CN107271637A - 一种大型振动液化试验系统及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大型振动液化试验设计方法，包括以下步骤：Stp1、开挖大型试验坑并回填砂土后饱和；Stp2、在试验坑内布置耐水性炸药和孔隙水压力传感器；Stp3、多组单点爆炸液化试验，建立单点爆炸液化预测公式；Stp4、进行多药包试爆试验，建立多药包爆炸液化预测公式；Stp5、根据预测公式得到振动液化试验系统预测参数；Stp6、进行多点爆炸液化验证试验，确定大面积振动液化试验系统设计参数。通过该方法可实现大面积振动液化试验环境的人工模拟、准确掌握实际土体液化响应规律和特征以及拓展液化环境中大型结构物的灾变试验等多重目的。发明同时公开一种大型振动液化试验系统，系统具有试验规模大、后期试验经济成本低、适应性广、可拓展性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种大型振动液化试验系统及设计方法。
背景技术
以往在研究地震荷载作用下土体的动力响应特性以及建(构)筑物的受力或变形情况时一般采用室内三轴仪、振动台或离心机等设备，然而室内模型试验通常都在尺寸效应、边界效应等方面存在缺陷，结果的可靠性与试验设备直接相关。鉴于地震发生时间和地点的不可预知性，无法等待地震发生时开展相关试验研究，同时考虑到爆炸地震动与天然地震在诸多方面的相似性，国内外学者开始尝试利用土中爆炸技术合理地安排药包位置、引爆顺序及微差延时，将一系列爆源所产生的地震动在试验区域内合理地延续，创造出与天然地震相似的持续震荡，以实现原位场地人工模拟地震的诱发。
同样地，在振动液化场地内开展大尺寸建(构)筑物的灾变分析研究时，室内仪器设备已不能满足要求。而目前较为新颖的手段是利用多个小型药包相隔一定距离分散布置于土层中(单层或多层)，每个相邻药包设置毫秒延时，以期获得类似地震作用时持续震荡的荷载。目前该方法对于多点微差爆炸液化试验的参数设计主要依赖于对已有试验数据的归纳统计及在此过程中形成的经验判断，尚未形成一套可靠的设计方法和试验系统，无法指导大型振动液化试验环境的人工模拟。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明一种大型振动液化试验系统及设计方法。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种大型振动液化试验设计方法，包括以下步骤：
Stp1、开挖大型试验坑，在坑壁铺设无纺土工布形成回填区域，坑内回填砂土后蓄水饱和；
Stp2、在所述试验坑内钻设多个药孔和孔隙水压力传感器孔，将耐水性炸药和孔隙水压力传感器分别布置在所述药孔和孔隙水压力传感器孔中；
Stp3、调整所述耐水性炸药的药量和埋药深度进行多组单点爆炸液化试验，利用数值模型分析药量、埋深对液化程度和范围的影响，建立单点爆炸液化预测公式，获得场地封闭爆炸的临界比例埋深和单药孔合理用药量；
Stp4、进行多药包试爆试验，获得爆炸液化叠加效应及规律，利用数值模型对总药量、布置形式、起爆延时因素进行优化，建立多药包爆炸液化预测公式，获得大型振动液化试验环境的爆炸设计参数；
Stp5、根据得到的单点爆炸液化预测公式和多药包爆炸液化预测公式，得到振动液化试验系统预测参数；
Stp6、进行多点爆炸液化验证试验，确定大面积振动液化试验系统设计参数。
较佳的，所述Stp1中试验坑内采用挖机抛掷和碾压的方式回填细砂，通过静力触探试验确定场地密实度。
较佳的，所述Stp3中单点爆炸液化预测公式为：
ru＝0.55-0.256(λ)·ln(Z)+1.154ln(λ)；
式中：ru为超孔隙水压力比；Z为布药圈内侧比例距离；λ为药包比例埋深；R为爆距；d为药包埋深；WTNT为炸药TNT当量。
较佳的，所述Stp4中多药包爆炸液化预测公式为：
