地层的振动反应特性读书报告一.振动台实验技术振动模型试验是研究地下结构地震反应与抗震性能的重要途径,主要包括普通振动台试验和离心机振动台试验。
普通振动台试验是目前应用最为广泛的结构抗震试验方法,近年来,国内学者对地铁等地下结构的地震反应进行过多次振动台试验研究,取得了一定的研究成果。
但普通振动台模型试验是在1g的重力加速度环境下进行的,由于模型与原型相比几何尺寸缩小到几分之一,因此在正常重力条件下,模型的应力水平尤其是自重应力水平与原型有一定差距。
对于土-结构相互作用系统,由于土体为强非线性材料,其剪切模量为剪应变的函数,应力应变水平对土体承载力和变形有较大影响,因此振动台试验结果与实际情况相比可能会有一定差距。
但是振动台设备在国内数目相对较多,这为普通振动台试验的开展创造了有利的条件,因此,普通振动台试验今后仍将在研究地下结构地震反应与抗震性能方面发挥巨大的作用。
对于普通振动台试验,如何能够更好地模拟原型结构与原型地基土体的应力水平尤其是自重应力水平,需要在模型相似设计、试验材料选取、配重施加等方面进行深入研究。
离心机振动台试验通过增加模型的场加速度,可以模拟出与原型相等或相近的应力水平,逼真重现原型的物理特性,在再现动力反应、观测物理机制、检验评价方法以及对比设计方案等方面具有突出的优越性,在欧美、日本等发达国家得到了广泛的应用。
目前,动力离心模型试验技术已在国内岩土工程地震问题的研究中得到应用,并取得了良好的效果,但是仍然有如下因素制约着离心机振动台试验的开展: (1)目前我国离心机振动台试验设备较少,只有香港科技大学、南京水利科学研究院和清华大学分别建成了一台土工离心机振动台试验设备,这直接制约了离心机振动台试验的开展。
鉴于离心机振动台试验在土工模型试验方面巨大的优越性,因此可以考虑发展更多的较高规格的土工离心机振动台试验系统。
(2)地下结构断面尺寸普遍较大,而土工离心机振动台尺寸相对较小,在有些情况下,几何尺寸相似关系并不能满足原型与模型应力水平相同的要求,因此需要在模型相似设计、试验设备、试验技术和发展新的试验材料方面开展进一步的研究工作。
目前已完成的大部分振动台试验和离心机振动台试验对于地基土体的处理均较为简化,如何在考虑土-结构动力相互作用效应的振动模型试验中再现复杂地基的影响,是振动台模型试验和离心机振动台模型试验共同面对的问题。
断层、可液化土层和不均匀成层地基等情况在实际地下工程中经常遇到,对地下结构的抗震性能会产生重要的影响,如何在振动模型试验中再现这些复杂场地的影响,是大跨度、大平面尺寸地下结构振动模型试验所要解决的关键问题之一。
二.振动台实验相关实例振动台模型试验由于尺寸的不足而必然涉及到模型与原型的相似问题，在地铁地下结构振动台试验中相似问题包括：模型结构的相似、土的相似以及土与结构相互作用的相似。
进行一般工程结构振动台试验时，模型完全相似就难以满足，再加上土以及地铁结构与土相互作用相似问题，做到完全满足相似率的要求就更加困难了，但通常可以根据研究目的的不同，保证主要参数满足相似关系，或采取相关技术措施(采用配重来增加重力加速度)等途径近似满足，而次要参数相似比尽量与主要因素接近。
在动力相似方面，以Harris为代表的学者对振动台上的动力相似理论进行了一系列的研究和探讨，发展了结构动力模型试验技术，但国内外对于结构-地基相互作用体系的动力相似研究还相对较少，仅吕西林通过对两种不同缩尺的振动台试验对比分析，对其进行了初步探讨。
杨林德等对上海地铁车站进行振动台模拟实验，试验过程中遇到的技术难题包括对地铁车站纵向长度的模拟,场地土的动力特性与地震响应的模拟,模型箱的构造与边界效应的模拟,以及量测元件设置位置的优选等。
1、模型设计的相似关系:在模型设计中据以确定相似关系的原则选为:(1) 采用重力失真模型,将主要构件的几何相似比及主要材料的弹性模量相似比和质量密度相似比作为模型设计的独立参数。
(2) 土和结构遵循相同的相似比例关系,使模型系统可在一定程度上反应原型系统中土与结构相互作用的特性。
(3) 确定模型相似关系时同时考虑振动台的性能、制作模型的条件、试验室起吊设备的能力和模型安装工艺要求等因素对试验实施的制约。
2、模型土的配制根据上海地铁车站穿越的主要土层的特性,本次试验将淤泥质粘土选为原型土,据此配制模型土。
试验开始前,对获得模型土优化配比的途径进行了研究,结论主要包括:(1) 应力求在最大动剪切模量值和动剪切模量与动剪应变间关系曲线的变化规律两方面使模型土与原状土尽量相似。
(2) 鉴于塑性指数是关键影响因素,试验过程拟主要注意塑性指数的变化对土动力特性产生影响的规律。
(3) 针对褐黄色粉质粘土的特性,探索通过控制掺水量及其密实度调整最大动剪切模量值的途径。
3、结构模型的制作试验分自由场振动台模型试验、典型地铁车站结构和地铁车站接头结构振动台模型试验3 种. 试验过程中,首先进行了自由场振动台模型试验,用以模拟自由场地土层的地震反应,据此获得模型箱内不同位置处的土的加速度响应,确定“边界效应”的影响程度和鉴别模型箱构造的合理性;然后通过典型地铁车站结构振动台模型试验了解地铁车站结构与土共同作用时地震动反应的规律与特征,为建立地铁车站地震响应的分析理论和计算方法提供试验数据。
