2022土木工程硕士开题报告

更新时间： 2022-02-19

　　论文题目：高烈度地区非线性土体--桩--结构振动台试验研究

　　1、本文的研究背景

　　我国是一个多地震国家，地震分布极其广泛，7度以上的地震区约占国土面积的一半。地震作为重大的自然灾害，给人类社会造成了巨大的经济损失和人员伤亡。纵观历史，骇人听闻的唐山地震、日本阪神地震、土耳其地震以及XX年汶川地震等，均造成了惨重的损失，使人类的心灵受到了严重的创伤

　　桩基础是一种历史较长而又应用广泛的深基础型式，能较好地适应复杂地质条件以及各种荷载情况，特别是在软弱地基上采用得较多。与其它基础型式相比，桩基础具有承载能力大、稳定性好、差异沉降小等优点而被广泛应用于桥梁结构、高层建筑、港口码头、海洋平台和火电及核电站结构中。桩基能提高地基承载力，是预防地基失效的重要抗震措施：在非液化地基中，桩基能减少基础附加沉降、减轻震害;即使在液化地基中，只要桩尖深入持力层，也能减轻震害。历次国内外地震震害调查表明，桩基支承的建(构)筑物的震害轻于非桩基支承的同类建(构)筑物。1976年唐山地震后，有关部门曾调查了天津地区102项桩基建筑工程的震害情况，发现上部结构产生震害的仅7项，震害远较天津地区天然地基浅基础上同类结构的少且轻，桩基发生震害的仅有3项。

　　然而，桩基础作为预防地基失效的重要抗震措施，在地震中其本身也遭受了严重的破坏。在实际的桩基础震害中，有大量上部结构的破坏并不是由于结构的惯性力引起，而是由于如液化、地基失效等场地因素导致桩基损坏，从而使上部结构发生落梁等严重破坏。我国已建的和拟建的高层建筑及桥梁大部分位于沿海地区和大江大河下游地区，这些地区软土和饱和土层分布广泛，场地条件对于抗震而言极为恶劣，可以预想，一旦发生地震，桩基础可能严重受损。

　　大量的地震事实告诉我们，由地震引起的桩基破坏机制与地震时桩的受力情况有关，在地震荷载下，土-桩-上部结构作为一个整体振动，相互影响。因此，研究桩-土-结构在地震作用下的动力特性和动力响应，以及在地震作用下的受力特点及破坏机理，应力、应变的分布规律及其重要。

　　2、选题的目的和意义

　　模拟结构-地基动力相互作用问题一直是模型试验中的重大的理论与实践问题，开展地基-结构动力相互作用体系的振动台模型试验研究，其理论意义在于可以发展和丰富振

　　动台模拟试验技术和动力相似理论，为在实验室模拟实际结构提供指导;获得一整套试验

　　数据，为开展计算分析研究、验证其力学模型和计算方法的合理性奠定基础，从而丰富和

　　发展结构-地基相互作用理论;其实践意义在于可以验证理论与计算分析的研究成果，为工程设计提供依据。

　　本文通过采用较先进的土箱装置，以三种不同性质土作为模型土进行振动台试验，通过试验研究在小、中、大震下单桩、三桩及六桩等典型群桩群桩的惯性相互作用和运动相互作用规律，了解土中桩基和结构的地震反应有关规律，研究桩在破坏前后的抗震性能，并进而研究地震作用下土-桩-结构相互作用的机理。同时，通过理论分析方法与试验结果的比较，验证有关分析方法的可靠性。

　　3、国内外研究综述

　　3.1 国内外地震模型理论综述

　　3.1.1国外的研究方法

　　1970年，penzien等对地震作用下的土-桩-桥梁结构系统提出了一套非线性分析方法。penzien模型把土-桩-桥梁系统离散成一个理想化的集中质量参数系统。用三元件模型模拟粘土介质的动力性状，连接毗邻两个质量的每一装置，由一个双线性滞后型弹簧和一个非线性阻尼器所组成，两者相互并联，然后再与非线性阻尼器串联，研究结果表明，当桩较长，土又较硬时，桩土相互作用对桥梁的动力特性影响不大;只有当土较软，桩又较短时，桩土相互作用对桥梁的影响才显著。他们的方法至今仍被广泛应用。

　　1978年，matlock和foo开发了动力winkler地基梁分析程序spasm8(seismic pile analysis with support motion)。他们采用的方法考虑了上部结构的影响，将单独确定的自由场土位移作为输入激振，采用离散单元力学相似模型表示不同荷载和约束条件下的桩。每一结点中土-桩的耦联是通过多元摩擦块、弹簧和阻尼器的组合来模拟的。土的模型容许在初始弹性状态范围之外将强度的降低表示为挠度和挠曲反复次数的函数。为了合理地模拟的土-桩相互作用，在上部土层容许形成间隙。借助支座相对桩的初始零挠度点的移动来模拟侧向土运动。土的反力-挠度性能曲线根据试验结果得出，用具有某些线性阻尼的非线性模型表示土-桩的耦联关系。

