层状双向剪切模型箱的设计及振动台试验验证

层状剪切模型箱是土-结动力相互作用振动台试验中的重要设备.针对地下结构非一致地震作用振动台阵试验,设计了能够在相互垂直的两个方向上均满足层间剪切变形的模型箱,并利用自由场振动台试验结果对模型箱性能进行了检验,提出采用2-范数偏差方法对模型箱边界效应进行了定量分析和对比.结果表明,所研制的模型箱性能良好,能够正确模拟原型场地的水平地震动特性,采用2-范数偏差方法能够较好地描述模型箱的边界效应.     

振动台试验叠层剪切型土箱的研制

在总结国内外振动台试验用土箱的基础上,研制了一个15层叠层方钢管框架并辅之以双侧面钢板约束的叠层剪切型模型土箱,钢管框架层间相对运动和垂直振动方向两边界的自由运动大大削弱了土箱边界效应。平行振动方向土箱两侧安装4根立柱,立柱上安装与土箱侧壁接触的若干轴承以限制箱内土体的转动。采用正弦波激振的扫频法测量了模型土箱的自振频率,与ABAQUS软件模拟的计算结果基本一致;采用脉冲信号激振的自由振动法,测量了土箱的阻尼比;进行了正弦波和地震波激励的自由场地振动台试验研究,测试了模型地基地表和1m深处的加速度时程,提出边界效应指数作为衡量土箱边界效应的指标并对几种土箱进行了比较。结果表明:设计的叠层剪切型土箱能较好地模拟自由场地的边界条件,比较理想地削弱了边界上地震波的反射或散射效应。     

成层地基–桩基–结构动力相互作用体系的计算分析

以一个1∶2大比例模型结构–地基的动力相互作用模型试验为基础,结合通用有限元程序MSC.Marc,对成层地基–桩基–结构动力相互作用体系进行了三维有限元分析。计算中采用考虑土非线性特征改进的黏弹性人工边界模拟外部土域,利用考虑动力相互作用中桩土分离、滑移以及桩基提离效应的接触模型反映桩土接触界面特性,并引入阻尼项表征桩土动力作用中的能量损耗,土体采用等效线性模型。通过计算分析与试验的比较研究,验证了计算模型和分析方法的合理性,进行了地震动输入下的地震反应分析,为地基–结构动力相互作用的进一步研究奠定了基础。     

可液化土–高层结构振动台试验的土性参数识别

 基于已进行的可液化地基–桩–高层结构振动台试验,利用参数识别技术对试验记录的土体加速度和孔隙水压力进行分析,研究场地液化机制及土的动力特性。由振动台试验的土体加速度记录,通过剪切梁模型,求出土体的动剪切应力–剪切应变曲线,研究土体的动剪切模量及阻尼特性随动剪切应变的变化关系,并进一步研究土体剪切波速、有效应力路径及桩和土的剪切应变等情况。结果表明：在较强地震激励下,动剪切应力和动剪切应变滞回圈更饱满,表现出更强的滞回特性;土的刚度随着深度的增加而增大;孔压比存在明显的上升,孔隙水压力增长对土的剪切波速有影响,土的刚度随着孔隙水压力的上升而降低;利用参数识别技术得到的土的刚度与土动力性质试验得到的结果比较一致,而阻尼要高于土动力性质试验的结果;群桩内外土体的剪切应变形状相似,外侧土体的剪切应变比内侧土体的剪切应变大。该土性参数识别技术对于研究液化场地及液化场地中结构的抗震设计具有一定的参考价值。     

局部液化夹层场地土–结接触特性对地下结构地震响应的影响研究

当地下结构穿越液化土层，场地液化可能会对结构的动力响应产生影响。基于已开展的局部液化夹层场地地下结构离心机振动台模型试验，建立二维局部液化场地土–结构动力相互作用的有限元模型。计算模型考虑砂土液化后易产生剪切大变形的特点以及饱和两相介质与结构接触的非线性特性，通过与试验结果对比，验证数值模型的正确性，进一步分析土–结构接触非线性特性对结构地震响应的影响。研究结果表明：孔压的增长是由于地震作用的累积效应；近场砂土由于土结相互作用的存在超孔压比上升的更快，且由于土与结构变形不协调而更易消散；对于局部液化夹层场地，土结捆绑接触会放大结构的地震响应，随着地震动强度的增大，砂土层液化程度提高，场地非线性特性增强，土结刚度差异增大，土结界面采用捆绑接触所带来的误差越大，故应合理考虑土结界面接触非线性问题。     

地震作用下可液化土的数值模拟与试验验证

将有限差分法程序用于可液化土的地震响应分析,采用动力和流体的流固耦合理论分析了振动过程中土体孔隙水压力的产生、扩散与消散,并对液化场地桩-土-结构相互作用体系振动台试验进行了三维数值模拟;通过与振动台试验数据的对比分析,验证了计算模型的可靠性和合理性。结果表明：采用的方法能较好地模拟可液化土的动力特性,所得结论为液化场地土-结构相互作用体系动力分析提供了参考。     

