合基础地震响应,开展干砂及饱和砂的单桩和桩-筒复合基础的离心振动台试验,采用白噪声和具有不同频谱成分的地震波进行激振,得到两种基础形式在砂土场地中的自振频率、超孔压累积、风机加速度响应以及基础弯矩分布等。结果表明:饱和场地中筒基下的浅层土体,其超孔压累积会有所衰减,加速度幅值则被相应放大;饱和场地中单桩浅部弯矩响应较大,风机产生明显的残余位移,相比单桩,桩-筒复合基础加速度响应更大,但其在限制水平位移方面具有明显优势。研究结论对于桩-筒复合基础的抗震分析具有参考价值。

强震作用下陡倾顺层斜坡倾倒变形机制离心振动台试验

陡倾顺层斜坡在静力条件下的稳定性一般较好,但是在"5.12"汶川地震中该类型斜坡却发生了大量的失稳破坏现象,通过现场调查在陡倾软硬相间顺层斜坡中发现了一类特殊的动力变形破坏模式——倾倒变形。在已有认识基础上,以四川汶川县水磨沟陡倾软硬相间顺层斜坡在强震作用下的失稳案例为基础,通过离心振动台试验研究该类型斜坡在强震作用下的倾倒变形机制和动力响应规律特性。研究表明:在斜坡表面,随着高程的增加,加速度放大系数总体表现出先增大、后减小、再增大的节律性变化,在坡高1/3处和坡肩部位动力响应呈现两个峰值。在同一水平高度下,越靠近坡表,加速度放大系数越大,即斜坡岩土体临空面效应较为显著。通过试验揭示该类斜坡失稳机制为:在强震荷载反复作用下,软岩和硬岩产生差异剪切破坏,岩土体沿优势层面下滑受阻,坡脚附近岩土体弯曲隆起,斜坡深层潜在滑面未完全贯通,坡肩震裂松弛岩体在地震的巨大水平惯性力下,向临空面作悬臂梁弯曲倾倒,整个斜坡发生拉裂滑移-下部弯曲-上部倾倒式失稳破坏。

强震区隧道洞口段边坡动力响应特征离心振动台试验

强震后隧道震害调查表明,隧道洞口段的震害破坏尤其严重,需进一步加强隧道洞口段边坡动力响应方面的研究。以汶川地震灾区典型隧道洞口边坡为例,通过大型离心振动台试验,研究隧道洞口段边坡在强震作用下的动力响应特征及规律。试验研究表明:(1)在边坡坡面和坡内的加速度放大均具有显著的高程效应;隧道拱顶的加速度放大系数大于隧道其他部位;越靠近隧道洞口的加速度放大效应越明显。(2)不同振幅下坡体的加速度放大效应均十分显著,并且低振幅下的加速度响应大于高振幅下的加速度响应。(3)在维持0.25g振动加速度下不同离心荷载等级下的坡体加速度放大系数均大于2.0;但随着离心荷载的增大,加速度放大系数增长很小。(4)随着边坡高程的增大,动土压力总体呈线性降低,在相对高程为0.48时(即隧道拱顶),其动土压力响应系数最大。研究成果能为强震区隧道洞口段的抗减震设计和相关研究提供借鉴。

筒型基础–砂土地基动力响应的离心振动台试验研究

抗震规范要求对地震烈度大于Ⅷ度地区15 m以内的土层进行砂土液化判断。新型海上风电筒型基础入土深度较浅,对地震作用下砂土地基的液化较为敏感。为研究砂土中新型筒型基础与地基的地震响应规律,设计并开展了系列离心机振动台试验,监测了砂土中新型筒型基础与地基在震中和震后的加速度变化和孔压响应,分析了筒型基础影响砂土地基抗液化性能的规律性。结果表明:地震荷载作用下,砂土地基中筒型基础加速度响应系数大于1.0,且响应系数与基础重量呈正相关关系;新型筒型基础因其直径通常大于30m,质量大于2000 t,与上部荷载的联合作用显著增加了地基中的附加应力,有利于提高砂土地基的抗液化能力;基于超静孔压比建立了筒型基础影响区域地基抗液化性能的判别方法,定量分析筒型基础提高砂土抗液化能力的程度。

