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土木工程畢業(yè)設(shè)計參考文獻
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土木工程畢業(yè)設(shè)計參考文獻
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土木工程畢業(yè)設(shè)計論文
論文題目：高烈度地區(qū)非線性土體--樁--結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究
1、本文的研究背景
我國是一個多地震國家，地震分布極其廣泛，7度以上的地震區(qū)約占國土面積的一半。
地震作為重大的自然災(zāi)害，給人類社會造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。
縱觀歷史，駭人聽聞的唐山地震、日本阪神地震、土耳其地震以及XX年汶川地震等，均造成了慘重的損失，使人類的心靈受到了嚴(yán)重的創(chuàng)傷
樁基礎(chǔ)是一種歷史較長而又應(yīng)用廣泛的深基礎(chǔ)型式，能較好地適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件以及各種荷載情況，特別是在軟弱地基上采用得較多。
與其它基礎(chǔ)型式相比，樁基礎(chǔ)具有承載能力大、穩(wěn)定性好、差異沉降小等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、高層建筑、港口碼頭、海洋平臺和火電及核電站結(jié)構(gòu)中。
樁基能提高地基承載力，是預(yù)防地基失效的重要抗震措施：在非液化地基中，樁基能減少基礎(chǔ)附加沉降、減輕震害;即使在液化地基中，只要樁尖深入持力層，也能減輕震害。
歷次國內(nèi)外地震震害調(diào)查表明，樁基支承的建(構(gòu))筑物的震害輕于非樁基支承的同類建(構(gòu))筑物。
1976年唐山地震后，有關(guān)部門曾調(diào)查了天津地區(qū)102項樁基建筑工程的震害情況，發(fā)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生震害的僅7項，震害遠較天津地區(qū)天然地基淺基礎(chǔ)上同類結(jié)構(gòu)的少且輕，樁基發(fā)生震害的僅有3項。
然而，樁基礎(chǔ)作為預(yù)防地基失效的重要抗震措施，在地震中其本身也遭受了嚴(yán)重的破壞。
在實際的樁基礎(chǔ)震害中，有大量上部結(jié)構(gòu)的破壞并不是由于結(jié)構(gòu)的慣性力引起，而是由于如液化、地基失效等場地因素導(dǎo)致樁基損壞，從而使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生落梁等嚴(yán)重破壞。
我國已建的和擬建的高層建筑及橋梁大部分位于沿海地區(qū)和大江大河下游地區(qū)，這些地區(qū)軟土和飽和土層分布廣泛，場地條件對于抗震而言極為惡劣，可以預(yù)想，一旦發(fā)生地震，樁基礎(chǔ)可能嚴(yán)重受損。
大量的地震事實告訴我們，由地震引起的樁基破壞機制與地震時樁的受力情況有關(guān)，在地震荷載下，土-樁-上部結(jié)構(gòu)作為一個整體振動，相互影響。
因此，研究樁-土-結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性和動力響應(yīng)，以及在地震作用下的受力特點及破壞機理，應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律及其重要。
2、選題的目的和意義
模擬結(jié)構(gòu)-地基動力相互作用問題一直是模型試驗中的重大的理論與實踐問題，開展地基-結(jié)構(gòu)動力相互作用體系的振動臺模型試驗研究，其理論意義在于可以發(fā)展和豐富振
動臺模擬試驗技術(shù)和動力相似理論，為在實驗室模擬實際結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo);獲得一整套試驗
數(shù)據(jù)，為開展計算分析研究、驗證其力學(xué)模型和計算方法的合理性奠定基礎(chǔ)，從而豐富和
發(fā)展結(jié)構(gòu)-地基相互作用理論;其實踐意義在于可以驗證理論與計算分析的研究成果，為工程設(shè)計提供依據(jù)。