4、实验过程及结果振动台模型试验记录了在不同荷载级别的EI-Centro波、上海人工波和正弦波激振下,加速度测点传感器的反应,依据记录结果绘出了各加载工况下的加速度反应时程图,并通过对其做富氏谱变换( FFT) 得到了与之相应的测点的富氏谱;由动土压力传感器,得到了各测点在不同加载工况下的动土压力反应时程图;根据结构模型构件上布置的应变片,测得了构件应变的变化。
实验计算方法采用反应位移法，在此不再赘述。
模拟实验证明：计算模型可较好地模拟模型土的动力特性、地铁车站与土体的动力相互作用,及地铁车站结构模型的动力响应特点. 该方法较好地模拟了地铁车站的地震响应,可供工程设计实践参考。
5、有待研究解决的问题(1)地铁结构的埋深不同，竖向地震波和面波作用对浅埋结构的影响较为显著，甚至成为结构破坏的主要因素，因此合理模拟结构随埋深不同的分布规律，竖向地震波和面波的振动台模拟，是亟待解决的问题。
(2)以往的试验中多注重于地铁车站或区间隧道典型横断面的平面研究；随着地铁的发展，车站和区间隧道断面形式逐渐变化，出现了很多拱形结构和马蹄形结构，车站的空间交错结构愈来愈多，例如：仅北京1号线隧道沿途就上穿或下跨数个站台，包括：国贸站，东单站，西单站等。
对上下结构体的地震性能相互影响还不清楚，因此分析中，车站的不同结构形式和空间组合形式是必须考虑的因素。
(3)地铁结构中，土-结构共同作用是非常复杂的过程，并且地震波强度越高其作用越明显。
但是，由于相互作用理论不足和试验监测条件限制，目前还无法准确解释，在振动台试验中，如能解决土层之间或土与结构之间相对位移的测量，将对此研究起到较大的推动作用。
(4)在地铁的震害机理研究中，开展振动台试验模拟结构破坏是非常必要的，但由于试验条件的限制和地下结构本身的性质，在目前国内外开展的地铁结构振动台试验中，模拟破坏过程和破坏机理的试验相对较少。
笔者认为选择结构模型材料，并对结构模型进行合理的强度弱化是解决问题的关键。
三.地层作用力的确定当剪切波垂直向上入射时，地下结构的横向抗震问题，一般假设为远场地震的纯剪切荷载作用形式。
根据应力圆或者应力分量的坐标转换关系，可以得到无限远处，与水平轴线成+45。
角的斜面上，只作用有集度大小为 的均匀拉一压应力两计算模型是等效的。
因此，采用与模型A(见图2-1)类似的方法，并考虑到远场应力边界条件求解，得到远场竖直和水平附加应力分别为一 和时的孔口应力表达式，再将求得的该模型逆时针旋转45。
可得到与本模型相同的作用效果(见图2-2)。
再以()/4θπ+替换所得应力表达式中θ即可得远场地震荷载(土层剪荷载τ)作用时的应力分量。
图2-1 地层弹簧计算模型分解图2-2 地层响应时的地应力状态44sin(2)13R r θστθ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭，2222sin(2)113R R r r τστθ⎛⎫⎛⎫=--- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭， 2222cos(2)113R R r r τθθττττθ=⎛⎫⎛⎫=--+ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭ 土层剪切荷载τ可以通过自由场地震响应的动力数值模拟获得，本文则采用解析方法进行推导。
首先引入地层变位模式：22()cos 2u s z u z S T Hππ= 式中：Su ，Ts 分别为基底速度反应谱和地层固有周期：z 为计算点距离地表的埋深；H 为基岩以上的计算土层厚度。
自由场剪切变形如图2-3所示(图中D 为孔口直径)，图2-3中虚线范围内相当于隧道所在位置处的应变，可记为：1202()()2sin sin 222u s u h u h S T h R R R H Hππγπ-==式中： 1h ，2h 分别为孔口顶部和底部到达地表的距离；0h 为孔口埋深，即圆心到地表距离。
由此可得地震荷载作用下，沿着径向和切向的地层应力为：图2-3 自由场剪切变形图022sin sin sin(2)22s u s G S T h R R H Hτππσθπ=- 022sin sin cos(2)22s u s G S T h R R H Hτθππτθπ=- 式中： 为土层动剪切模量， 为孔口半径。
由上式可以看出，孔口周边地层应力与其埋深、半径、地层固有频率、土层参数等诸多因素相关； 与矩形截面隧道的地层荷载不同的是，圆形结构地层应力呈非均匀分布，作用力的大小和作用方向在孔口周边均会随着角度发生变化，极值均出现在共轭的45°角位置处。
阅读文献[1] 杨林德,季倩倩,郑永来,杨超.软土地铁车站结构的振动台模型试验，现代隧道技术，2002.2.[2] 张波,王文沛,陶连金. 地铁地下结构大型振动台试验模型研究概述,世界地震工程,2010.3.[3] 黄先锋. 地下结构的抗震计算—位移响应法[J]. 铁道建筑. 1999年第六期[4] 耿萍，何川，晏启祥. 水下盾构隧道抗震设计分析方法的适应性研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2007年12月第26卷增2[5] 刘学山. 盾构隧道的纵向抗震研究[J]. 地下空间. 2003年6月第23卷第2期[6] 黄茂松，曹杰. 隧道地震响应简化分析与动力离心试验验证[J]. 岩石力学与工程学报. 2010年02月第29卷第2期。
