淺談巖土動剪切模量阻尼試驗及應用研究

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1、中國地震局工程力學研究所博士學位論文巖土動剪切模量阻尼試驗及應用研究姓名：孫靜申請學位級別：博士專業(yè)：巖土工程指導教師：袁曉銘20040601摘要巖土動剪切模量和阻尼是巖土動力學特性中的兩個重要參數(shù)，國內外許多學者進行了較廣泛的研究。并取得了許多有價值的研究成果，但無論是理論上的認識還是工程上的應用方面都有待提高。本文從其試驗技術、試驗研究和應用角度，采用試驗、理論分析和數(shù)值模擬等多種手段，對巖土的動剪切模量阻尼有關的幾個重要問題進行深入研究，內容主要包括試驗技術和試驗可靠性分析方法、土動剪切模量理論以及土動剪切模量阻尼的應用等三個方面的工作。在試驗技術和

2、可靠性分析方法方面，本文著重研究有關共振柱試驗機的兩個重要問題：一是固定．自由型共振柱常規(guī)試驗可靠性分析技術方法；二是新共振柱試驗機測試剛性試件新功能的實現(xiàn)技術及試驗可靠性分析方法。在固定．自由型共振柱常規(guī)試驗可靠性分析技術方法上，本文發(fā)展了固定．自由型共振柱常規(guī)試驗可靠性分析理論，建立了一套自身可靠性檢驗的分析方法和技術。提出了固定．自由型共振柱儀剪切模量、應變和阻尼比誤差的分析公式，得到了關于幾種主要控制因素和其影響程度的新認識，并用于指導試驗和分析工作。按照所建立的分析方法和技術，對新研制的多功能共振柱試驗機的常規(guī)試驗功能進行了可靠性檢驗，為今后該儀

3、器進行常規(guī)土類試驗奠定了基礎。在新共振柱試驗機測試剛性試件新功能實現(xiàn)技術及試驗可靠性分析方法上，本文提出了一種修正方法，給出了測試剛性試件的自振和共振修正曲線，使新研制的共振柱試驗機這一重要的新功能可付諸實施。同時，建立了一套檢驗其可靠性的分析方法和技術，包括誤差分析、試驗頻率誤差、試驗結果相關性和自振共振修正曲線驗證等多種技術手段。建立了共振柱剮性試件剪切模量、應變和阻尼比誤差的分析公式，得到了幾種主要影響因素和其影響程度的新認識，并用于指導試驗和分析工作。利用所建立的分析方法和技術，對新共振柱試驗機測試剛性試件動剪切模量功能的可靠性進行了檢驗。在土動剪

4、切模量理論方面，本文著重研究固結比對土動剪切模量的影響這一非常重要但爭論較大的問題。利用新共振柱試驗機和動三軸儀進行了大量系統(tǒng)試驗，本文提出了一個非均等固結下土最大動剪切模量新的增長模式和新的公式，并對Hardin公式進行了修正。結果表明，描述非均等固結對最大動剪切模量影響較為合適的方式是以冪函數(shù)模式建立非均等固結下最大動剪切模量相對于均等固結下最大動剪切模量的增量d吲G加和固結比的增量缸1之間的關系，即AG。／G嘶=D他·1)s。新公式中最大動剪切模量是?。?冪函數(shù)形式，不同于Hardin公式中dGMG鋤～k近似直線的增長關系，危≯1最大動剪切模量較k=

5、1時增長的程度明顯比Hardin公式要大。同時通過新共振柱試驗機大量系統(tǒng)的試驗，得到了不同固結比對土動剪切模量與剪應變非線性關系的影響規(guī)律。在土動剪切模量阻尼應用方面，本文主要研究三個重要問題：一是對以往規(guī)范中不合理的土動剪切模量阻尼值進行糾正；二是研究考慮實際非均等固結下土的動剪切模量對土層地震反應的影響：三是建立一種考慮豎向地震動與土動力特性變化之間的簡化關系，供抗震規(guī)范和工程上簡化分析使用。針對以往規(guī)范中土動剪切模量和阻尼比參考值的不合理性和產生的誤導作用，本文通過與國內外±動力學參數(shù)的對比研究以及土層地震反應的對比計算，說明了近來給出的新推薦值的合

6、理性和適用性，糾正以往的偏差，以用在規(guī)范修訂上。綜合分析結果表明，與原規(guī)范值相比，新推薦值與國內外結果接近許多，特別是與國內結果相差不大，且避免了土層地震反應中地表反應譜“矮、粗、胖”現(xiàn)象，也可避免以往產生的誤導作用。目前，此成果已被接納到規(guī)范修訂的相應條文說明內容中。在考慮實際非均等固結下土的動剪切模量對土層地震反應影響的研究上，本文分別計算了動剪切模量比和最大動剪切模量的作用。結果表明，對于小震和中震，是否取非均等固結下土的動剪切模量影響不大，基本可以忽略；但對于大震和深厚土層，在實際應用時應適當考慮實際非均等固結下土的動剪切模量對土層地震反應的影響。

7、另外，同比條件下，土的動剪切模量比對土層地震反應的影響程度要比最大動剪切模量影響程度大得多，說明土的非線性對土層地震反應會產生更顯著影響，在理論研究和實際工程應用中應引起更多的重視。在簡化分析豎向地震動對土動力性能影響上，本文通過計算建立了一種考慮豎向地震動與土動力特性變化之間的簡化關系，可供抗震規(guī)范和工程上使用。以土剪應變增量的變化作為反映豎向地震動對土動力特性影響的基本指標，提出一種簡化分析方法，建立了考慮豎向地震動與土體地表最大剪應變相對增量之間的簡化計算公式，公式中包含了場地類別、峰值比、輸入加速度峰值和土層厚度等基本因素，便于工程應用。將簡化方法

8、應用到動模量阻尼的估計上，建立了考慮豎向地震動與土體動剪切模量比阻