本文通過采用較先進的土箱裝置，以三種不同性質(zhì)土作為模型土進行振動臺試驗，通過試驗研究在小、中、大震下單樁、三樁及六樁等典型群樁群樁的慣性相互作用和運動相互作用規(guī)律，
了解土中樁基和結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有關(guān)規(guī)律，研究樁在破壞前后的抗震性能，并進而研究地震作用下土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用的機理。
同時，通過理論分析方法與試驗結(jié)果的比較，驗證有關(guān)分析方法的可靠性。
3、國內(nèi)外研究綜述
3.1 國內(nèi)外地震模型理論綜述
3.1.1國外的研究方法
1970年，penzien等對地震作用下的土-樁-橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提出了一套非線性分析方法。
penzien模型把土-樁-橋梁系統(tǒng)離散成一個理想化的集中質(zhì)量參數(shù)系統(tǒng)。
用三元件模型模擬粘土介質(zhì)的動力性狀，連接毗鄰兩個質(zhì)量的每一裝置，由一個雙線性滯后型彈簧和一個非線性阻尼器所組成，兩者相互并聯(lián)，
然后再與非線性阻尼器串聯(lián)，研究結(jié)果表明，當(dāng)樁較長，土又較硬時，樁土相互作用對橋梁的動力特性影響不大;只有當(dāng)土較軟，樁又較短時，樁土相互作用對橋梁的影響才顯著。
他們的方法至今仍被廣泛應(yīng)用。
1978年，matlock和foo開發(fā)了動力winkler地基梁分析程序spasm8(seismic pile analysis with support motion)。
他們采用的方法考慮了上部結(jié)構(gòu)的影響，將單獨確定的自由場土位移作為輸入激振，采用離散單元力學(xué)相似模型表示不同荷載和約束條件下的樁。
每一結(jié)點中土-樁的耦聯(lián)是通過多元摩擦塊、彈簧和阻尼器的組合來模擬的。
土的模型容許在初始彈性狀態(tài)范圍之外將強度的降低表示為撓度和撓曲反復(fù)次數(shù)的函數(shù)。
為了合理地模擬的土-樁相互作用，在上部土層容許形成間隙。
借助支座相對樁的初始零撓度點的移動來模擬側(cè)向土運動。
土的反力-撓度性能曲線根據(jù)試驗結(jié)果得出，用具有某些線性阻尼的非線性模型表示土-樁的耦聯(lián)關(guān)系。
19XX年，nogami等(提出了一種新模型，該模型通過積分平面應(yīng)變的方法來分析單樁和群樁。
這種模型也是基于winkler假設(shè)發(fā)展的，并且特別注意到了在動力荷載下，樁軸的鄰近區(qū)域引起強烈的非線性這一條件;并給出了與頻率無關(guān)的質(zhì)量、彈簧和阻尼器的簡化公式。
該模型可以以相對簡單的方式進行時域非線性分析。
由于模型本身能產(chǎn)生動力效應(yīng)，它的參數(shù)可通過土-樁系統(tǒng)的靜力性能或在靜力條件下發(fā)展的合理的p-y曲線得到，并且在土-樁界面對裂縫進行了特殊的考慮，
1995年，el naggar和novak提出了在瞬態(tài)動力荷載和諧和荷載作用下單樁和群樁橫向反應(yīng)的分析模型。
模型考慮了土的非線性行為、樁土界面的不連續(xù)條件和不同類型阻尼的能量耗散。
模型中，樁用普通的梁單元模擬。
每一土層的土介質(zhì)被分成兩個環(huán)狀區(qū)域，內(nèi)場區(qū)域考慮非線性，遠場區(qū)域考慮波從樁往外傳播。
1999年，boulanger等通過離心機試驗和理論分析對非線性動力winkler地基梁法進行了評估。
他的分析是基于有限元平臺geofeap進行的，所采用的模型如圖2.6所示。
自由場土柱與樁之間用非線性p-y彈簧和阻尼器相連。
非線性p-y行為由彈性分量、塑性分量和裂縫分
量串聯(lián)起來
3.1.2國內(nèi)的研究方法
陳熙之等(1985)采用集中參數(shù)法研究了樁-土-結(jié)構(gòu)-水體系相互作用的彈塑性地震反應(yīng)。
樁附近的土簡化為串聯(lián)的多質(zhì)點系，稱為等價土體系;遠離結(jié)構(gòu)物的場地土不受結(jié)構(gòu)存在的影響，稱為自然地基體系;在自然地基與等價體系之間用水平彈簧和阻尼器相聯(lián)系。
水對結(jié)構(gòu)的動力影響包括水的附加質(zhì)量引起的慣性力及動水阻力。
