砂石垫层在水平振动下的响应分析★

马新宇 王 翔 常 河 蒋红英

(西京学院土木工程学院，陕西 西安 710123)

砂石垫层在水平振动下的响应分析★

马新宇 王 翔 常 河 蒋红英

(西京学院土木工程学院，陕西 西安 710123)

基于二维模拟实验，研究了在水平动荷载下砂石垫层动力的反应情况，对一个固定频率状况下颗粒响应后产生的位移及内部的耗散性能进行了分析，探讨了振动时间对散体材料结构影响及竖向深度方向下的响应规律，为更好的研究散体材料结构的减震特性提供了科学的依据。

砂石堆实验，动荷载，耗散，减震

砂石垫层是典型的散粒体结构。而散粒体结构“散”和“动”是散体材料结构最主要的力学特性。散粒体材料不均匀且各向异性[1]，有着许多不同于固体和流体的力学行为特性。散粒体的不连续性，颗粒之间存在着复杂的相互作用使得微观行为非常复杂。当外力介入时，内部有应力链，具有耗散性。近年来，国内外对散粒体结构性质的研究已有了许多的成果，但对于散粒体结构的研究还很不够[2]，尤其是动力性质的研究还很欠缺，由于颗粒结构性所产生诸多复杂特性，不符合经典弹性理论和常规弹塑性理论。因此还需要大量的实验积累和理论研究。本文通过实验，模拟了水平地震力作用下散体材料垫层的响应情况，应用非线性的随机动力学系统分析了散粒体结构的响应情况。

1 模拟实验

自行设计二维实验设备——有机玻璃盒子(150 mm×40 mm×20 mm)，放在水平振动台(精度为0.1 mm)，以模拟水平地震振动，频率和振幅为给出设定值，加载过程为：从零逐渐增加到某一给定值，然后逐渐卸载。以铁块加在散体材料垫层上面模拟附加压力，缩小比例为1∶50。填装高度、颗粒位移和级配破坏深度以毫米测量。实验粒径分别采用四种大小不同的颗粒粒径均值为1.15 mm的砾石、粒径均值为2.75 mm的砾石。在有机玻璃容器中，颗粒堆用黑色、红色和黄色石子分层，用白色石子分格。振动频率定为15 Hz，观测不同的时间段散体材料结构内部的响应情况。填装高度20.00 cm。砂碎石铺设状况如图1所示。

2 实验现象分析

2.1 砂石垫层内部的响应

实验结果表明：散体材料结构中动量的耗散是指散体材料结构对振动波的吸收作用[4]，颗粒在外界能量的输入下运动，因此，与振动的时间有关。由于材料内部结构的变化，产生了宏观上的效果。系统内部自组织，旧的平衡状态破坏，新的平衡状态产生。由于颗粒的各项异性，颗粒运动具有明显的随机性，同时也破坏了外部稳定有序的干扰，颗粒群的行为可看成粘滞耗散[5]。设实验时输入的动能均匀，是正弦波传播。由于有耗散发生，褥垫层的设置会阻隔剪切波向上部结构的传播,减少了输入结构的地震能量。因此有减震作用(图2为模拟建筑物顶部振动状况监测图)。

在动力作用下，颗粒堆离开了平衡状态，垫层结构中的由颗粒体搭起的拱群结构开始失稳，随着振动增大或振动时间的延续，越来越多的拱结构群崩塌。材料颗粒体获得了能量，具有了动能，被迫克服剪阻力(颗粒表面的摩擦力、咬合力及碰撞)移动。因此改变了原有的互相之间的约束条件，颗粒系统内产生了非线性的复杂的相互作用，外部传来的能量在碰撞和克服剪阻力中不断的衰减、耗散，使能量越来越小，直到耗尽为止，颗粒重新搭起拱结构群，颗粒稳定。消耗能量的演变过程是以材料内部结构的一种不可逆的内变为代价的，原有状态是不可恢复的。

2.2 随振动时间的发展规律

实验振动结果：设振动频率固定为15 Hz，振动时间分别为1 min，1.6 min，2 min，3 min。当振动时间t=1 min时，散体材料垫层上部颗粒大多已变得不稳定，颗粒间出现离析现象，分格层开始紊乱，外部可看见表层小颗粒的移动。当振动时间2 min左右，颗粒级配有较大的变化，当振动时间3 min时，颗粒级配已严重破坏，上部黑层大多消失，出现在原有位置的下方。即：随着振动时间的加长，本来密实的散体材料垫层出现松散，颗粒分离现象逐渐严重，且涉及的范围逐渐加大、加深。发生颗粒堆的离析现象，其深度是随着振动时间的增加而增加，但增加的速率有所不同，当振动时间从1 min～1.6 min增长时，其深度变化增加的速度较缓慢，再由1.6 min～2 min时涉及变化的深度增加较快。

3 砂石颗粒位移的特征

4 结语

根据分析结果：1)颗粒之间产生的相对运动的特征是粘滑运动。2)当固定频率时，砂石颗粒位移量主要与振动时间和自身的物理、力学性质有关。3)颗粒运动随着深度的增大响应迅速减小。

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Responseanalysisofsandgravelcushionunderhorizontalvibration★

MAXin-yuWANGXiangCHANGHeJIANGHong-ying

(CollegeofCivilEngineering,XijingCollege,Xi’an710123,China)

Based on two-dimensional simulation experiment, the paper studies the dynamic response conditions of sand-gravel cushion under horizontal load, analyzes particle displacement and internal dissipation under a fixed frequent conditions, and explores the response law of vibration time upon discrete material structure and vertical depth, which has provided scientific basis for better studying seismic reducing properties of discrete material structure.

sand-gravel cushion, dynamic load, dissipation, shock absorptio

1009-6825(2014)33-0037-02

2014-09-17 ★：陕西省科技计划(工业攻关)项目(项目编号：2014K07-28)；西京学院大学生创新项目

马新宇(1989- )，男，在读本科生； 王 翔(1992- )，男，在读本科生； 常 河(1991- )，男，在读本科生； 蒋红英(1959- )，女，博士，教授

TU444

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