52 地震工程与工程振动第 37 卷试验作为研究地基 - 结构体系地震反应特性的重要方法被大量采用 [1-7] 已经开展的液化场地- 结构体系的振动台试验集中在两个基本问题上 : 地基 - 结构体系失效模式 ; 地震动参数对体系动力特性的影响陈国兴 [2] ; 唐亮 [4] ;RaminMota

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粕进袁
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1 第 37 卷第 5 期 2017 年 10 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.37No.5 Oct.2017 文章编号 : (2017) DOI: /j.eeev xucs.006 考虑地震动持时的液化场地 - 桩基振动台试验设计许成顺 1, 高成 1, 陈苏 2, 杜修力 1 1, 豆鹏飞 (1. 北京工业大学建筑工程学院, 北京 ;2. 中国地震局地球物理研究所, 北京 ) 摘要 : 振动台试验中地震动输入是一个关键因素, 地震动持时压缩是 1 G 振动台试验设计中的重要环节, 地震动持时压缩后, 地震动特性发生改变, 对地基 - 结构体系动力响应产生显著影响为了研究振动台试验中地震动输入特性, 特别是地震动持时压缩对可液化场地 - 结构体系地震非线性动力响应的影响, 本论文较系统地阐述了振动台试验的整体设计思路, 其中重点阐述了相似比设计思路及持时压缩方法模型地基及结构制备叠层剪切型模型箱性能传感器布设及新型传感技术持时压缩后地震动特性的变化数据处理方法成套方案设计思路为振动台试验提供了完备科学的方法关键词 : 地震动持时 ; 振动台试验 ; 液化 ; 测试技术 ; 数据分析方法中图分类号 :TU92 文献标志码 :A Shaking tabletestsdesignonaliquefactionfoundation structure consideringcompresedgroundmotion XUChengshun 1,GAOLiucheng 1,CHENSu 2,DUXiuli 1,DOUPengfei 1 (1.ColegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China; 2.InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China) Abstract:Inputofgroundmotionisacriticalfactorinshakingtabletests,thegroundmotion scompresedmethod isakeyisueon1 Gshaking tabletestdesign.groundmotioncharacteristicsarechangedaftercompresingthe durationofgroundmotion,whichhasanoticeableinfluencetothedynamicresponseofsoil structuresystem.inor dertoinvestigatetheinputgroundmotioncharacteristicsofshakingtabletests,especialyresearchtheefectsof compresingdurationofgroundmotiononthenonlineardynamicresponseofliquefiedfoundation structuresystem, thispaperdemonstratessystematicalytheoveraldesignidea.theexperimentalschemecoversthesimilituderatio design,preparingmodelsoilandstructure,laminatedshearsoilbox,layoutofsensors,new testingmethod, changeofgroundmotion scharacteristicsaftercompresingthedurationofgroundmotionanddataprocesing method.thepackagedesignmethodcanprovideacompletesystematicandscientificideaon1 Gshaking table test. Keywords:groundmotion sduration;shaking tabletest;liquefaction;testtechnique;dataanalysismethod 引言地震液化引起的场地失效是导致工程结构破坏的主要形式之一, 是岩土地震工程研究的热点振动台收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( , ) Supportedby:NationalNaturalScienceFoundationofChina( , ) 作者简介 : 许成顺 (1977-), 女, 教授, 博士, 主要从事岩土地震工程研究.E mail:xuchengshun@bjut.edu.cn

52 地震工程与工程振动第 37 卷试验作为研究地基 - 结构体系地震反应特性的重要方法被大量采用 [1-7] 已经开展的液化场地- 结构体系的振动台试验集中在两个基本问题上 : 地基 - 结构体系失效模式 ; 地震动参数对体系动力特性的影响陈国兴 [2] ; 唐亮 [4] ;RaminMotamed [5] S.MohsenHaeri [6] BarbaraJ.