锯末混合土场地模型振动台试验研究

在北京工业大学九子振动台台阵系统上开展了一系列锯末混合土场地模型试验,试验中模型箱采用装配式连续体刚性模型箱,其尺寸为7.7 m(长)×3.2 m(宽)×1.2 m(高),输入地震动时程采用El Centro地震动记录和天津地震动记录,地震动输入方向为水平横向和水平纵向。通过场地模型振动台试验,验证了设计的模型箱的较小的"边界效应"影响程度,同时考察了锯末混合土场地模型的动力特性及其变化规律。对部分试验结果,包括场地反应的地震动峰值加速度及其动力放大系数、加速度时程及其频谱,进行了具体分析。试验结果表明:本次使用的装配式连续体刚性模型箱边界效应处理效果良好,同一水平面上不同部位土体反应的加速度仅有较小差异;随着地震动输入强度的增大,同一测点反应的峰值加速度总体上在增大,但其加速度动力放大系数总体上呈现减小的趋势,反应的频谱组成从较高频率向较低频率移动。这些结果说明,随着地震动输入强度的增大,土体由于刚度发生变化而相对变软,土体模量逐渐降低。     

液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用振动台试验模型相似设计方法

当今，模拟振动台试验是研究工程抗震能力与破坏机理的重要手段之一。模型相似设计是确保振动台试验能够尽可能真实地反映原型动力性状的关键之一。基于目前广泛应用的Bockingham π定理，主要采用量纲分析方法，并且结合考虑模型与原型之间的材料变形应力-应变本构关系及桩-土接触边界动力响应相似性，求解液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用振动台试验的模型设计相似关系，同时提出人工质量问题的解决办法。     

动静耦合剪切模型箱的设计分析及试验验证

根据地层在地震中的响应特性,设计了一种动静耦合剪切模型试验装置。该装置是由侧板组件、阻尼组件和端面板组件组成的可剪切变形的空间结构体。目前在研究隧道工程结构地震响应机理的动力试验中所采用的模型箱主要有刚性模型箱、柔性模型箱以及层状剪切模型箱,但这3种模型箱因各自的结构特点都具有一定的缺陷和不足。为了能够更好地满足静力及动力边界效应,设计了该新型试验模型箱,并通过振动台动力试验验证该模型箱的有效性。基于该模型箱提出并验证了利用拟静力试验方法研究隧道的振动响应。通过拟静力试验和动力试验结果的对比,认为拟静力试验可以一定程度替代动力试验。     

跨断层地下管线振动台模型试验研究Ⅱ:试验成果分析

针对跨断层地下管线进行振动台模型试验研究。试验中将钢管埋设在一个盛装砂土、可以模拟走滑断层错动作用的模型箱中,研究地下管线在承受断层错动时应变的分布规律和管周动土压力变化规律,并考察地下管线与断层的夹角以及管内水体的影响。试验结果表明:在跨断层地下管线中,管-土系统本身的动力效应的影响较小,可以忽略不计,而管内液体可能有较大的影响,不可忽略;在无法避开断层区域的情况下,地下管线最好与断层垂直;管线的最大应变发生在断层附近一定距离的位置;管-土动力相互作用及其变化规律对管道响应影响很大。     

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问滚珠轴承构成，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。     

地基自由场离心机振动台模型试验研究

在清华大学土工离心机实验室50g 离心场环境中进行了一系列地基自由场离心机振动台试验。试验包括1个砂土地基、1个黏土地基和2个成层土地基振动台试验。试验中模型箱采用叠环式模型箱,其平面尺寸为0.5 m和0.2 m,试验中输入地震波采用Kobe波和Parkfield波。给出了部分试验结果分析,包括加速度时程及频谱反应、加速度峰值放大系数和土层中剪应力-剪应变变化曲线。试验结果发现,不同类型地基中加速度反应存在差异,在低频部分加速度峰值放大系数从底部到顶部逐渐增大。土体中剪应力-剪应变变化规律在砂土地基和黏土地基中存在差异。     

振动台土–箱结构模型动力特性及反应的解析分析

在振动台模型试验中,模型箱的设计直接影响到结果的准确性和可靠性。指出了叠层剪切型模型箱存在的主要问题有模型箱的附加质量、层间的摩阻力以及最大位移的限制。基于剪切梁法建立了土柱与模型箱相互作用的简化模型,在土体剪切模量均匀分布和沿高度指数分布的情况下,分别推导了其动力特性与反应的解析解,进而讨论了模型箱尺寸、材料对土体动力特性的影响。结果表明：与纯土柱相比,模型箱附加质量使土–箱系统自振频率减小;模型箱尺寸越大,土–箱结构自振频率误差越小;在相同尺寸下,铝合金模型箱的自振频率误差明显小于钢质模型箱。在此基础上建立了模型箱尺寸和材料应满足的公式。该方法可为设计合理的模型箱提供一定的参考。     