袁萬城(1990)提出了考慮sspsi的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析，可以等價為一維非線性場地地震反應(yīng)分析與考慮樁周土彈性約束作用的多點激振下的非線性地震反應(yīng)分析的方法。
樁周土的約束作用可用土彈簧來模擬，土彈簧剛度采用m法確定。
這種方法實際是簡單了的winkler地基梁模型。
范立礎(chǔ)等(1992)和胡世德等(1994)將之分別用于分析上海南浦大橋和江陰長江公路大橋縱向地震反應(yīng)分析。
朱晞和王大慶(1992)采用penzien模型，土彈簧剛度用m法計算，他們認(rèn)為這樣處理能滿足工程要求。
嚴(yán)士超和杜一平采用了penzien模型對電視塔-樁-土相互作用地震反應(yīng)進行分析。
鄭海榮(1992)采用penzien模型分析了樁-土-橋墩-流體相互作用體系的地震反應(yīng)，研究表明：是否采用非一致輸入對反應(yīng)的影響較大，但土體附加質(zhì)量的大小對橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動特性影響甚微，對結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的影響也不大，可以不計。
魏琴等(1994)采用類似模型分析樁-土-橋梁結(jié)構(gòu)相互作用地震反應(yīng)，但自然地基體系與等價土體系之間的等價水平土彈簧剛度采用m法計算。
蒯行成等(1998)采用動力winkler地基梁模型，在求得有限長樁運動微分方程通解的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出了層狀土中樁單元復(fù)剛度矩陣。
提出了計算層狀土中單樁動力阻抗的方法。
孫利民等(1999，XX)改進了penzien模型，將原模型的單樁模型變?yōu)槎鄻赌Ｐ�，�?樁間的水平相互作用阻尼采用lysmer等(1966)提出的用粘性阻尼器模擬波動能量向半無限場地逸散的理論來計算。
3.2 國內(nèi)外振動臺試驗綜述
3.2.1 國外振動臺試驗總結(jié)
1969年，日本的kubo第一個注意模型相似率而進行模型樁振動臺試驗。
他在砂箱里用不同頻率的水平方向的正弦激勵進行振動臺試驗。
所采用的模型樁一端固定于臺面上，模型土為砂土和油的混合物以模擬軟土場地。
試驗表明，隨著輸入臺面運動頻率的增加，土層表面運動水平隨之增加;樁體上的最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在樁頂位置，并隨樁深度逐漸減少。
yao(1980)將鋁管群樁打入淤泥粘土進行靜力橫向荷載試驗和振動臺試驗。
當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的自振頻率與土層的頻率一致時測到強烈的共振反應(yīng)。
mizuno和iiba(1982)最早對模型施加地震時程激勵的，并對模型的相似關(guān)系進行了全面的討論。
他們以一11層的公寓建筑為原型，用聚丙烯酰胺(polyacrylamide)和斑脫土(bentonite)的混合物來制造彈性土介質(zhì)，
在土介質(zhì)周圍用含水飽和的聚氨酯泡沫塑料來模擬matsuda等(1988)采用分層土箱進行了飽和砂土振動臺試驗。
在制作場地土模型時采用了一種新的方式，即：
首先將砂土加入到容器里，同時從容器的底部注入加壓水，使振動臺不斷地振動，從而將土中的氣泡排出，最后停止水的注射，排干土平面的水，使土顆粒下落和沉積。
采用這種方式，幾乎能夠?qū)馀輳耐林信疟M，土顆粒均勻沉淀。
這種方式特別適合制作飽和或部分飽和砂土場地模型。
3.2.2 國內(nèi)振動臺試驗總結(jié)
19XX年韋曉首先采用剛性土箱進行了一系列的試驗，包括單柱樁墩模型、單墩群樁模型、雙墩群樁模型試驗。
試驗結(jié)果表明：采用單墩比雙墩結(jié)構(gòu)形式不利于橋墩結(jié)構(gòu)的抗震;相反雙柱墩卻比單柱墩結(jié)構(gòu)形式不利于樁基的抗震;單柱樁墩對抗震不利，
因為單柱墩沒有足夠的側(cè)向約束，容易形成樁-土的脫離，加上上部結(jié)構(gòu)的慣性力作用，很容易引起單樁墩柱的彎曲剪切破壞。
XX年，陳躍慶等采用圓筒型柔性容器進行了兩個階段的試驗。
第一階段為均勻土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)相互作用試驗，以上海軟土為模型土原型，小高層建筑為結(jié)構(gòu)原型，樁基為混凝土樁。
