高烈度地震區(qū)HC管樁土結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺試驗(yàn)

高烈度地震區(qū)PHC管樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺試驗(yàn)論文概要一、課題背景及文獻(xiàn)綜述二、振動(dòng)臺試驗(yàn)介紹三、振動(dòng)臺試驗(yàn)結(jié)果及分析四、試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀邢拊?jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對照分析五、結(jié)論一、課題背景研究背景及意義課題提出及研究意義研究內(nèi)容與思路1、研究背景及意義土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用（SSPSI）地震荷載作用下，土-樁-結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體振動(dòng)相互影響

帶來不利影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性改變：自振周期延長、振型改變、阻尼改變結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)改變地基運(yùn)動(dòng)特性改變：接近結(jié)構(gòu)自振頻率的分量放大土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用示意圖2、樁基礎(chǔ)在地震中的破壞相對來說，樁基礎(chǔ)是抗震性能較好的一種基礎(chǔ)形式，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。樁基礎(chǔ)主要破壞形式：樁與承臺連接處軟弱土層液化處土層軟硬層交界處3、PHC管樁特點(diǎn)即預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土樁，采用先張法，經(jīng)過離心脫水預(yù)制而成優(yōu)點(diǎn)：樁身強(qiáng)度和承載力高，價(jià)格便宜樁身耐打，穿透能力強(qiáng)沉樁速度快，功效高，工期短缺點(diǎn)由于研究資料少，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定抗震設(shè)防烈度為8度及以上地區(qū)，不宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC）和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁（PS）。我國又是個(gè)多地震的國家，有大量的國土面積位于8度及以上的高烈度區(qū)域，在這些廣大地區(qū)，如果不能使用各方面性能、優(yōu)點(diǎn)都很突出的PHC管樁，將是社會(huì)財(cái)富的一大損失，由此引出本文課題，對PHC管樁在地震荷載作用下土-樁-結(jié)構(gòu)的相互作用（SSPSI）進(jìn)行一定的研究，并對其在高烈度地區(qū)的使用效果進(jìn)行一些探索。4、課題提出及研究意義5、研究思路及研究內(nèi)容首先，查閱大量文獻(xiàn)，總結(jié)了關(guān)于土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用的理論分析方法及試驗(yàn)方法。其次，設(shè)計(jì)PHC管樁-土-上部結(jié)構(gòu)相互作用體系的振動(dòng)臺試驗(yàn)。試驗(yàn)從實(shí)際情況出發(fā)，盡量充分地考慮了模型與原型的相似模擬。然后，根據(jù)振動(dòng)臺模型試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了相互作用體系的地震反應(yīng)規(guī)律。最后，利用有限元程序ABAQUS對土-樁-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系進(jìn)行了計(jì)算分析，通過與振動(dòng)臺試驗(yàn)結(jié)構(gòu)對比分析，驗(yàn)證了有限元計(jì)算模型的合理性和振動(dòng)試驗(yàn)采集結(jié)果的可靠性。二、

試驗(yàn)介紹1、振動(dòng)臺選擇2、模型土箱設(shè)計(jì)3、模型材料及相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)4、測點(diǎn)設(shè)計(jì)布置5、激勵(lì)地震波選擇

振動(dòng)臺

試驗(yàn)于2011年10月在同濟(jì)大學(xué)土木防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)室進(jìn)行，該振動(dòng)臺最大承載重量為25T。模型土箱

采用同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)有層狀剪切模型箱，其外形尺寸為2100×1700mm×2040mm（長×寬×高）。1、設(shè)備選擇樁

采用有機(jī)玻璃管制作管樁模型，確定基本長度相似比

為1:15。承臺

根據(jù)相似比設(shè)計(jì)三個(gè)試件承臺，均采用微粒混凝土（灌漿料）澆筑而成，上部結(jié)構(gòu)實(shí)際為多層廠房，根據(jù)力的相似比，簡化為高度為1500mm的實(shí)心鋼柱。土體

確保各層土容重、含水率、孔隙比等物理指標(biāo)的相似性。2、模型材料及相似關(guān)系試驗(yàn)采用加速度計(jì)、位移計(jì)測量測承臺、樁體以及土體的動(dòng)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(jì)測量土體孔隙水壓力，采用土壓力計(jì)測定樁土間壓力。3、測點(diǎn)布置4、加載機(jī)制-地震波選擇1、選用了ELCentro波、Taft波、以及人工波作為激勵(lì)波形，采用單向即X向激勵(lì)

2、地震波峰值調(diào)整

輸入前需對上述地震記錄進(jìn)行調(diào)整。包括地震加速度振幅的縮放和按相似關(guān)系調(diào)整加速度峰值和時(shí)間間隔。三、試驗(yàn)結(jié)果分析介紹從試驗(yàn)現(xiàn)象模型的動(dòng)力特性加速度反應(yīng)、樁身應(yīng)變樁土接觸壓力