大型液压离心振动台控制策略的仿真研究

离心振动台是一种先进的土工抗震试验设备,文中围绕其本身及复现信号的特殊性,仿真研究了离心振动台控制策略中的关键问题。首先在液压动力机构耦合线性模型的基础上,结合对离心振动台中四种非线性因素的建模,综合得到了原型样机液压动力机构的非线性耦合模型;其次,在简要回顾离心振动台伺服控制策略中各部分功能的基础上,研究了采用二阶带通滤波器作为顺馈控制器时系统动态特性的改善情况;最后,针对离心振动台复现信号具有"短时高频"的特点,研究了采用不同NFFT、误差修正系数时离线迭代算法的收敛精度和收敛速度。经仿真研究,当NFFT为512,α取0.5时,整个离线迭代过程最为理想,四次迭代后的收敛精度约为5%左右。

大型液压离心振动台的耦合特性分析

离心振动台被认为是当今世界抗震领域最先进、最有效的实验设备,针对离心振动台的耦合特性提出了轻柔基础、液压执行机构、岩土模型的耦合数学模型。首先将轻柔基础简化为连续质量弹簧,推导了轻柔基础固有频率的估计方法和轻柔基础动态特性的等效方法。其次,根据离心振动台的耦合等效模型,利用4类基础方程推导了耦合系统的传递函数。最后,研究了离心振动台的伺服控制策略,通过前置滤波器、三状态反馈控制器、顺馈控制器的设计,可使耦合系统的频宽满足设计要求。

40g-t水平单向离心振动台总体设计方法研究

离心机上水平单向振动台振动容量大于30 g-t为大型离心振动台,振动容量40 g-t则代表国际当前大型离心振动台最高水平,目前仅美国和日本各有一台,经验少且自装备后一直不断改进。为满足我国岩土地震工程和土动力学对大型离心振动台装备的迫切需求,本文剖析了40 g-t水平单向离心振动台的功能要求与研制难点,论述了其总体设计思想,就动力源与作动器、导轨系统和与离心机接口等几个关键问题进行了讨论,给出了设计方法。研究表明,40 g-t离心振动台因振动容量和振动负载显著提高,与以往中小型离心振动台相比存在很多设计难点。本文提出的总体设计思想:使作动器轴线略高于模型台面以避免较大倾覆力矩;作动器与平台为滑动平面无间隙连接以提高系统固有频率;弹性剪切支座作导向支撑装置以提高运动稳定性;凹形平台以达到整体紧凑性;吊篮与运动平台及负载之间质量比可设计为3。

局部冲刷场地桩基桥梁地震响应简化分析及离心振动台验证

冲刷导致桩周土体流失,改变了场地的地震动特性,同时影响了桥梁的抗震性能。为研究局部冲刷下桩基桥梁动力特性及潜在破坏风险,探讨了冲刷场地的地震动特性,给出局部冲刷场地的地震动快速计算方法;并在此基础上提出局部冲刷后桩基桥梁地震分析简化模型,通过振型叠加法计算桥梁的墩底、桩身剪力和最大位移,用以快速评估局部冲刷后桩基桥梁的破坏风险,进而确定临界破坏冲刷深度;为验证模型的正确性,开展了50g重力下桩基桥梁离心振动台试验,桥梁上部结构简化为质量块,基础采用3×3群桩。按照冲刷深度分为3个工况,每个工况下输入白噪声和El-Centro波。研究表明,一般冲刷使得场地周期减小,但局部冲刷对场地周期影响不明显,局部冲刷坑坡角对场地的地震动几乎没有影响;局部冲刷场地与一般冲刷场地的地震动差别较大,但与原场地的地震响应基本相似;桥梁响应最大时的冲刷深度取决于桥梁频率与地震波主要波频的关系。该简化方法计算的桥梁反应与试验结果相近,因此,可用于局部冲刷条件下桥梁的地震反应快速计算、震害风险评估和临界破坏冲刷深度确定。