ru＝2.268-0.769ln(Z)；
式中：ru为超孔隙水压力比；Z为布药圈内侧比例距离；R为爆距；WTNT为炸药TNT当量。
较佳的，所述单点爆炸液化预测公式和多药包爆炸液化预测公式中，当λ≥2.5m/kg1/3时，取λ＝2.5m/kg1/3。
一种大型振动液化试验系统，用上述大型振动液化试验设计方法得到，包括：
试验坑，用于进行振动液化试验，所述试验坑内回填有饱和砂土，所述试验坑内设有环形布药圈，所述布药圈上钻设有多个药孔；
爆炸模块，用于通过爆炸形成大面积液化场地，所述爆炸模块包括多组耐水性炸药和高能脉冲起爆器，所述耐水性炸药布置在所述药孔内，其通过导爆管雷管与所述高能脉冲起爆器相连；
数据采集模块，用于采集振动液化试验数据，其布置在所述试验坑内，所述数据采集装置包括孔隙水压力传感器、振动传感器和高速动态数据采集仪，所述布药圈内侧钻设有多个孔隙水压力传感器孔，所述孔隙水压力传感器布置在所述孔隙水压力传感器孔内，所述振动传感器布置于所述孔隙水压力传感器正上方且靠近地表处，所述孔隙水压力传感器和振动传感器均与所述高速动态数据采集仪连接。
较佳的，所述药孔呈扇形或环形布置，所述孔隙水压力传感器孔呈辐射状布置于所述布药圈内侧。
较佳的，所述孔隙水压力传感器与所述耐水性炸药分别固定在尺条上，所述尺条表面设有刻度，一端具有凹口，所述凹口中心处的刻度为零，所述耐水性炸药固定在两根对称所述尺条的凹口中，所述孔隙水压力传感器固定在单根所述尺条的凹口处。
较佳的，所述试验坑的坑壁覆盖有无纺土工布。
较佳的，所述试验坑有效直径16m、深度3m，土质类别为细砂，土层初始相对密实度30-35％；所述耐水性炸药共有8个，每个所述耐水性炸药TNT当量均为0.48kg，埋深2m，埋设半径6m。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
本发明大型振动液化试验设计方法先通过单点爆炸试验确定试验场地单药包合理用药量及封闭爆炸临界比例埋深，获得单点爆炸液化预测方法，再通过多药包试爆试验及数值模拟对爆炸延时、药量及药包布置方式等参数进行动态优化并验证，能够获得爆炸振动液化预测方法及设计参数，可实现大面积振动液化试验环境的人工模拟、准确掌握实际土体液化响应规律和特征以及拓展液化环境中大型结构物的灾变试验等多重目的。
通过该设计方法得到的大型振动液化试验系统具有试验规模大、后期试验经济成本低、适应性广、可拓展性强等优点，而对药量、起爆延时等设计参数进行影响分析，可以经济合理地制造大面积液化场地，有利于其在岩土工程振动液化特性试验研究领域的推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明大型振动液化试验设计方法的流程图；
图2是本发明大型振动液化试验设计系统的结构图；
图3是爆炸模块的结构图；
图4是数据采集模块的结构图。
图中数字表示：
1.试验坑 2.无纺土工布 3.耐水性炸药 4.孔隙水压力传感器 5.振动传感器 6.高能脉冲起爆器 7.导爆管雷管 8.尺条 9.高速动态数据采集仪
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
如图1所示，其为本发明大型振动液化试验设计方法的流程图，该设计方法包括以下步骤：
Stp1、在野外场地开挖大型试验坑，在坑壁铺设无纺土工布形成回填区域，然后在坑内回填砂土后蓄水饱和。
Stp2、在所述试验坑内钻设多个药孔和孔隙水压力传感器孔，将耐水性炸药和孔隙水压力传感器分别布置在所述药孔和孔隙水压力传感器孔中。
Stp3、调整耐水性炸药的药量和埋药深度进行多组单点爆炸液化试验，利用数值模型分析药量、埋深对液化程度和范围的影响，建立单点爆炸液化预测公式，获得场地封闭爆炸的临界比例埋深和单药孔合理用药量。
