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一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法技术

技术编号:19387813 阅读:121 留言:0更新日期:2018-11-10 01:38
本发明专利技术公开了一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,包括:获取岩土材料相关参数:根据获取的参数得到岩土材料的刚度比;建立P1波和P2波经验转换曲线图;根据待测岩土材料的渗透系数和外荷载加载频率,判别出该种岩土材料在P1波和P2波经验转换曲线图中的位置,若该点位于分界线左侧,则属于P1波,相反,若位于分界线右侧,则属于P2波;若属于P1波,即为不排水情况,若属于P2波,即为流固耦合情况。本发明专利技术利用经验转换曲线确定岩土结构动力响应分析的单相和双相(固液)耦合分析适用范围的边界,更有助于设计人员对岩土结构安全性进行全面掌控,为建筑物的抗震设计提供了有力的理论和技术支持。

A method of adaptability analysis of undrained analysis for dynamic safety design of geotechnical structures

The invention discloses a method for judging the adaptability of undrained analysis for dynamic safety design of geotechnical structures, which includes: acquiring the relevant parameters of geotechnical materials: obtaining the stiffness ratio of geotechnical materials according to the obtained parameters; establishing the empirical conversion curves of P1 and P2 waves; and according to the permeability coefficient of geotechnical materials to be measured and the loading frequency of external loads; Identify the location of the geotechnical material in the empirical conversion curve of P1 and P2 waves. If the point is located on the left side of the boundary line, it belongs to P1 wave. On the contrary, if it is located on the right side of the boundary line, it belongs to P2 wave; if it belongs to P1 wave, it belongs to undrained condition; if it belongs to P2 wave, it belongs to fluid-solid coupling condition. The method uses the experience conversion curve to determine the boundary of the applicable range of single-phase and dual-phase (solid-liquid) coupling analysis for dynamic response analysis of geotechnical structures, which is more helpful for designers to control the safety of geotechnical structures in an all-round way, and provides strong theoretical and technical support for seismic design of buildings.