大型离心振动台耦合特性参数分析

认识离心振动台-吊篮-岩土模型运动耦合关系对离心振动台发展和动力离心试验数值仿真具有重要意义,针对吊篮具有轻、柔特点,开展了大型离心振动台设计方法与耦合运动关系等相关问题研究。首先对比分析大型离心振动台关键问题和设计方法,建立了液压执行机构耦合关系等效简化模型;其次,推导离心振动台系统耦合运动传递函数,进行了一系列影响参数研究。结果表明,提高阻尼比和质量比是降低离心振动台与吊篮谐振现象的有效方法,其中质量比考虑离心机有效容量,推荐为4;吊篮刚度过大将加重二者谐振,橡胶剪切支座刚度对谐振无明显影响。

大型单轴离心振动台的复合控制策略

针对离心振动台中轻柔基础与上平台间的动态耦合及各非线性因素使系统性能恶化的问题,在传统伺服控制策略的基础上提出了一种复合控制策略。根据耦合等效模型设计几何解耦控制器,以消除轻柔基础与上平台间的动态耦合;综合考虑各非线性因素对系统性能的影响,提出了基于鲁棒控制的反馈控制器和基于两自由度控制的前馈控制器来保证系统的稳定性和控制精度;引入负载干扰力补偿控制器,以减小负载动态特性变化对系统性能的影响。仿真结果表明,经前馈、反馈校正和几何解耦后,离心振动台的频宽已提高至250Hz,完全满足伺服控制策略的频宽要求。经负载干扰力补偿后,在负载特性剧烈下降阶段位置闭环的超调量和调整时间已减少至未采用补偿的50%,且在负载特性随机波动阶段位置闭环的波形失真也得到了显著改善。

锚索抗滑桩的离心振动台模型试验设计

本文以汉源背后山滑坡为依托(采用锚索抗滑桩加固),共设计了无加固基准边坡和锚索抗滑桩单、排桩加固边坡三组离心振动台试验,旨在研究在地震作用下,抗滑桩桩前、桩后动接触应力分布规律和锚索拉力变化情况。本文详细介绍了该离心振动台试验的设计过程,包括模型相似关系设计、试验设备装置的选用、模型材料的选取、边坡模型的制备、加载方案设计、传感器的布置和试验方案的确定及试验前各项准备工作。本文所介绍的模型设计思路、制作过程及试验方案的确定,对今后的相关试验工作具有一定的参考作用和指导意义。

基于离心振动台模型试验的锚索抗滑桩抗震技术研究

锚索抗滑桩是加固大型、特大型边坡或滑坡优选的工程手段。尽管如此，其静力设计方法仍未合理地反映锚索抗滑桩的真实受力特性，未得到学术界和工程界的公认，故无规范对此作出统一的规定和说明。汶川大地震震害调查发现，锚索抗滑桩在实际烈度超过设防烈度时仍然完好无损，具有良好的抗震能力。这表明设计的安全裕度过高，虽安全，怛太不经济，不符合我国的绿色发展理念。锚索抗滑桩抗震技术包括其地震响应、加固机理、破坏模式、设计方法及抗震措施等，规范尚无相关规定，现有成果未能反映真实的抗震技术内涵，同时缺乏锚索抗滑桩与普通抗滑桩抗震性能的对比。

