CN108344498B - 一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻抗的测定装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程的场地动力特性检测领域，提供一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻抗的测定装置与方法。测定方法基于测定装置实现，两个长度不同的刚性桩嵌入地基深度不同，在相同的脉冲激励作用下，两根刚性桩与外界碰撞冲击过程中的运动特性存在差异，根据该差值响应由公式反推指定深度处地基的动阻抗。两个桩头顶部设置单自由度振子，单自由度振子底部布置应变片，得到其应力状态，从而推得单自由度振子的相对位移。分别在每个单自由度振子上布置一个激光源，通过与两个刚性桩轴线平行的一侧布置的感光带及与感光带相连的信息采集器，测得单自由度振子的每一时刻的绝对位移。双向电磁激振器位于两个刚性桩中间。本发明结构简单，测量可靠，便于数据搜集和处理。

Description

一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻 抗的测定装置与方法

技术领域

本发明属于土木工程的场地动力特性检测领域，涉及一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻抗的测定装置与方法。

背景技术

结构与地基是一个完整体系，基于结构与地基间的动力相互作用分析是获得结构抗震设计与安全性评价可靠数据的重要途径，其中地基无限域的动力特性发挥着关键作用。一方面地基对结构提供必要的弹性支撑(静动承载力)，另一方面地基的无限域几何特征对结构震动引起的散射波以辐射阻尼的形式发挥削弱作用。这两方面往往以结构-地基交界面处的地基变形与相互作用力间的动力关系来表征，在频域中称为地基的动力阻抗。

相比较竖向地震，结构在水平向地震作用下的动力响应在抗震设计中发挥相对更大的作用，因而水平向地基动阻抗值被更为关注。目前，数值模拟是求解地基动阻抗值的最重要手段，例如有限元法、边界元、或无穷元等方法，而地基动阻抗值的直接测定方面缺乏有效的实验技术。

地基动力特性是一个领域较广的宽泛概念。相关的动力试验技术主要有：谐波激振法、动三轴及共振柱测试法等。谐波激振法分为强迫振动与自由振动法，其中强迫振动测试是通过给基础施加不同频率的正弦波激励来测定地表的综合阻抗系数，包括地表抗剪刚度系数、阻尼比、参振质量等；自由振动是通过给基础施加一个脉冲激励，依据傅立叶数据分析，获得基础的固有频率及基础-地基系统的衰减特征。谐波激振法，主要用在小尺度的机械基础的地基表面动阻抗测定中，服务于机器基础的振动与隔震设计，相比较建筑结构基础，除了在尺寸，质量等方面有较大差异外，建筑基础与地基的动力作用关系，与设备基础也有很大不同，较深层的地基动力特性对建筑结构动力响应的贡献同样很大。

此外，动三轴与共振柱测试法主要是测试场地材料颗粒的基本力学参数，如阻尼比、动弹性模量、动强度等，并不是测定地基的动阻抗值。从建筑结构抗震分析的角度出发，目前缺乏考虑上部结构自振特性，能够直接测定地基中指定深度处水平向地基动阻抗的方法与装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻抗的测定装置与方法，该测定装置结构简单，测量可靠，便于数据搜集和处理。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻抗的测定装置，包括支架1、双向电磁激振器2、单自由度振子3、应变片4、筏板5、两个刚性桩6、感光带7、激光源8、信息采集器9。

所述的两个长度不同的刚性桩6嵌入地基深度不同，嵌入地基不同深度处的两根刚性桩6所受的来自土层侧向力不同，与外界碰撞冲击过程中的运动特性存在差异，根据该差值响应由公式反推指定深度处地基的动阻抗。根据实际结构的频率，在两个刚性桩6的桩头顶部设置不同频率的单自由度振子3，通过调节单自由度振子3的高度和质量调节其自振频率。单自由度振子3底部竖向布置应变片4，用于测得单自由度振子3底部应变，得到其应力状态，从而推得单自由度振子3的相对位移。分别在每个单自由度振子上布置一个激光源8，感光带7布置在筏板5上，与两个刚性桩6轴线平行，感光带7相连的信息采集器9，信息采集器9用于采集单自由度振子3的每一时刻的绝对位移。