2 52 地震工程与工程振动第 37 卷试验作为研究地基 - 结构体系地震反应特性的重要方法被大量采用 [1-7] 已经开展的液化场地- 结构体系的振动台试验集中在两个基本问题上 : 地基 - 结构体系失效模式 ; 地震动参数对体系动力特性的影响陈国兴 [2] ; 唐亮 [4] ;RaminMotamed [5] S.MohsenHaeri [6] BarbaraJ.Chang [7] [8] 李雨润通过大型振动台试验, 重 [9] 点研究了液化地基失效对结构地震反应特性的影响 Y.Tsukamoto 等开展了液化条件下地震动持时以及基础间距对模型地基沉降影响的系列振动台试验, 并得出模型地基的沉降与地震动持时以及基础间距呈正相关的结论这些学者开展的众多大型振动台试验有效推进了液化场地 - 结构体系的动力响应及地震动参数对体系动力响应的影响研究 1 G 振动台可以开展相对大尺度的模型试验, 但存在应力相似的客观问题地基 - 结构体系振动台试验是多介质耦合的缩尺模型试验, 多介质耦合的匹配设计是振动台试验的焦点, 如何按照体系特点进行相似设计是试验开展的重点问题及实现合理物理模拟的关键问题以地基相似比驱动的地震动输入方法在已有研究中得到了众多应用已开展的液化地基 - 结构体系振动台试验中, 部分试验组采用谐波作为输入地震动, 但通过单一频率的输入地震动反推真实地震动作用下体系的动力反应较难 [5,6,9] ; 部分试验组采用持时未压缩的地震动作为输入地震动 [1,4,7,8] ; 部分试验组的输入地震动则根据模型地基的时间相似比对地震动持时进行压缩 [2-4] 地震动持时压缩特性对地基 - 结构体系动力响应的影响还未有较为合理的理论和规律表述作者拟通过系列振动台试验开展地震动持时压缩对液化地基 - 结构体系非线性动力响应的影响研究本论文阐述整体试验思路, 重点分析地震动持时压缩原则地震动持时压缩效果模型箱可靠性新型测试技术新型传感器布置技术多类型数据耦联分析方法为多介质耦合体系振动台试验中地震动持时压缩的地震动输入问题及地震动持时压缩对液化地基 - 结构体系非线性动力响应的影响提供了方案及分析方法 1 振动台试验方案设计 1.1 试验系统及设备模型试验在北京工业大学结构实验室开展, 振动台采用 MTS TestStar 控制器以及 MTS 作动器作为激励装置台面尺寸 :3m 3m; 频率范围 :0.4~ 50Hz; 最大承载 :60t;X 向最大位移 :±127mm;X 向最大速度 :600mm/s;X 向最大加速度 :1.0g; 最大倾覆力矩 :30t m, 振动台实景如图 1 所示 1.2 试验目的及地震动持时压缩确定方法地基土 - 结构体系的相似比设计涉及到地基土与结构, 不同学者开展了多介质耦合相似比设计方法的研究和应用工作相似比设计多采用量纲分析图 1 振动台实景图法相似理论和控制方程法, 各方法特点详见文 Fig.1 Live actiononshaking table 献 [10] 现阶段较为常用的基于 1 G 振动台模型试验的地基土 - 结构体系相似比设计的核心流程可归纳为 : 液化地基 - 结构体系试验的相似性设计应充分考虑液化场地的有效上覆土压力和振动孔隙水压力对结构的影响, 并尽量匹配多种介质材料的相似比 Cauchy 常数和 Froude 常数是关于质量和重力相似的重要无量纲参数, 针对液化地基 - 结构体系的特点, 常选取 Froude 常数作为相似标准 ( 重力相似律 ), 以反映原型与模型之间惯性力与重力的相似特性通过实际场地与模型地基间 Froude 常数的一致条件, 确定地基 - 结构体系的长度相似性针对地基动力特性与地上结构动力特性完全迥异的特点, 地基的加速度相似系数与地上结构的加速度相似系数 ( 常控制于 1~3) [11] 存在明显不同, 故取模型体系的加速度相似系数为 1, 选取加速度密度及波速作为基本物理量, 在线弹性范围内进行时间相似推导, 由此建立波速相似 - 长度相似 - 时间相似关系依此设计的地震动相似性对试验结果具有较多不确定性, 特别是不同的地震动时间压缩特性对地基的失效模式将产生较大影响因此, 本系列振动台试验将地震动持时压缩依据及地震动持时压缩特性对液化地基 - 结构体系地震响应特性的影响作为试验目的试验试图获取较为合理的地震动持时压缩对模型体系地震反应特性的影响, 将地震动的持时压缩比 ( 原始地震动,1/2 压缩地震动,1/5 压缩地震动 ( 地震动主频

第 5 期许成顺, 等 : 考虑地震动持时的液化场地 - 桩基振动台试验设计 53 接近模型地基的卓越频率 )) 作为系列振动台试验的唯一可变量, 分析地震动持时压缩对液化场地 - 结构体系地震响应的影响, 系统地震动输入示意图见图 2 图 2 体系地震动输入示意图 Fig.2 Thediagramofinputgroundmotion 1.

