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土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)
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土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)
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土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
論文題目：高烈度地區(qū)非線性土體--樁--結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究
1、本文的研究背景
我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，地震分布極其廣泛，7度以上的地震區(qū)約占國(guó)土面積的一半。
地震作為重大的自然災(zāi)害，給人類社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。
縱觀歷史，駭人聽(tīng)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(zhǎng)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(diǎn)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(tái)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(guó)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(xiàng)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(xiàng)，震害遠(yuǎn)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(xiàng)。
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(shí)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(chǎng)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(guó)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(chǎng)地條件對(duì)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(shí)告訴我們，由地震引起的樁基破壞機(jī)制與地震時(shí)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(gè)整體振動(dòng)，相互影響。
因此，研究樁-土-結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)，以及在地震作用下的受力特點(diǎn)及破壞機(jī)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(dòng)力相互作用問(wèn)題一直是模型試驗(yàn)中的重大的理論與實(shí)踐問(wèn)題，開(kāi)展地基-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究，其理論意義在于可以發(fā)展和豐富振
動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)技術(shù)和動(dòng)力相似理論，為在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo);獲得一整套試驗(yàn)
數(shù)據(jù)，為開(kāi)展計(jì)算分析研究、驗(yàn)證其力學(xué)模型和計(jì)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(shí)踐意義在于可以驗(yàn)證理論與計(jì)算分析的研究成果，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
本文通過(guò)采用較先進(jìn)的土箱裝置，以三種不同性質(zhì)土作為模型土進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(jìn)而研究地震作用下土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理。
同時(shí)，通過(guò)理論分析方法與試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證有關(guān)分析方法的可靠性。
3、國(guó)內(nèi)外研究綜述
3.1 國(guó)內(nèi)外地震模型理論綜述
3.1.1國(guó)外的研究方法
1970年，penzien等對(duì)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(gè)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(dòng)力性狀，連接毗鄰兩個(gè)質(zhì)量的每一裝置，由一個(gè)雙線性滯后型彈簧和一個(gè)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(zhǎng)，土又較硬時(shí)，樁土相互作用對(duì)橋梁的動(dòng)力特性影響不大;只有當(dāng)土較軟，樁又較短時(shí)，樁土相互作用對(duì)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(kāi)發(fā)了動(dòng)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(dú)確定的自由場(chǎng)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(diǎn)中土-樁的耦聯(lián)是通過(guò)多元摩擦塊、彈簧和阻尼器的組合來(lái)模擬的。
土的模型容許在初始彈性狀態(tài)范圍之外將強(qiáng)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(duì)樁的初始零撓度點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)模擬側(cè)向土運(yùn)動(dòng)。
土的反力-撓度性能曲線根據(jù)試驗(yàn)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(guò)積分平面應(yīng)變的方法來(lái)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(dòng)力荷載下，樁軸的鄰近區(qū)域引起強(qiáng)烈的非線性這一條件;并給出了與頻率無(wú)關(guān)的質(zhì)量、彈簧和阻尼器的簡(jiǎn)化公式。
該模型可以以相對(duì)簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行時(shí)域非線性分析。
由于模型本身能產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)，它的參數(shù)可通過(guò)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(duì)裂縫進(jìn)行了特殊的考慮，
1995年，el naggar和novak提出了在瞬態(tài)動(dòng)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?jiǎn)卧M。
每一土層的土介質(zhì)被分成兩個(gè)環(huán)狀區(qū)域，內(nèi)場(chǎng)區(qū)域考慮非線性，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域考慮波從樁往外傳播。
1999年，boulanger等通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)和理論分析對(duì)非線性動(dòng)力winkler地基梁法進(jìn)行了評(píng)估。
他的分析是基于有限元平臺(tái)geofeap進(jìn)行的，所采用的模型如圖2.6所示。
自由場(chǎng)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(lái)
3.1.2國(guó)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(jiǎn)化為串聯(lián)的多質(zhì)點(diǎn)系，稱為等價(jià)土體系;遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)物的場(chǎng)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(jià)體系之間用水平彈簧和阻尼器相聯(lián)系。
水對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響包括水的附加質(zhì)量引起的慣性力及動(dòng)水阻力。
袁萬(wàn)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(jià)為一維非線性場(chǎng)地地震反應(yīng)分析與考慮樁周土彈性約束作用的多點(diǎn)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(lái)模擬，土彈簧剛度采用m法確定。