Stp4、进行多药包试爆试验，获得爆炸液化叠加效应及规律，利用数值模型对总药量、布置形式、起爆延时因素进行优化，建立多药包爆炸液化预测公式，获得大型振动液化试验环境的爆炸设计参数。
Stp5、根据得到的单点爆炸液化预测公式和多药包爆炸液化预测公式，得到振动液化试验系统预测参数。
Stp6、进行多点爆炸液化验证试验，确定大面积振动液化试验系统设计参数，根据设计参数建造大面积振动液化试验系统。
通过该大型振动液化试验设计方法能够获得爆炸振动液化预测方法及设计参数，可实现大面积振动液化试验环境的人工模拟、准确掌握实际土体液化响应规律和特征以及拓展液化环境中大型结构物的灾变试验等多重目的。
实施例2
本实施例在上述实施例的基础上，包括以下步骤：
Stp1、在野外场地开挖大型试验坑，在坑壁铺设无纺土工布形成回填区域，然后在坑内回填砂土后蓄水饱和，蓄水21天，通过静力触探试验确定场地密实度。本发明的回填材料可控，试验坑内采用挖机抛掷和碾压的方式回填细砂，可通过回填方式控制场地密实度，且根据试验要求可在坑内填筑黏土等其他土层材料，大面积填土条件可以更为准确掌握实际土体液化响应规律和特征。
Stp2、在所述试验坑内钻设多个药孔和孔隙水压力传感器孔，将耐水性炸药和孔隙水压力传感器分别布置在所述药孔和孔隙水压力传感器孔中，药包和孔隙水压力传感器绑扎固定在带有刻度的尺条上插入至指定深度，有效控制耐水性炸药埋深，药包长径比控制在4:1以内。
Stp3、调整耐水性炸药的药量和埋药深度进行多组单点爆炸液化试验，利用数值模型分析药量、埋深对液化程度和范围的影响，建立单点爆炸液化预测公式，获得场地封闭爆炸的临界比例埋深和单药孔合理用药量，所述单点爆炸液化预测公式为：
ru＝0.55-0.256(λ)·ln(Z)+1.154ln(λ)； (1)
式中：ru为超孔隙水压力比；Z为布药圈内侧比例距离，λ为药包比例埋深，R为爆距；d为药包埋深；WTNT为炸药TNT当量。
Stp4、进行多药包试爆试验，获得爆炸液化叠加效应及规律，利用数值模型对总药量、布置形式、起爆延时因素进行优化，建立多药包爆炸液化预测公式，获得大型振动液化试验环境的爆炸设计参数，所述多药包爆炸液化预测公式为：
ru＝2.268-0.769ln(Z)； (2)
式中：ru为超孔隙水压力比；Z为布药圈内侧比例距离，λ为药包比例埋深；R为爆距；WTNT为炸药TNT当量。
根据公式(1)和(2)，当ru无限接近于1时，即表示场地某处发生完全液化。当λ≥2.5m/kg1/3时，取λ＝2.5m/kg1/3，因为当药包比例埋深大于2.5时，表示深埋状态，此时从能量角度，爆炸能完全作用于周围土体，不再从地表溢出。即上述公式适用于药包浅埋和深埋状态。
Stp5、根据得到的单点爆炸液化预测公式和多药包爆炸液化预测公式，得到振动液化试验系统预测参数，即某处的布药圈内侧比例距离Z小于等于5.2m/kg1/3时，此处的超孔隙水压力比ru大于等于1，认为实际布药圈内所有地方达到完全液化状态。
Stp6、进行多点爆炸液化验证试验，验证预测参数，确认大面积振动液化试验系统设计参数，根据设计参数建造大面积振动液化试验系统。
通过该设计方法得到的大型振动液化试验系统具有试验规模大、试验经济成本低、适应性广、可拓展性强等优点。而通过对药量、起爆延时等设计参数进行影响分析，可以经济合理地制造大面积液化场地，有利于其在岩土工程振动液化特性试验研究领域的推广。
实施例3
结合图2所示，其为本发明一种大型振动液化试验设计系统的结构图，系统包括试验坑1、爆炸模块和数据采集模块。所述试验坑1用于进行振动液化试验，试验坑1的坑壁覆盖有无纺土工布2，坑内回填有饱和砂土。所述爆炸模块用于通过爆炸形成大面积液化场地，所述爆炸模块包括多个耐水性炸药3。所述数据采集模块用于采集振动液化试验数据，其布置在所述试验坑1内。