通過試驗分析得到：
由于上部結(jié)構(gòu)的振動反饋，改變了基底地震動的頻譜組成，使基礎(chǔ)處的地震動與自由場地震動不完全相同，基礎(chǔ)處的有效地震動輸入比自由場地震動小，與體系頻率接近的分量獲得加強，
而有些頻率分量則減弱;體系的反應(yīng)與輸入地震動的頻率成份有很大關(guān)系。
第二階段為分層土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)相互作用試驗，模型土自上而下分別為粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土和砂土。
試驗中采用了1/10和1/20兩種比例模型研究結(jié)構(gòu)-地基相互作用體系的動力相似關(guān)系，在試驗加載的全過程中，當(dāng)激勵較小和激勵較大時，試驗結(jié)果具有很好的相似關(guān)系，在中間階段，兩者存在差異。
影響兩個縮尺模型在試驗中間階段的相似關(guān)系的主要原因是土體在地震激勵下非線性發(fā)展程度的差異。
XX年，王文劍等采用剛性土箱進行了土-結(jié)構(gòu)相互作用對tmd振動控制影響的振動臺模型試驗研究。
試驗表明：土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用使體系的頻率明顯降低，阻尼比增大;樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用使tmd振動控制效率降低，其控制效應(yīng)的變化情況遠比剛性基礎(chǔ)上的復(fù)雜。
4 論文的研究內(nèi)容和研究方法
4.1本文的研究內(nèi)容
本試驗的主要內(nèi)容有：
4.1.1制作模型箱，設(shè)計制作上部結(jié)構(gòu)—phc管樁—土的物理模型;
4.1.2測定模型箱的頻率和阻尼;
4.1.3測定模擬土體的土體材料及混合材料的相關(guān)動力學(xué)參數(shù);
4.1.4針對單樁、典型群樁(3樁、6樁)三種情況，模擬7度與8度以及9度地震烈度，施加地震波振動試驗，獲得樁基的動力特性和動力響應(yīng);
4.1.5觀察分析樁基的地震后形態(tài)，并分析phc管樁在地震作用下的受力特點，應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律
4.1.6采用有限元軟件計算試驗中模型，通過對比計算機計算結(jié)果與試驗測得結(jié)果，驗證分析方法的正確性
4.2試驗相關(guān)設(shè)計介紹
4.2.1 模型箱
將土箱設(shè)計成由18層獨立的長方形框架疊合而成的長方體容器。
容器內(nèi)尺寸為：長2.0米，寬1.5米，高2.0米，每層鋼框架由四根斷面為100×100mm的方鋼管焊接而成。
4.2.2 相似比
根據(jù)1:15的幾何相似比，樁模型尺寸設(shè)計如下：每根管樁長1500mm，外徑40mm，壁厚7-9mm。
單樁模型承臺為200mm×200mm正方形，3樁模型為正三角形布置，樁距220mm，承臺尺寸為420mm×420mm。
6樁模型為2×3矩形布置，雙向樁距均為220mm。
承臺為長方形，尺寸為560mm×360mm×100mm(長×寬×高)。
4.2.3 激勵荷載
本次試驗，基本烈度定為7度與8度，每種烈度均擬采用2條地震波與1條人工波作為試驗的地震波。
其中采用el-centro波，taft波和人工波
4.2.4 測點布置
試驗采用加速度計、位移計測量測承臺、樁體以及土體的動力響應(yīng)，采用應(yīng)變片量測樁體的應(yīng)變變化，采用孔隙水壓力計測量土體孔隙水壓力，采用土壓力計測定樁土間壓力。
在承臺表面布置1個加速度計;沿樁體由上到下較均勻地布置4個加速度計，同時考慮上密下疏，并考慮土層變化處;
3樁承臺時每根模型，6樁承臺時選用對稱一邊的三根樁樁沿樁體由上到下均勻布置7個加速度計;
所有試驗均在振動臺表面布置1個加速度計;土體表面布置2個加速度計，1個位于模型箱中部，1個靠近邊緣處。
試驗中每根樁沿樁體縱向由上到下較均勻地選取4個斷面布置應(yīng)變片，同時考慮上密下疏，并考慮土層變化處。
每個斷面處布置4個縱向應(yīng)變片，。
試驗中沿著上部結(jié)構(gòu)分別布置2個位移計，并在承臺表面布置1個位移計。
沿樁體在土體中縱向由上到下較均勻地選取3個孔隙水壓力計，同時考慮上密下疏，共布9個孔隙水壓力計。
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