基于离心振动台相似材料试验研究

为了研究适用于离心振动台模型试验的岩质相似材料,在总结分析了国内外学者对物理模型试验中相似材料的研究,结合离心机振动台模型试验的要求采用重晶石粉、石英砂、石膏、水泥和水作为相似材料的原材料。通过配比试验,得到了砂胶比、胶结材料以及水占配比总质量的比例对相似材料强度的影响。此次试验结果表明:该相似材料制成的试件与岩石具有相似的结构特征和破坏特征,用来模拟岩石是合理的;胶结材料对试件的性质起着决定性的作用,配比试验中水的比例也对试件的强度有一定的影响。

迭代算法与柔性结构对离心机振动台控制性能影响

目前迭代算法和柔性结构对离心机振动台控制性能的影响尚缺乏认识,尤其铰接装置作为柔性连接结构在许多离心机振动台上得到应用,以减小离心力荷载下台面和吊篮变形对作动器安全带来的危险。以一套负载1500 kg离心机振动台为样本,采用不同强度、频带的典型地震波为控制目标,探讨了有无迭代算法、柔性结构条件对离心机振动台的控制性能影响。结果表明:20~200 Hz频宽范围内,迭代算法对最大峰值误差、平均峰值误差、平均谱面积误差的影响可忽略。采用迭代算法前后平均峰值误差分别为5.90%,6.15%,平均谱面积误差分别为5.02%,4.94%。柔性结构对于加速度峰值≤7.5g地震波的复现精度有显著影响,尤其是80~150 Hz高频段;对于加速度峰值≥20g地震波的复现精度影响,在频宽20~120 Hz可忽略,但对于120~170 Hz频段的小幅值成分的复现能力影响不容忽略,逊于无柔性结构条件。同时,在无柔性结构条件下对比了不同负载、同一输入荷载的实测输出波,发现两输出波的峰值误差与谱面积误差均无明显差异,证明了离心机振动台具有良好的重复性和稳定性。研究方法和结论,对提高离心机振动台控制性能的影响因素认识和改进设计方法,具有重要指导价值和科学意义。

深水桥墩地震响应离心振动台试验及数值模拟

为研究地震作用下深水桥墩的动力特性及动水压力分布规律,分别针对圆形截面桥墩和矩形截面桥墩开展了不同水深条件的离心振动台模型试验。将桥梁上部结构简化为质量块,桥墩固定在层状剪切箱底部,同时设计了侧限挡板,使得在激振过程中,只有桥墩底部发生相对运动,而水体保持相对静止。采用白噪声和4条具有不同频谱成分的地震波进行激振,并在此基础上开展数值模拟,验证动水附加质量方法是否适用于深水桥墩的动力响应分析。研究表明:水深增大后桥墩的模态频率明显减小,而桥墩模态阻尼略微增大;动水压力对桥墩地震响应的影响规律与地震波频率分布特征和深水环境下桥墩模态频率相关;试验测得的动水压力和桥墩表面的加速度呈现高度线性相关,且基本与荷载频率和桥墩的运动形式无关;试验与数值分析结果表明,动水附加质量方法能够较好地模拟地震引起的动水效应。

砂砾土振动体变评价方法与离心机模型试验验证

2008汶川地震出现了砂砾土大范围液化致灾现象,现场震害调查表明砂砾土场地存在砾石效应影响,现有砂土场地的震后沉降评价方法不适用于砂砾土场地。对此,在“张-社本”振动体变评价方法的基础上进一步发展了考虑砾石含量的砂砾土振动体变评价方法,然后开展动三轴试验确定评价方法中的相关参数,最后开展3组典型砾石含量的砂砾土地基离心机振动台模型试验对评价方法的可靠性进行验证。试验结果表明,砾石含量越高,振动引起的场地沉降变形越小;砂砾土振动体变评价方法可以较为准确地预测新近沉积砂砾土场地的震后沉降,但对存在地震历史影响的砂砾土场地,本文提出的评价方法较为保守,建议进一步发展考虑地震历史效应的砂砾土振动体变评价方法。