3 第 5 期许成顺, 等 : 考虑地震动持时的液化场地 - 桩基振动台试验设计 53 接近模型地基的卓越频率 )) 作为系列振动台试验的唯一可变量, 分析地震动持时压缩对液化场地 - 结构体系地震响应的影响, 系统地震动输入示意图见图 2 图 2 体系地震动输入示意图 Fig.2 Thediagramofinputgroundmotion 1.3 模型地基与模型结构制备采用标准地基装样模式进行地基制备以保证试验的单因素特性模型地基采用分层制备方法, 以 5cm 为分层标准, 并在分层处进行拉毛处理, 饱和液化层 (54cm) 顶部覆盖不透水黏土层 (3cm) 振动台试验前, 取表层黏土及试验用砂开展室内试验, 测得表层黏土的密度为 kg/m 3, 细砂的密度为 kg/m 3, 试验用细砂的相关材料参数见表 1, 模型细砂的颗粒级配曲线如图 3 模型细砂要经过晾晒过筛, 并采用雨砂法制备模型地基, 以保证模型地基充分饱和 ; 雨砂法制备模型地基的示意图如图 4 所示桩基及上部结构 ( 配重 ) 采用空心钢桩进行模拟, 模型结构如图 5 所示表 1 细砂的材料特性 Table1 Materialpropertiesoffinesand 累积百分含量 (%) 特征粒径 (mm) 不均匀系数曲率系数 0.075mm 0.25mm 0.5mm 1.0mm 2.0mm D60 D50 D30 D10 Cu Cc 图 3 模型地基的材料特性图 4 模型地基制备示意图图 5 模型结构 Fig.3 Materialpropertyofmodelsoil Fig.4 Preparingofmodelfoundation Fig.5 Themodelstructure 1.4 地震动输入及工况安排通过比选不同类型的地震动, 最终采用卧龙台地震记录作为输入地震动卧龙台地震记录的原始 E W

4 54 地震工程与工程振动第 37 卷向总持时 222s, 峰值加速度为 9.57m/s 2 卧龙台地震记录存在显著的双峰特性, 可以模拟地基液化 - 固结 - 再加载的复杂物理过程, 不同时间相似比尺 ( 不同持时压缩比 ) 的卧龙台地震动时程及频域特性见图 6, 可知 : 地震动持时压缩后, 地震动特性在时域 ( 时程 ) 及频域 ( 加速度反应谱 ) 内均发生显著变化系列振动台试验首先对模型土箱的固有振动特性进行测试, 随后开展三组液化非自由场地基 - 结构体系的振动台模型试验针对地震动持时压缩问题, 开展三组不同时间相似比尺 ( 不同持时压缩比 ) 的卧龙台地震动作用下的液化非自由场振动台试验, 系列振动台试验加载工况如图 7 所示图 6 不同压缩特性的卧龙台地震动 Fig.6 ThediferentcompresioncharacteristicWolonggroundmotion 图 7 试验加载方案 Fig.7 Experimentalloadingscheme 1.5 传感器布置及数据分析传统传感器埋置方法存在诸多缺陷 : 传感器在地基土装样操作时易发生偏转和移位 ; 传感器布设与地基土装样同步进行, 从而降低地基土装样效率本次实验拟采用柔性链式传感器技术布设加速度传感器及微型孔隙水压力传感器, 此方法于地基土装样之前将传感器位置固定, 克服了传统传感器埋置方法的缺点, 测点布置图和柔性链式传感器布置技术图分别如图 8 图 9 所示 (A: 地基土加速度计 ;W: 孔隙水压力计 ;J: 激光位移计 ;P: 土压力计 ;SA: 结构加速度计 ( 结构上部及模型箱外侧 ); 红心圆 : 标靶 ( 结构上部及模型箱外侧 ) 采用新型非接触式动态位移测试系统对整个系统的位移进行测试, 新型非接触式动态位移测试技术