這種方法實(shí)際是簡(jiǎn)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(zhǎng)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(jì)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(duì)電視塔-樁-土相互作用地震反應(yīng)進(jìn)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(duì)反應(yīng)的影響較大，但土體附加質(zhì)量的大小對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性影響甚微，對(duì)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的影響也不大，可以不計(jì)。
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(jià)土體系之間的等價(jià)水平土彈簧剛度采用m法計(jì)算。
蒯行成等(1998)采用動(dòng)力winkler地基梁模型，在求得有限長(zhǎng)樁運(yùn)動(dòng)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(jì)算層狀土中單樁動(dòng)力阻抗的方法。
孫利民等(1999，XX)改進(jìn)了penzien模型，將原模型的單樁模型變?yōu)槎鄻赌Ｐ停?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(dòng)能量向半無(wú)限場(chǎng)地逸散的理論來(lái)計(jì)算。
3.2 國(guó)內(nèi)外振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)綜述
3.2.1 國(guó)外振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)總結(jié)
1969年，日本的kubo第一個(gè)注意模型相似率而進(jìn)行模型樁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。
他在砂箱里用不同頻率的水平方向的正弦激勵(lì)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。
所采用的模型樁一端固定于臺(tái)面上，模型土為砂土和油的混合物以模擬軟土場(chǎng)地。
試驗(yàn)表明，隨著輸入臺(tái)面運(yùn)動(dòng)頻率的增加，土層表面運(yùn)動(dòng)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(jìn)行靜力橫向荷載試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。
當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的自振頻率與土層的頻率一致時(shí)測(cè)到強(qiáng)烈的共振反應(yīng)。
mizuno和iiba(1982)最早對(duì)模型施加地震時(shí)程激勵(lì)的，并對(duì)模型的相似關(guān)系進(jìn)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(lái)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(lái)模擬matsuda等(1988)采用分層土箱進(jìn)行了飽和砂土振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。
在制作場(chǎng)地土模型時(shí)采用了一種新的方式，即：
首先將砂土加入到容器里，同時(shí)從容器的底部注入加壓水，使振動(dòng)臺(tái)不斷地振動(dòng)，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(chǎng)地模型。
3.2.2 國(guó)內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)總結(jié)
19XX年韋曉首先采用剛性土箱進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，包括單柱樁墩模型、單墩群樁模型、雙墩群樁模型試驗(yàn)。
試驗(yàn)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(duì)抗震不利，
因?yàn)閱沃諞](méi)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(jìn)行了兩個(gè)階段的試驗(yàn)。
第一階段為均勻土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)，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(guò)試驗(yàn)分析得到：
由于上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反饋，改變了基底地震動(dòng)的頻譜組成，使基礎(chǔ)處的地震動(dòng)與自由場(chǎng)地震動(dòng)不完全相同，基礎(chǔ)處的有效地震動(dòng)輸入比自由場(chǎng)地震動(dòng)小，與體系頻率接近的分量獲得加強(qiáng)，
而有些頻率分量則減弱;體系的反應(yīng)與輸入地震動(dòng)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(yàn)，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(yàn)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(dòng)力相似關(guān)系，在試驗(yàn)加載的全過(guò)程中，當(dāng)激勵(lì)較小和激勵(lì)較大時(shí)，試驗(yàn)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(gè)縮尺模型在試驗(yàn)中間階段的相似關(guān)系的主要原因是土體在地震激勵(lì)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(jìn)行了土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)tmd振動(dòng)控制影響的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究。
試驗(yàn)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(dòng)控制效率降低，其控制效應(yīng)的變化情況遠(yuǎn)比剛性基礎(chǔ)上的復(fù)雜。
4 論文的研究?jī)?nèi)容和研究方法
4.1本文的研究?jī)?nèi)容
本試驗(yàn)的主要內(nèi)容有：
4.1.1制作模型箱，設(shè)計(jì)制作上部結(jié)構(gòu)—phc管樁—土的物理模型;
4.1.2測(cè)定模型箱的頻率和阻尼;
4.1.3測(cè)定模擬土體的土體材料及混合材料的相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù);
4.1.4針對(duì)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(dòng)試驗(yàn)，獲得樁基的動(dòng)力特性和動(dòng)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(diǎn)，應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律
4.1.6采用有限元軟件計(jì)算試驗(yàn)中模型，通過(guò)對(duì)比計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果，驗(yàn)證分析方法的正確性
4.2試驗(yàn)相關(guān)設(shè)計(jì)介紹
4.2.1 模型箱
將土箱設(shè)計(jì)成由18層獨(dú)立的長(zhǎng)方形框架疊合而成的長(zhǎng)方體容器。
容器內(nèi)尺寸為：長(zhǎng)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(jì)如下：每根管樁長(zhǎng)1500mm，外徑40mm，壁厚7-9mm。
單樁模型承臺(tái)為200mm×200mm正方形，3樁模型為正三角形布置，樁距220mm，承臺(tái)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(tái)為長(zhǎng)方形，尺寸為560mm×360mm×100mm(長(zhǎng)×寬×高)。
4.2.3 激勵(lì)荷載
本次試驗(yàn)，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(yàn)的地震波。
其中采用el-centro波，taft波和人工波
4.2.4 測(cè)點(diǎn)布置
試驗(yàn)采用加速度計(jì)、位移計(jì)測(cè)量測(cè)承臺(tái)、樁體以及土體的動(dòng)力響應(yīng)，采用應(yīng)變片量測(cè)樁體的應(yīng)變變化，采用孔隙水壓力計(jì)測(cè)量土體孔隙水壓力，采用土壓力計(jì)測(cè)定樁土間壓力。
在承臺(tái)表面布置1個(gè)加速度計(jì);沿樁體由上到下較均勻地布置4個(gè)加速度計(jì)，同時(shí)考慮上密下疏，并考慮土層變化處;
3樁承臺(tái)時(shí)每根模型，6樁承臺(tái)時(shí)選用對(duì)稱一邊的三根樁樁沿樁體由上到下均勻布置7個(gè)加速度計(jì);
所有試驗(yàn)均在振動(dòng)臺(tái)表面布置1個(gè)加速度計(jì);土體表面布置2個(gè)加速度計(jì)，1個(gè)位于模型箱中部，1個(gè)靠近邊緣處。
試驗(yàn)中每根樁沿樁體縱向由上到下較均勻地選取4個(gè)斷面布置應(yīng)變片，同時(shí)考慮上密下疏，并考慮土層變化處。
每個(gè)斷面處布置4個(gè)縱向應(yīng)變片，。
試驗(yàn)中沿著上部結(jié)構(gòu)分別布置2個(gè)位移計(jì)，并在承臺(tái)表面布置1個(gè)位移計(jì)。
沿樁體在土體中縱向由上到下較均勻地選取3個(gè)孔隙水壓力計(jì)，同時(shí)考慮上密下疏，共布9個(gè)孔隙水壓力計(jì)。
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