總結(jié)歸納土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)律。1、試驗(yàn)現(xiàn)象當(dāng)輸入地震波峰值較小時(shí)，上部結(jié)構(gòu)、土體的振動(dòng)也小，隨著地震波峰值的提高，上部結(jié)構(gòu)、土體的振動(dòng)及體系的相互作用反應(yīng)未必增加，但樁頭的幅值會(huì)增加，樁頭的時(shí)程應(yīng)變也會(huì)增加。在地震波激勵(lì)過程中，土體平均以每次0.5mm速度沉降。單樁試驗(yàn)結(jié)束后，上部結(jié)構(gòu)沿振動(dòng)方向傾斜5度，三樁略有傾斜，六樁幾乎無傾斜。

試驗(yàn)中當(dāng)加速度峰值加大時(shí)，承臺擠壓土體導(dǎo)致土體與承臺之間形成一條裂縫，單樁最明顯，試驗(yàn)結(jié)束后達(dá)到2cm，三樁、六樁試驗(yàn)裂縫都很小，六樁僅有0.5cm。

無論是單樁、三樁、還是六樁液化試驗(yàn)，在地震中發(fā)生液化時(shí)均有明顯的析水現(xiàn)象，且在中震（0.573g）時(shí)最為明顯。試驗(yàn)中均無因地震引起液化所產(chǎn)生的“冒砂”現(xiàn)象。模型自振特性隨著地震波峰值的提高，體系自振頻率逐步減小，阻尼比逐步增大，最后有趨于穩(wěn)定。這是由于振動(dòng)作用使土體逐漸變得疏松，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，剛度逐步下降造成的。因此在地震波激勵(lì)下，土體孔壓比上升，土的動(dòng)剪切強(qiáng)度下降，土的阻尼比增加，土體表現(xiàn)出顯著的非線性特征。工況1工況5工況9工況13工況17工況21頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%土體7.237.536.938.056.939.446.3311.16.038.726.0314.4樁-土7.237.556.938.026.939.436.3310.86.038.576.0314.7工況22工況26工況30工況34工況38工況42頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%頻率HZ阻尼比%土體5.1211.24.8214.14.8213.54.2212.83.6214.43.6214.1樁-土5.1210.54.8214.14.8213.54.2212.83.6214.53.6214.7加速度反應(yīng)主要研究在土-樁-結(jié)構(gòu)中各測點(diǎn)加速度峰值放大系數(shù)、加速度時(shí)程曲線和其傅氏譜加速度放大系數(shù)

地震波在向上傳播過程中，有被放大（或縮?。┑内厔?，加速度峰值放大系數(shù)定義為垂直方向上各測點(diǎn)反應(yīng)的加速度峰值與地震臺輸入地震波加速度峰值的比值。加速度時(shí)程曲線和其傅氏譜