第５期许成顺等考虑地震动持时的液化场地桩基振动台试验设计５５的测试方法及测试精度详见文献２非接触式动态位移测试系统如图０所示图８传感器布置示意图Ｆ８Ｔｈｆ图９柔性链式传感器布置Ｆ９Ｔｈｆｘｂｈ０非接触式动态位移测试系统Ｆ０Ｎｄｍｄｐｍｍ针对地基结构体系易受到高频噪声干扰加速度计偏转等影响对加速度数据进行Ｂｗ

模型箱如２所示经白噪声扫描空箱自振频率为２４２Ｈｚ为了检验模型箱性能论文开展自由场振动台试验试验工况如图７中的第２组不包含结构试验前自由场模型数据处理思路地基的自振频率为３３Ｈｚ与空箱自振频率相差较大ＦＤｐｍｈｄ避免箱体与模型地基的共振效应地基土相同水平标高不同测点的加速度时程及频谱特性如图３所示２的０和０

5 第５期许成顺等考虑地震动持时的液化场地桩基振动台试验设计５５的测试方法及测试精度详见文献２非接触式动态位移测试系统如图０所示图８传感器布置示意图Ｆ８Ｔｈｆ图９柔性链式传感器布置Ｆ９Ｔｈｆｘｂｈ０非接触式动态位移测试系统Ｆ０Ｎｄｍｄｐｍｍ针对地基结构体系易受到高频噪声干扰加速度计偏转等影响对加速度数据进行Ｂｗｈ滤波及基线校正处理各类型的测试物理量反映地基结构体系不同类型的动力特性但不同类型的物理量之间是孤立的因此本文将重点分析各测试物理量间的耦联关系以揭示不同持时压缩特性的地震动作用下液化场地的地基变形机理地基失效机理以及土结动力相互作用规律数据处理方法如所示６叠层剪切型模型土箱本系列试验采用层状剪切型土箱可较好地模拟土层自由剪切效应模型箱设计原理详见文献３模型箱如２所示经白噪声扫描空箱自振频率为２４２Ｈｚ为了检验模型箱性能论文开展自由场振动台试验试验工况如图７中的第２组不包含结构试验前自由场模型数据处理思路地基的自振频率为３３Ｈｚ与空箱自振频率相差较大ＦＤｐｍｈｄ避免箱体与模型地基的共振效应地基土相同水平标高不同测点的加速度时程及频谱特性如图３所示２的０和０２卧龙台地震动作用下液化自由场中靠近结构和远离结构通过对比分析持时压缩比为的加速度时程和反应谱图３可知远离结构的测点ＡＡ３Ａ５的加速度时程曲线和反应谱分别与靠近结构的测点Ａ２Ａ４Ａ６的加速度时程曲线和反应谱非常吻合说明靠近边界处的模型地基的动力响应不受模型箱的影响模型地基在水平方向能够模拟土体的自由剪切变形层状剪切型模型箱能有效模拟土体的侧向变形边界条件总体而言叠层剪切型模型箱边界处理方式合理可以较好体现土体的自由剪切效应