【技术实现步骤摘要】
一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法
本专利技术涉及岩土工程
,特别是涉及一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法。
技术介绍
目前,地震波在岩土材料中传播机理的研究是获得场地地震反应以及相应地震设计反应谱的重要理论基础。目前岩土结构动力安全设计中将岩土结构的动力安全设计按照快波情况下的动力响应进行抗震设计,而慢波情况下对岩土结构的影响考虑较少。在动荷载作用下的饱和岩土材料介质中,会产生三种类型的动力波:P1波、P2波和S波。P波(压缩波)在饱和岩土材料中的传播性质受到岩土材料和动荷载相关参数的影响,当岩土体中孔隙流体和固体颗粒在动态载荷下同相运动时,即产生P1波;而当孔隙流体和固体颗粒异相运动时,会产生P2波。地震工程中通常观测到的P波是P1波,这主要是由于低频荷载下,P2波极易分散和衰减,因而在实地测量或实验室试验中很难观察到P2波。现有技术中,Plona曾在超声频率下(2000Hz)进行实验时发现饱和孔隙介质中存在两种P波,即P1波和P2波,并使用有限元方法分析了P2波在饱和多孔材料中的传播特性,但是该实验研究和数值模拟是在超声频率下(2000Hz)进行的,因为P2波在高频荷载下的分散性和衰减性较低,更容易被发现。这些高频试验有一定的局限性,并不符合岩土地震工程和土动力学的研究频率范围(0-50Hz),对实际工程的指导意义不大。综上所述,现有技术中对于岩土地震工程和土动力学的研究频率范围内如何进行P1波和P2波判断问题,尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足,本专利技术提供了一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,该方法克服了现有技术对超声频率的要求,在常见荷载频率范围(0.1-20Hz)内进行饱和岩土材料中P1波和P2波之间转换判别。一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,包括:获取岩土材料相关参数:获得岩土材料的侧限模量以及岩土材料中水的体积模量,根据获取的参数得到岩土材料的刚度比;建立P1波和P2波经验转换曲线图:获取外荷载的加载频率并根据该加载频率获得相应的岩土材料的渗透系数,获取固定频率下的临界渗透系数,将不同频率下的临界转换点连成曲线,最终建立P1波和P2波经验转换曲线图;根据待测岩土材料的渗透系数和外荷载加载频率,判别出该种岩土材料在P1波和P2波经验转换曲线图中的位置,若该点位于分界线左侧,则属于P1波,相反,若位于分界线右侧,则属于P2波;若属于P1波,该岩土结构在动力安全设计时视为骨架和孔隙水同相运动,即为不排水情况,若属于P2波,该岩土结构在动力安全设计时视为骨架和水异相运动,即为流固耦合情况。进一步的,所述建立P1波和P2波经验转换曲线图时,在获取了岩土材料的刚度比、岩土材料渗透系数的上下界限后,建立数值计算模型,计算该种岩土材料在不同渗透系数以及不同外荷载频率条件下监测点处土体竖向变形随时间的变化曲线。进一步的,在某一固定加载频率下的竖向变形随时间的变化曲线中,当不同渗透系数下的峰值发生变化时说明P1波和P2波开始发生转化,发生转化的渗透系数即为临界渗透系数,与该固定的加载频率组成一个二维坐标点,并将其绘制在以渗透系数为横坐标,以加载频率为纵坐标的笛卡尔坐标系中;改变岩土材料的加载频率,获取另外若干个临界渗透系数与该固定的加载频率组成一个二维坐标点;将获得的二维坐标点在笛卡尔坐标系中用平滑曲线连接,组成P1波和P2波经验转换曲线。进一步的,待测岩土材料在进行P1波和P2波判断时,其刚度比视为定值,其渗透系数以及外荷载的加载频率随运行条件的不同会发生改变;根据岩土材料的渗透系数和外荷载加载频率,由P1波和P2波经验转换曲线图判别出该种岩土材料所在的位置,并与获得的该种岩土材料的P1、P2波分界曲线的位置进行比较。进一步的,所述P1波和P2波经验转换曲线图的横坐标为渗透系数,按照渗透系数从小到大的顺序,适用于淤泥、砂土、粉土、砂粒、砾石、岩石情况,渗透系数范围为1x10-5-1x100m/s;P1波和P2波经验转换曲线图的纵坐标为荷载加载频率,按照荷载加载频率从小到大的顺序,适用于波浪荷载、交通荷载、地震荷载情况,频率范围为0-25Hz。进一步的,P1波和P2波经验转换曲线图中四条示意曲线分别为刚度比为0.01,0.1,1,10的四种情况,实际使用本判别图的过程中,可将计算所得的刚度比采用内插法进行判别。进一步的,岩土材料的侧限模量为在侧限条件下,岩土的竖向应力变化量与其相应的竖向应变变化量的比,侧限模量由试验获得;岩土材料的侧限模量分为岩石材料的侧限模量和土的侧限模量:岩石的侧限模量由常规三轴试验获得,将制备好的岩样装入压力室,然后对试样按照恒定的加载速率同时施加侧向压力和轴向压力至预定值,并保持侧压在试验过程中稳定,之后再对试样按照恒定的加载速率施加轴向荷载,直至试件破坏,试验结束后,将试验结果即试验过程中应力和应变值做比得到岩石侧限模量;土的侧限模量由固结试验测得,分为土样的制备、饱和、加压几个阶段,对试样分级加压进行固结,每一级压力下固结24小时,再施加下一级压力,依次逐级加压至试验结束。进一步的,外荷载的加载频率主要分为波浪荷载的加载频率以及地震、交通荷载的加载频率两类,其中波浪荷载的加载频率采用动态信号采集仪将波高仪采集到的信息转化为波浪荷载的振幅和频率,交通和地震荷载的加载频率采用动态信号采集仪将加速度振动传感器测得的电压信号转化为所需的振幅和频率。进一步的,岩土材料的渗透系数由试验获得,具体方法分为岩石材料的渗透系数和土的渗透系数两类,由于土的渗透系数变化范围较大,通常渗透系数的测定包括常水头试验和变水头试验两种;岩石材料的渗透系数的大小根据达西定律来测定,依次对试样施加轴向荷载、围压和渗水压力,其中轴向荷载采用材料试验机加载,围压和渗水压力采用高压水泵加压,同一试件测若干次渗透系数取平均值;常水头渗透试验指使用常水头渗透仪测出渗流量,不同点的水头高度,从而计算出渗流速度和水力梯度,进一步求得渗透系数;变水头渗透试验指在整个试验过程中,试验水头逐渐下降,最后趋近于零。根据套管内的试验水头下降的速度与时间的关系,计算试验土层的渗透系数。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:本专利技术提出了一种土动力学中常见荷载频率范围(0.1-20Hz)内饱和岩土材料中P1波和P2波的转换判别方法,即一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,这种经验转换曲线可以用来作为确定岩土结构动力响应分析的单相和双相(固液)耦合分析适用范围的边界,更有助于设计人员对岩土结构安全性进行全面掌控,为建筑物的抗震设计提供了有力的理论和技术支持。相比于超声频率下(2000Hz)进行的研究,本专利技术考虑了土动力学中常见荷载频率研究范围(0.1-20Hz),对饱和岩土材料中P波传播机理进行了分析,综合考虑了不同岩土材料渗透系数、岩土材料刚度和加载频率对P1波与P2波相互作用及转换机理的影响,提出了一种P1波和P2波经验转换曲线,这种经验转换曲线可以用来作为确定岩土结构动力响应分析的单相和双相耦合分析适用范围的边界,因此具有重要工程指导意义和实用价值。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,其特征是,包括:获取岩土材料相关参数:获得岩土材料的侧限模量以及岩土材料中水的体积模量,根据获取的参数得到岩土材料的刚度比;建立P1波和P2波经验转换曲线图:获取外荷载的加载频率并根据该加载频率获得相应的岩土材料的渗透系数,获取固定频率下的临界渗透系数,将不同频率下的临界转换点连成曲线,最终建立P1波和P2波经验转换曲线图;根据待测岩土材料的渗透系数和外荷载加载频率,判别出该种岩土材料在P1波和P2波经验转换曲线图中的位置,若该点位于分界线左侧,则属于P1波,相反,若位于分界线右侧,则属于P2波;若属于P1波,该岩土结构在动力安全设计时视为骨架和孔隙水同相运动,即为不排水情况,若属于P2波,该岩土结构在动力安全设计时视为骨架和水异相运动,即为流固耦合情况。