所述试验坑1内设有环形布药圈，布药圈上钻设有多个药孔，所述耐水性炸药3布置在药孔内。所述数据采集装置包括孔隙水压力传感器4、振动传感器5和高速动态数据采集仪9。在试验坑1的布药圈内侧钻设有多个孔隙水压力传感器孔，所述孔隙水压力传感器4布置在所述孔隙水压力传感器孔内，用于测定超孔隙水压力。所述振动传感器5布置于孔隙水压力传感器4正上方且靠近地表，所述孔隙水压力传感器4和振动传感器5均与高速动态数据采集仪9连接。
本系统通过在试验坑1内的起爆耐水性炸药3，使试验坑1内砂土获得类似地震作用时持续震荡的荷载，利用多个药包微差爆炸产生的循环压缩或剪切作用，从而获得大面积液化环境，数据采集模块对试验数据进行采集，验证系统测试参数的准确性，准确掌握实际土体液化响应规律和特征。
该系统得到的室外大面积液化场地可以有效提升试验规模，避免室内模型试验的尺寸效应、边界效应等问题，拓展了开展地震振动及液化试验的基础条件，且使所处的试验环境更加接近工程实际。
实施例4
本实施例在上述实施例的基础上，结合图3所示，所述耐水性炸药3固定在尺条8上，所示尺条8表面设有刻度，其中一端具有凹口，所述凹口中心处的刻度为零。耐水性炸药3绑扎在两根对称尺条8的凹口中，通过导爆管雷管7与高能脉冲起爆器6相连。系统通过尺条8插入深度控制药包埋深，通过高能脉冲起爆器6控制耐水性炸药3的起爆。结合图4所示，所述孔隙水压力传感器4固定在单根所述尺条8的凹口处，其与高速动态数据采集仪9连接。
试验坑1中的药孔呈扇形布置在布药圈上，孔隙水压力传感器孔呈辐射状布置于布药圈内侧。固定耐水性炸药3和孔隙水压力传感器4的尺条8分别插入到药孔和孔隙水压力传感器孔的指定深度，通过控制尺条8位置实现药包埋深调节，方便试验操作。
实施例5
本实施例与上述实施例不同之处在于，所述试验坑1的参数为有效直径16m、深度3m，回填土质类别为细砂，土层初始相对密实度30-35％。耐水性炸药3环形布置在布药圈上，药包共有8个，每个药包TNT当量均为0.48kg，埋深2m，埋设半径6m。试验起爆方式为相邻药包间的起爆间隔时间为310ms，顺序起爆、间隔起爆或两两成对起爆。
该系统的总药量为3.84kg，在半径为6m的圈上均匀布置，可计算得到场地中布药圈内侧比例距离Z的范围为3.83-4.91m/kg1/3，满足Z≤5.2m/kg1/3的液化条件，即可保证获得半径不小于6m的液化试验场地。
该试验系统的参数由本发明大型振动液化试验设计方法得到，试验系统具有规模大、后期试验经济成本低、适应性广、可拓展性强等优点，为开展振动液化环境中的大尺寸建(构)筑物灾变试验研究提供了基本条件，可以有效的避免室内模型试验的尺寸效应、边界效应等问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种大型振动液化试验设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
Stp1、开挖大型试验坑，在坑壁铺设无纺土工布形成回填区域，坑内回填砂土后蓄水饱和；
Stp2、在所述试验坑内钻设多个药孔和孔隙水压力传感器孔，将耐水性炸药和孔隙水孔隙水压力传感器分别布置在所述药孔和孔隙水压力传感器孔中；
Stp3、调整所述耐水性炸药的药量和埋药深度进行多组单点爆炸液化试验，利用数值模型分析药量、埋深对液化程度和范围的影响，建立单点爆炸液化预测公式，获得场地封闭爆炸的临界比例埋深和单药孔合理用药量；
Stp4、进行多药包试爆试验，获得爆炸液化叠加效应及规律，利用数值模型对总药量、布置形式、起爆延时因素进行优化，建立多药包爆炸液化预测公式，获得大型振动液化试验环境的爆炸设计参数；
Stp5、根据得到的单点爆炸液化预测公式和多药包爆炸液化预测公式，得到振动液化试验系统预测参数；
Stp6、进行多点爆炸液化验证试验，确定大面积振动液化试验系统设计参数。
2.如权利要求1所述的大型振动液化试验设计方法，其特征在于，所述Stp1中试验坑内采用挖机抛掷和碾压的方式回填细砂，通过静力触探试验确定场地密实度。