离心机振动台模型试验验证的珊瑚礁砂液化判别方法研究

工程现场珊瑚礁砂场地主要以珊瑚砂、砾组成的宽级配珊瑚礁砂,其砾粒含量分布从20%~90%,其液化特性与普通石英砂有较大区别,如仍采用现行液化判别方法评估珊瑚礁砂场地液化潜势,则容易导致工程场地的抗液化处理设计不经济或无法满足要求。以中国南海岛礁和东帝汶珊瑚礁砂为研究对象开展了原级配大动三轴试验分析,建立了基于抗液化强度(cyclic resistance ratios,简称CRR)与相对密实度Dr关系液化判别方法,并通过离心机振动试验进行对比分析。结果表明,当采取相同地震动工况时,由动三轴试验产生的超孔压比相比模型试验超孔压比大;当持时增加到30周时(对应震级8级),土体液化深度达20m,有效证明了珊瑚礁砂场地遭遇强地震动时具有液化潜在风险。此外,通过液化判别计算,验证了基于CRR-Dr关系的液化判别方法准确率达82.5%,且判别不一致工况的判别结果偏保守,进一步验证了此方法可应用于工程抗液化设计。

软土地基深水桩基桥墩的离心机振动台试验研究

以往的研究表明桩-土相互作用和水-桥墩相互作用均会显著影响桥墩的地震响应。该文通过离心机振动台试验研究了同时考虑桩-土相互作用和水-桥墩相互作用的桩基桥墩地震响应特征,以1∶50为比例缩尺设计了试验桩基桥墩模型,模型安装在层状剪切箱中,土层为200mm厚度软土,土层上部的水深为300mm。试验考虑了小震、中震和大震三种强度地震激励,获得了模型的位移、弯矩、动土压力和动水压力试验数据。通过试验结果分析表明,桥墩的位移增长率随地震强度的增大而减小;桥墩和桩基的最大弯矩分别在墩底和桩顶位置,且桥墩水下部分沿墩身的弯矩增长率明显大于水上部分;动土压力在桩中和桩底较大,在桩顶较小;动水压力在桥墩上部变化较小,在桥墩底部和承台明显增大。

结构-群桩基础地震响应离心振动台模型试验

为研究桥梁群桩基础的大质量承台和外露桩基对桩-土动力相互作用效应的影响,分别对低承台(与土接触)和高承台群桩基础进行了离心振动台模型试验。试验中地基土采用了黏质粉土,上部结构简化为质点和杆构件,基础形式包括单桩和群桩。为模拟地震剪切波作用下土层运动效应,采用叠环式层状剪切箱实现土体的层状自由剪切,箱内壁设置橡胶膜以消除边界反射效应。在加速度为50g的离心环境中,选取Chi-Chi地震波作为基底激励输入,在不同输入峰值加速度下,分析了结构-群桩基础的地震响应。试验结果表明:与低承台群桩基础相比,高承台形成的群桩外露会增加上部结构和承台的惯性效应,改变桩身峰值弯矩的分布,表现为承台与桩接触处的桩身峰值弯矩下降,但桩身最大峰值弯矩改变较小。

锚索抗滑桩地震响应的离心振动台模型试验研究

锚索抗滑桩的抗震性能是建立和改进其抗震设计方法的基础。为深入理解其抗震性能,以汉源背后山堆积型滑坡锚索抗滑桩加固工程为参考原型,采用能实现原型仿真的50 g离心振动台模型试验,输入不同峰值的汶川地震清溪台基岩波作为基底激励,利用布设的不同类型传感器,记录锚索抗滑桩加固堆积型滑坡体的加速度、桩身弯矩、桩土间的动土压力和锚索轴力全过程的时程数据,揭示不同峰值的地震动作用时加固滑坡体加速度、抗滑桩弯矩、桩土间的动土压力和锚索轴力的定量化响应规律,为验证和发展锚索抗滑桩的抗震设计理论、数值模拟方法、厘清抗震加固机制及破坏模式提供翔实的资料。