加速度時(shí)程及加速度時(shí)程曲線，傅氏譜及傅立葉頻譜，即某段波形中各種頻率出現(xiàn)的概率比

2、加速度放大系數(shù)（1）中、大震（0.573g、1.123g）下的加速度放大系數(shù)明顯小于小震（0.279g）下的放大系數(shù)。究其原因是隨著輸入振動(dòng)強(qiáng)度的增加，土體非線性增強(qiáng)，土體傳遞振動(dòng)的能力減弱。（2）土體傳遞振動(dòng)的放大還是減震作用于土體性質(zhì)、激勵(lì)波類型、激勵(lì)強(qiáng)度等因素有關(guān)。在本試驗(yàn)，各層土體一般都起起減震作用。（3）隨著測點(diǎn)與模型想底部距離越大，土體的加速度峰值會(huì)逐漸減小，到達(dá)土體表面時(shí)會(huì)急劇放大，土體的加速度反應(yīng)在高度上呈“K”字形分布。加速度放大系數(shù)圖加速度魂頻譜分主析地震瓶波從聲臺面稅經(jīng)由份樁-土體王系傳哈到土障體并豎向上朵部結(jié)落構(gòu)傳條遞過小程中蛛，頻笑譜特意性發(fā)壘生了醋很大攏變化吸，在美地震棟波激今勵(lì)下牲靠近稀土體執(zhí)的輸振入頻騎率被僅放大，其他頻夠率范圍會(huì)減弱。3、樁蘇身應(yīng)沸變幅斗值單樁與三瞇樁試湖驗(yàn)中應(yīng)變桐幅值俘樁頂疏端出移最大炒，沿行著樁凱身往卵下逐港漸衰異減，綿在大停震是福粉土思與沙鎮(zhèn)土層蓮樁身管應(yīng)變啞會(huì)有蝕局部磚放大斃突變惕。六樁降試驗(yàn)透中樁外的應(yīng)匯變幅意值最神大處道出現(xiàn)狗在離飲樁頂廉約10倍樁棒徑處皮。隨著輸煩入地震拐波激勵(lì)飾強(qiáng)度增搖加，樁患身的應(yīng)笛變反應(yīng)劃增大。六樁缸振動(dòng)忘方向拘布樁疲較密憤，六患樁試籮驗(yàn)時(shí)幸樁的好應(yīng)變柱基本穗呈線庸性發(fā)態(tài)展，申這在頭六樁仙液化魚試驗(yàn)楚中尤舒其明俯顯。樁身應(yīng)浸變幅值構(gòu)圖單樁憶試驗(yàn)紅應(yīng)變?yōu)姆荡祱D六樁艷試驗(yàn)鉛應(yīng)變輝幅值衣圖4、樁接土接憑觸壓附力（1）無論皆是單退樁、豈三樁肝還是弊六樁詢，隨盟著加寬速度衰峰值通的增介加，精樁土尤接觸蜂壓力導(dǎo)隨振濫動(dòng)強(qiáng)嘩度的爹增大受而增桐大。（2）非怕液化目情況椒下，墓樁土限接觸圣壓力秒呈現(xiàn)塑出上閑部大史，下徒部小炎的趨癢勢，衛(wèi)其中勞單樁銜試驗(yàn)搞表現(xiàn)恭最為稻明顯零，這歌是因固為在江地震右波作說用激盟勵(lì)下棉，樁狐的上賀部與遮土?xí)町a(chǎn)生靠一定辛脫離笑，而階下部卡接觸業(yè)良好酷，三咱樁與獻(xiàn)六樁埋試驗(yàn)擁與單碗樁試厲驗(yàn)規(guī)夜律基嫂本一鴨致，隆但由豪于群嬸樁效瞞應(yīng)，卷樁與遞土的頃脫離找基本計(jì)很小腿了。（3）液化縮慧試驗(yàn)時(shí)薪，樁體悲上部的四砂土層桑發(fā)生液掩化，樁稿土接觸遼壓力急隨劇下降稠，樁體廈中部、熱下部的炎粉土、苦粘土層鐮樁土界海面壓力蘇明顯增腔大，輸貫入的振肉動(dòng)強(qiáng)度醋越大，欣這種現(xiàn)津象越明越顯。樁土接五觸壓力釋圖單樁爺液化門試驗(yàn)攤樁土載壓力添圖單樁常施規(guī)試驗(yàn)違樁土壓樹力圖四、試態(tài)驗(yàn)理論拘計(jì)算分蟲析計(jì)算掙模擬嘴的意級義根據(jù)床土-樁-結(jié)構(gòu)相雀互作用腫振動(dòng)臺巴試驗(yàn)取牽得的實(shí)梯驗(yàn)數(shù)據(jù)痛，對振錢動(dòng)臺試螞驗(yàn)試驗(yàn)傾過程進(jìn)無行實(shí)體鏈模型計(jì)統(tǒng)算，實(shí)滅體模型掌計(jì)算可供以驗(yàn)證揪理論分追析方法緩和計(jì)算澡模型的匠可靠性貫，并由催此確定懷模型的狠參數(shù)取單值。而瓦且通過禿實(shí)體?？绦陀?jì)算穿還可以樸獲得振紫動(dòng)臺試兆驗(yàn)中無哀法采集旁的相關(guān)艦數(shù)據(jù)，掘從而能蟲更深層辰次研究卵地震荷殿載下土-樁-結(jié)構(gòu)緊動(dòng)力疊相互族作用師的規(guī)維律。嗎因此腫振動(dòng)滴臺模雕型試統(tǒng)驗(yàn)和什實(shí)體私模型猶計(jì)算雞可以薯互相花驗(yàn)證留，互椅相補(bǔ)欺充。計(jì)算程強(qiáng)序選用ABA店QUS有限逮元計(jì)雀算程芽序加速度敏時(shí)程對草比計(jì)算羨模擬失與試耗驗(yàn)實(shí)柳測加嘆速度橋時(shí)程尊曲線中比較轟吻合抱，測肺點(diǎn)隨策時(shí)間望的變盛化趨膊勢基每本保車持一弓致。計(jì)算存縫在局部喇收斂問號題，導(dǎo)否致曲線隊(duì)時(shí)長不拘一樣加速度包放大系山數(shù)加速題度放我大系呢?cái)?shù)傳填動(dòng)規(guī)珠律比易較接湊近，巨但是他上部漂結(jié)構(gòu)斧計(jì)算邀值偏采大，像這是鼓因?yàn)樽栽谟?jì)釋算時(shí)就土體聚的非漏線性敬與試短驗(yàn)時(shí)殖存在懇差別烏。樁身應(yīng)辜變幅值存在獲差異醉原因庫：計(jì)算模婆擬模擬未功能有效超考慮樁香土之間凝的擠壓協(xié)與摩擦未能斷充分公考慮稿土體腰非線楊性。上部結(jié)暖構(gòu)位移上部踐結(jié)構(gòu)駐位移映規(guī)律毛一致程，但屬大震它差異跪較大伸，原釘因是瓣因?yàn)楸⒂?jì)算鍬時(shí)對嚼土體割非線紐奉性考譽(yù)慮不葛足