3.如权利要求2所述的大型振动液化试验设计方法，其特征在于，所述Stp3中单点爆炸液化预测公式为：
ru＝0.55-0.256(λ)·ln(Z)+1.154ln(λ)；
<mrow>
<mi>Z</mi>
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<mi>R</mi>
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</mrow>
式中：ru为超孔隙水压力比；Z为布药圈内侧比例距离；λ为药包比例埋深；R为爆距；d为药包埋深；WTNT为炸药TNT当量。
4.如权利要求2所述的大型振动液化试验设计方法，其特征在于，所述Stp4中多药包爆炸液化预测公式为：
ru＝2.268-0.769ln(Z)；
<mrow>
<mi>Z</mi>
<mo>=</mo>
<mi>R</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
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</mrow>
</msubsup>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中：ru为超孔隙水压力比；Z为布药圈内侧比例距离；R为爆距；WTNT为炸药TNT当量。
5.如权利要求3所述的大型振动液化试验设计方法，其特征在于，所述单点爆炸液化预测公式和多药包爆炸液化预测公式中，当λ≥2.5m/kg1/3时，取λ＝2.5m/kg1/3。
6.一种大型振动液化试验系统，用如权力要求1所述的大型振动液化试验设计方法得到，其特征在于，包括：
试验坑，用于进行振动液化试验，所述试验坑内回填有饱和砂土，所述试验坑内设有环形布药圈，所述布药圈上钻设有多个药孔；
爆炸模块，用于通过爆炸形成大面积液化场地，所述爆炸模块包括多组耐水性炸药和高能脉冲起爆器，所述耐水性炸药布置在所述药孔内，其通过导爆管雷管与所述高能脉冲起爆器相连；
数据采集模块，用于采集振动液化试验数据，其布置在所述试验坑内，所述数据采集装置包括孔隙水压力传感器、振动传感器和高速动态数据采集仪，所述布药圈内侧钻设有多个孔隙水压力传感器孔，所述孔隙水压力传感器布置在所述孔隙水压力传感器孔内，所述振动传感器布置于所述孔隙水压力传感器正上方且靠近地表处，所述孔隙水压力传感器和振动传感器均与所述高速动态数据采集仪连接。
7.如权利要求6所述的大型振动液化试验系统，其特征在于，所述药孔呈扇形或环形布置，所述孔隙水压力传感器孔呈辐射状布置于所述布药圈内侧。
8.如权利要求7所述的大型振动液化试验系统，其特征在于，所述孔隙水压力传感器与所述耐水性炸药分别固定在尺条上，所述尺条表面设有刻度，一端具有凹口，所述凹口中心处的刻度为零，所述耐水性炸药固定在两根对称所述尺条的凹口中，所述孔隙水压力传感器固定在单根所述尺条的凹口处。
9.如权利要求6-8任一所述的大型振动液化试验系统，其特征在于，所述试验坑的坑壁覆盖有无纺土工布。
10.如权利要求9所述的大型振动液化试验系统，其特征在于，所述试验坑有效直径16m、深度3m，土质类别为细砂，土层初始相对密实度30-35％，所述耐水性炸药共有8个，每个所述耐水性炸药的TNT当量均为0.48kg，埋深2m，埋设半径6m。
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| CN201710530328.8A CN107271637A (zh) | 2017-06-29 | 2017-06-29 | 一种大型振动液化试验系统及设计方法 |
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