　　1988年，nogami等(提出了一种新模型，该模型通过积分平面应变的方法来分析单桩和群桩。这种模型也是基于winkler假设发展的，并且特别注意到了在动力荷载下，桩轴的邻近区域引起强烈的非线性这一条件;并给出了与频率无关的质量、弹簧和阻尼器的简化公式。该模型可以以相对简单的方式进行时域非线性分析。由于模型本身能产生动力效应，它的参数可通过土-桩系统的静力性能或在静力条件下发展的合理的p-y曲线得到，并且在土-桩界面对裂缝进行了特殊的考虑，

　　1995年，el naggar和novak提出了在瞬态动力荷载和谐和荷载作用下单桩和群桩横向反应的分析模型。模型考虑了土的非线性行为、桩土界面的不连续条件和不同类型阻尼的能量耗散。模型中，桩用普通的梁单元模拟。每一土层的土介质被分成两个环状区域，内场区域考虑非线性，远场区域考虑波从桩往外传播。

　　1999年，boulanger等通过离心机试验和理论分析对非线性动力winkler地基梁法进行了评估。他的分析是基于有限元平台geofeap进行的，所采用的模型如图2.6所示。自由场土柱与桩之间用非线性p-y弹簧和阻尼器相连。非线性p-y行为由弹性分量、塑性分量和裂缝分

　　量串联起来

　　3.1.2国内的研究方法

　　陈熙之等(1985)采用集中参数法研究了桩-土-结构-水体系相互作用的弹塑性地震反应。桩附近的土简化为串联的多质点系，称为等价土体系;远离结构物的场地土不受结构存在的影响，称为自然地基体系;在自然地基与等价体系之间用水平弹簧和阻尼器相联系。水对结构的动力影响包括水的附加质量引起的惯性力及动水阻力。

　　袁万城(1990)提出了考虑sspsi的大跨度桥梁结构非线性地震反应分析，可以等价为一维非线性场地地震反应分析与考虑桩周土弹性约束作用的多点激振下的非线性地震反应分析的方法。桩周土的约束作用可用土弹簧来模拟，土弹簧刚度采用m法确定。这种方法实际是简单了的winkler地基梁模型。范立础等(1992)和胡世德等(1994)将之分别用于分析上海南浦大桥和江阴长江公路大桥纵向地震反应分析。

　　朱晞和王大庆(1992)采用penzien模型，土弹簧刚度用m法计算，他们认为这样处理能满足工程要求。

　　严士超和杜一平采用了penzien模型对电视塔-桩-土相互作用地震反应进行分析。

　　郑海荣(1992)采用penzien模型分析了桩-土-桥墩-流体相互作用体系的地震反应，研究表明：是否采用非一致输入对反应的影响较大，但土体附加质量的大小对桥跨结构的固有振动特性影响甚微，对结构位移反应的影响也不大，可以不计。魏琴等(1994)采用类似模型分析桩-土-桥梁结构相互作用地震反应，但自然地基体系与等价土体系之间的等价水平土弹簧刚度采用m法计算。

　　蒯行成等(1998)采用动力winkler地基梁模型，在求得有限长桩运动微分方程通解的基础上，导出了层状土中桩单元复刚度矩阵。提出了计算层状土中单桩动力阻抗的方法。

　　孙利民等(1999，XX)改进了penzien模型，将原模型的单桩模型变为多桩模型，土-桩间的水平相互作用阻尼采用lysmer等(1966)提出的用粘性阻尼器模拟波动能量向半无限场地逸散的理论来计算。

　　3.2 国内外振动台试验综述

　　3.2.1 国外振动台试验总结

　　1969年，日本的kubo第一个注意模型相似率而进行模型桩振动台试验。他在砂箱里用不同频率的水平方向的正弦激励进行振动台试验。所采用的模型桩一端固定于台面上，模型土为砂土和油的混合物以模拟软土场地。试验表明，随着输入台面运动频率的增加，土层表面运动水平随之增加;桩体上的最大弯曲应力发生在桩顶位置，并随桩深度逐渐减少。

　　yao(1980)将铝管群桩打入淤泥粘土进行静力横向荷载试验和振动台试验。当上部结构的自振频率与土层的频率一致时测到强烈的共振反应。

　　mizuno和iiba(1982)最早对模型施加地震时程激励的，并对模型的相似关系进行了全面的讨论。他们以一11层的公寓建筑为原型，用聚丙烯酰胺(polyacrylamide)和斑脱土(bentonite)的混合物来制造弹性土介质，在土介质周围用含水饱和的聚氨酯泡沫塑料来模拟

　　matsuda等(1988)采用分层土箱进行了饱和砂土振动台试验。在制作场地土模型时采用了一种新的方式，即：首先将砂土加入到容器里，同时从容器的底部注入加压水，使振动台不断地振动，从而将土中的气泡排出，最后停止水的注射，排干土平面的水，使土颗粒下落和沉积。采用这种方式，几乎能够将气泡从土中排尽，土颗粒均匀沉淀。这种方式特别适合制作饱和或部分饱和砂土场地模型。