【技术特征摘要】
1.一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,其特征是,包括:获取岩土材料相关参数:获得岩土材料的侧限模量以及岩土材料中水的体积模量,根据获取的参数得到岩土材料的刚度比;建立P1波和P2波经验转换曲线图:获取外荷载的加载频率并根据该加载频率获得相应的岩土材料的渗透系数,获取固定频率下的临界渗透系数,将不同频率下的临界转换点连成曲线,最终建立P1波和P2波经验转换曲线图;根据待测岩土材料的渗透系数和外荷载加载频率,判别出该种岩土材料在P1波和P2波经验转换曲线图中的位置,若该点位于分界线左侧,则属于P1波,相反,若位于分界线右侧,则属于P2波;若属于P1波,该岩土结构在动力安全设计时视为骨架和孔隙水同相运动,即为不排水情况,若属于P2波,该岩土结构在动力安全设计时视为骨架和水异相运动,即为流固耦合情况。2.如权利要求1所述的一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,其特征是,所述建立P1波和P2波经验转换曲线图时,在获取了岩土材料的刚度比、岩土材料渗透系数的上下界限后,建立数值计算模型,计算该种岩土材料在不同渗透系数以及不同外荷载频率条件下监测点处土体竖向变形随时间的变化曲线。3.如权利要求1所述的一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,其特征是,在某一固定加载频率下的竖向变形随时间的变化曲线中,当不同渗透系数下的峰值发生变化时说明P1波和P2波开始发生转化,发生转化的渗透系数即为临界渗透系数,与该固定的加载频率组成一个二维坐标点,并将其绘制在以渗透系数为横坐标,以加载频率为纵坐标的笛卡尔坐标系中;改变岩土材料的加载频率,获取另外若干个临界渗透系数与该固定的加载频率组成一个二维坐标点;将获得的二维坐标点在笛卡尔坐标系中用平滑曲线连接,组成P1波和P2波经验转换曲线。4.如权利要求1所述的一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,其特征是,待测岩土材料在进行P1波和P2波判断时,其刚度比视为定值,其渗透系数以及外荷载的加载频率随运行条件的不同会发生改变;根据岩土材料的渗透系数和外荷载加载频率,由P1波和P2波经验转换曲线图判别出该种岩土材料所在的位置,并与获得的该种岩土材料的P1、P2波分界曲线的位置进行比较。5.如权利要求1所述的一种岩土结构动力安全设计不排水分析适应性判别方法,其特征是,所述P1波和P2波经验转换曲线图的横坐标为渗透系数,按照渗透系数从小到大的顺序,适用于淤泥、砂土、粉土、砂粒、砾石、岩石情况,渗透系数范围为1x10-5-1x100m/s;P1波和P2波经验...

【专利技术属性】
技术研发人员:韩勃张晓刘健解全一崔晓琳
申请(专利权)人:山东大学
类型:发明
国别省市:山东,37

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