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。     

Coupled Shear Strain-Pore Pressure Responses of Soil in Shaking Table Tests

Shaking table tests on a saturated sand specimen in a laminar shear box were performed to measure the coupled shear strain-pore pressure response of sands subjected to horizontal shaking. Three methods of shear strain evaluation techniques, which use soil motions recorded by embedded sensors within the soil specimen and external sensors on frame, were utilized to evaluate the shear strain-time histories in one-dimensional shaking cases. Coupled shear strain-pore pressure responses throughout the liquefaction process are presented based on evaluated shear strains and measured pore pressures at corresponding depths. More insights of the interactions between the induced shear strain and generated excess pore pressure are also given, including the temporal variations of induced shear strain prior and after the initial liquefaction, development of liquefied zone, and duration of liquefaction state. These spatial and temporal variations of coupled responses reveal that the induced shear strain amplitude is not only an important property in triggering soil liquefaction but also a better index in defining the time of initial liquefaction. Identifications of these coupled features will be beneficial for verifying and interpreting testing data in physical modelling for liquefaction studies.     

Large‐scale shaking table test on pile‐soil‐structure interaction on soft soils

The two large‐scale shaking table tests of tall buildings on soft soils in pile group foundations are performed to capture the effect of the seismic pile‐soil‐structure interaction (PSSI) on the dynamic responses of the pile, soil, and structure. The two different model conditions are observed, including a fixed‐base structure and a structure supported by 3‐by‐3 pile group foundation in soft soil, representing the situations excluding the soil‐structure interaction (SSI) and considering the SSI, respectively. In the tests, the superstructure is a tall building with 12‐story reinforced concrete frame. The pile‐soil‐structure system rests in a shear laminar soil container, which is designed to minimize the boundary effects during shaking table tests. The two models are subjected to various intensity seismic excitations of Shanghai bedrock waves, 1995 Kobe earthquake, and 1999 Chi‐Chi earthquake events. According to the experimental and analytical results, SSI systems have longer natural periods than the fixed‐base structure. In addition, soft soil has amplification effect under smaller seismic excitations and isolation effects under larger earthquake intensities. The strain amplitude at the top of pile is large, and the strain at the middle and tip is relatively small. Whereas the contact pressure is small at the top of pile and large at the middle and tip. From the dynamic responses of the superstructure, it is found that the PSSI amplifies the peak displacements and interstory drifts of the structures supported by pile group foundations by comparing with the fixed‐base structure. Whereas the peak acceleration and interstory shear force of the structure are reduced considering seismic PSSI. The results show that the seismic SSI is not always favorable, however, it may increase certain dynamic responses of the structure. Consequently, the seismic SSI should be considered reasonably, providing insight towards the rational seismic design of buildings rested on soft soils.     

Experimental study on seismic response of soilbags-built retaining wall

The seismic performance of soilbags-built retaining wall model was studied experimentally. A series of small-scale shaking table tests with the input of different amplitude sinusoidal waves and a large-scale shaking table test in a designed laminar shear box with the input of the Wenchuan earthquake wave were carried out on soilbags' retaining wall models. For comparison, the small-scale shaking table tests were also conducted on horizontally reinforced retaining wall models. The horizontal acceleration responses, the Fourier spectra, the dynamic earth pressure and the lateral displacements of soilbags' retaining wall models were investigated in shaking table tests. The results show that the seismic response of the soilbags' retaining wall is equivalent to or even slightly better than that of the horizontally reinforced retaining wall. The fundamental frequency and the Fourier spectral characteristics of the soilbags’ retaining wall are similar to those of backfill sands. The dynamic earth pressure of the wall model fluctuates almost synchronously with the input Wenchuan wave and no residual earth pressure is induced by the seismic loading. The permanent lateral displacements are small when subjected to multiple shakings, providing a proof that the retaining wall of soilbags has a good seismic performance.     

软土地基上高层隔震结构模型振动台试验研究

通过对高层隔震结构模型在刚性地基和软土地基条件下进行对比振动台试验,研究软土地基上高层隔震结构的地震反应特性和隔震效果。采用叠层剪切型土箱以减小边界影响,采用粉质黏土作为模型土,考虑基底压力的相似,采用高宽比为4的5层钢框架作为上部隔震结构模型,设计了软土地基上高层隔震结构、非隔震结构以及刚性地基上隔震、非隔震结构的振动台试验模型。试验结果表明：土-结构相互作用（SSI）效应对隔震结构的影响程度较非隔震结构轻;SSI效应显著降低了隔震结构模型的自振频率、增加了体系的阻尼;软土地基上隔震结构能够有效减轻结构的地震反应,但是相对于非隔震结构的加速度反应比值增大,隔震效果降低;SSI效应可能增加也可能减小隔震结构的地震反应,不仅与地震动类型有关还与输入地震动强度相关;软土地基上高层隔震结构基础输入地震动与自由场地震动在反应谱水平上基本一致,采用自由场地震动确定基础输入地震动是可行的,且偏于安全,而非隔震结构基础输入地震动则与地基更深层的地震动接近。