　　3.2.2 国内振动台试验总结

　　1999年韦晓首先采用刚性土箱进行了一系列的试验，包括单柱桩墩模型、单墩群桩模型、双墩群桩模型试验。试验结果表明：采用单墩比双墩结构形式不利于桥墩结构的抗震;相反双柱墩却比单柱墩结构形式不利于桩基的抗震;单柱桩墩对抗震不利，因为单柱墩没有足够的侧向约束，容易形成桩-土的脱离，加上上部结构的惯性力作用，很容易引起单桩墩柱的弯曲剪切破坏。

　　XX年，陈跃庆等采用圆筒型柔性容器进行了两个阶段的试验。第一阶段为均匀土-基础-结构相互作用试验，以上海软土为模型土原型，小高层建筑为结构原型，桩基为混凝土桩。通过试验分析得到：由于上部结构的振动反馈，改变了基底地震动的频谱组成，使基础处的地震动与自由场地震动不完全相同，基础处的有效地震动输入比自由场地震动小，与体系频率接近的分量获得加强，而有些频率分量则减弱;体系的反应与输入地震动的频率成份有很大关系。第二阶段为分层土-基础-结构相互作用试验，模型土自上而下分别为粉质粘土、砂质粉土和砂土。试验中采用了1/10和1/20两种比例模型研究结构-地基相互作用体系的动力相似关系，在试验加载的全过程中，当激励较小和激励较大时，试验结果具有很好的相似关系，在中间阶段，两者存在差异。影响两个缩尺模型在试验中间阶段的相似关系的主要原因是土体在地震激励下非线性发展程度的差异。

　　XX年，王文剑等采用刚性土箱进行了土-结构相互作用对tmd振动控制影响的振动台模型试验研究。试验表明：土-桩-结构相互作用使体系的频率明显降低，阻尼比增大;桩-土-结构相互作用使tmd振动控制效率降低，其控制效应的变化情况远比刚性基础上的复杂。

　　4 论文的研究内容和研究方法

　　4.1本文的研究内容

　　本试验的主要内容有：

　　4.1.1制作模型箱，设计制作上部结构—phc管桩—土的物理模型;

　　4.1.2测定模型箱的频率和阻尼;

　　4.1.3测定模拟土体的土体材料及混合材料的相关动力学参数;

　　4.1.4针对单桩、典型群桩(3桩、6桩)三种情况，模拟7度与8度以及9度地震烈度，施加地震波振动试验，获得桩基的动力特性和动力响应;

　　4.1.5观察分析桩基的地震后形态，并分析phc管桩在地震作用下的受力特点，应力、应变的分布规律

　　4.1.6采用有限元软件计算试验中模型，通过对比计算机计算结果与试验测得结果，验证分析方法的正确性

　　4.2试验相关设计介绍

　　4.2.1 模型箱

　　将土箱设计成由18层独立的长方形框架叠合而成的长方体容器。容器内尺寸为：长2.0米，宽1.5米，高2.0米，每层钢框架由四根断面为100×100mm的方钢管焊接而成。

　　4.2.2 相似比

　　根据1:15的几何相似比，桩模型尺寸设计如下：每根管桩长1500mm，外径40mm，壁厚7-9mm。单桩模型承台为200mm×200mm正方形，3桩模型为正三角形布置，桩距220mm，承台尺寸为420mm×420mm。6桩模型为2×3矩形布置，双向桩距均为220mm。承台为长方形，尺寸为560mm×360mm×100mm(长×宽×高)。

　　4.2.3 激励荷载

　　本次试验，基本烈度定为7度与8度，每种烈度均拟采用2条地震波与1条人工波作为试验的地震波。其中采用el-centro波，taft波和人工波

　　4.2.4 测点布置

　　试验采用加速度计、位移计测量测承台、桩体以及土体的动力响应，采用应变片量测桩体的应变变化，采用孔隙水压力计测量土体孔隙水压力，采用土压力计测定桩土间压力。

　　在承台表面布置1个加速度计;沿桩体由上到下较均匀地布置4个加速度计，同时考虑上密下疏，并考虑土层变化处;3桩承台时每根模型，6桩承台时选用对称一边的三根桩桩沿桩体由上到下均匀布置7个加速度计;所有试验均在振动台表面布置1个加速度计;土体表面布置2个加速度计，1个位于模型箱中部，1个靠近边缘处。

　　试验中每根桩沿桩体纵向由上到下较均匀地选取4个断面布置应变片，同时考虑上密下疏，并考虑土层变化处。每个断面处布置4个纵向应变片，。

　　试验中沿着上部结构分别布置2个位移计，并在承台表面布置1个位移计。

　　沿桩体在土体中纵向由上到下较均匀地选取3个孔隙水压力计，同时考虑上密下疏，共布9个孔隙水压力计。

　　5 参考文献

　　1、gb5001 1-XX，建筑抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，XX.

　　2、陈国兴. 土体–结构体系地震性能分析研究. 哈尔滨：国家地震局工程力学研究所博士学位论文，1993

　　3、陈跃庆. 结构–地基动力相互作用体系振动台试验研究. 上海：同济大学博士学位论文，XX