6 ５６地震工程与工程振动２叠层剪切型模型土箱Ｆ２Ｌｍｄｈｂｘ３加速度时程及频谱对比图Ｆ３Ｔｍｈｄｐｍｄｄｆｑｆｄ第３７卷

7 第 5 期许成顺, 等 : 考虑地震动持时的液化场地 - 桩基振动台试验设计 57 2 结论地震动输入是振动台试验中的一个关键因素, 持时压缩后的地震动特性发生显著改变, 对地基 - 结构体系的动力响应产生显著影响, 本文开展了地震动持时压缩对液化体系动力响应影响的振动台试验方案设计试验方案阐述了振动台试验的整体设计思路, 方案以地基驱动的地震动持时压缩特性作为落脚点, 重点表述了相似比设计思路及持时压缩理论地震动持时压缩后地震动特性的变化模型地基及结构制备叠层剪切型模型箱性能传感器布设及新型传感技术数据处理方法为地基 - 结构大型振动台试验提供标准化流程化系统化的成套方案设计方法具体结论如下 : (1) 地震动持时压缩后, 地震动特性在时域 ( 时程 ) 及频域 ( 加速度反应谱 ) 内均发生显著改变 (2) 靠近结构与靠近边界处的加速度时程和反应谱非常吻合, 靠近边界处的加速度响应不受模型箱的影响, 说明叠层剪切型模型箱边界处理方式合理, 可以较好体现土体的自由剪切效应 (3) 柔性链式传感器布置技术能够克服传统传感器埋置方法的缺陷, 实现传感器的精确布置 (4) 多类型数据耦联分析思路有利于从不同角度揭示体系的地震响应机理, 有利于提高结论的可靠性参考文献 : [1] 陈国兴, 庄海洋, 杜修力, 等. 液化场地土一地铁车站结构大型振动台模型试验研究 [J]. 地震工程与工程振动,2007,27(3): CHENGuoxing,ZHUANGHaiyang,DUXiuli,etal.Largescaleshakingtabletestforsubwaystationstructurebuiltinliquefiablesaturatedfine sandsoil[j].earthquakeengineeringandengineeringdynamics,2007,27(3): (inchinese) [2] ChenGuoxing,ChenSu,QiChengzhi,et,al.Shakingtabletestsonathree archtypesubwaystationstructureinaliquefiablesoil.[j]buletin ofearthquakeengineering,2015,12: [3] WangLiyan,ChenGuoxing,ChenSu.Experimentalstudyonseismicresponseofgeogridreinforcedrigidretainingwalswithsaturatedbackfil sand[j].geotextilesandgeomembranes,2015,43: [4] TangLiang,LingXianchang,XuPengju,etal.Shaketabletestofsoil pilegroups bridgestructureinteractioninliquefiableground[j].earth quakeengineeringandengineeringvibration,2010,9(1): [5] RaminMotamed,IkuoTowhata.Mitigationmeasuresforpilegroupsbehindquaywalssubjectedtolateralflowofliquefiedsoil:shaketablemodel tests[j].soildynamicsandearthquakeengineering.2010,30: [6] MohsenHaeriS,KavandA,RahmaniI,etal.Responseofagroupofpilestoliquefaction inducedlateralspreadingbylargescaleshaketabletes ting[j].soildynamicsandearthquakeengineering,2012,38: [7] ChangBJ,HutchinsonTC.Trackingthedynamiccharacteristicsofanonlinearsoil pilesysteminmulti layeredliquefiablesoils[j].soildynam icsandearthquakeengineering,2013,49: [8] 李雨润. 液化土层中桩基横向动力响应研究 [D]. 哈尔滨 : 中国地震局工程力学研究所,2006. LIYurun.Studyonlateraldynamicresponseofpilefoundationinliquefiablesoil[D].Harbin:InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarth quakeadministration,2006.(inchinese) [9] TsukamotoY,IshiharaK,SawadaS,etal.Setlementofrigidcircularfoundationsduringseismicshakinginshakingtabletests[J].International JournalofGeomechanics,2012,12: [10] 陈国兴, 陈苏, 杜修力, 等. 城市地下结构抗震研究进展.[J] 防灾减灾工程学报,2016,36(1),1-23. CHENGuoxing,CHENSu,DUXiuli,etal.Reviewofseismicdamage,modeltest,availabledesignandanalysismethodsofurbanunderground structures:retrospectandprospect[j].journalofdisasterpreventionandmitigationengineering,2016,36(1):1-23.(inchinese) [11] 周颖, 吕西林. 建筑结构振动台模型试验方法与技术 [M]. 北京 : 科学出版社,2012. ZHOUYing,LVXilin.Methodandtechnologyforshakingtablemodeltestofbuildingstructures[M].Beijing:SciencePres,2012.(inChi nese) [12] ChenSu,LiXiaojun,ZhangHong,etal.Vision baseddisplacementtestmethodforhigh risebuildingshakingtabletest[j].journalofvibro engineering,2015,17(8): [13] 杜修力, 李霞, 陈国兴, 等. 悬挂式层状多向剪切模型箱的设计分析及试验验证 [J]. 岩土工程学报,2012,34(3): DUXiuli,LIXia,CHENGuoxing,etal.Designandtestverificationofsuspensionmultidirectionallaminarshearbox[J].ChineseofGeotechni calengineering,2012,34(3): (inchinese)

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