所述的筏板5设置在刚性桩6与地基表面交界处，用于保证刚性桩与地基表面交界处保持静止。所述的双向电磁激振器2通过支架1安装在筏板5上，位于两个刚性桩6中间，保证作用于两个刚性桩6的冲击荷载相同。双向电磁激振器2可通过电磁变化，即时弹射振子与桩头撞击，充分与桩头接触后迅速与桩头分离，并收回。

一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻抗的测定方法，基于测定装置实现，在地基上预留桩头长h₀；根据双向电磁激振器2施加给激振块的加速度及激振块的质量m′，求得双向电磁激振器2对桩头的瞬时作用力/>通过测定得到以下物理量：激振器对桩头的瞬时作用力F、短桩质量M、长桩质量M′、某土层底部至地表面距离h_n、单自由度振子质量m。测试流程包括以下步骤：

1)双向电磁激振器2弹射振子，充分接触刚性桩6的桩头并弹回，求得瞬时作用力F。由于作用时间极短，可认为激振块对桩的作用力F为一个矩形脉冲力。

2)通过单自由度振子3底部的应变片4测得单自由度振子3悬臂杆底部的竖向应变ε，推算求得某一时刻单自由度振子3的相对位移u_s(t)，差分得到单自由度振子3相对于桩头的速度相对加速度/>

3)布置在单自由度振子3上的激光源8及筏板5上的感光带7，通过信息采集器9测得某一时刻单自由度振子3的位移u_z(t)，差分得到速度加速度/>进而得到桩头的位移u_q(t)、速度/>和加速度/>

4)对于短桩a，通过以下动力学方程：

可得：

对式(3)进行傅里叶变换得到：

其中，i为虚数单位，i²＝-1；ω为频率；u为u(t)经过傅里叶变换为随频率变化的位移；h₀为桩顶部至地表面的距离；h_k为指定深度处土层的上层土底面至地表面的距离；c_n为第n层土的阻尼；k_n为第n层土的刚度；h_n为第n层土底面至地表面的距离；h_n-1为第n‐1层土底面至地表面的距离。

整理得：

5)对于长桩b，通过动力学方程：

可得：

其中，h_k+1为地基指定深度。

对式(7)进行傅里叶变换：

整理得：

其中：c_k+1为指定深度处土层阻尼；k_k+1为指定深度处土层刚度；

将公式(5)和公式(11)代入公式(10)，整理得：

进一步得到：

6)从而得到地基指定深度处动阻抗S_g(ω)为：

S_g(ω)＝iωc_k+1(ω)+k_k+1(ω) (14)

与现有技术相比，本发明利用长度不同的两根刚性桩，在相同的脉冲激励作用下，依据刚性桩的动响应差异，来反演较长刚性桩，桩头触探深度处的地基水平向动阻抗值。其有益效果分为以下三点：

(1)对两根不同长度的桩施加相同的脉冲激振力，根据其差值响应来反演分析地基指定深度处的动阻抗。如此，可以避免传统谐波激振法，需要开挖基坑暴露指定深度的地层，具有较高的实用性；且差值过程可巧妙地，克服单桩触探时，桩身段水平向动阻抗分布值难以确定的困难。

(2)采用双向激振器，双向激发不仅可以比较容易地实现对两根桩同时施加相同的激振力，而且可以避免采用单向水平激振器时需另设的反力桩等外部固定装置，利于装置的可移动性，使实验技术更为简单适用。

(3)在触探桩顶部增设单自由度体系，该单自由度体系的频率能够反映上部结构的自振频率，而通过测得的该单自由度体系的动力响应能够反演分析得到地基的动阻抗值。该阻抗值直接是地基对指定结构动力响应的待求阻抗值；另外，利用桩体和单自由度系统的固有滤波作用，本发明得到的测定值与直接测量地基动力响应得到测定值相比，能够大幅削弱嘈杂的噪声问题，使测试结果更为可靠。

附图说明

图1是本发明的装置装配示意图。

图2是本发明的装置横剖示意图。

图3是本发明的装置场地应用竖向俯瞰示意图。

图中：1支架，2双向电磁激振器，3单自由度振子，4应变片，5筏板，6刚性桩，7感光带，8激光源，9信息采集器。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。

在地基上打入两根不同深度的刚性桩6，在地面上预留桩头长h₀。通过布置筏板5，保证桩与地基表面相交处不会发生相对位移。如图1所示，两桩中间位置处布置双向电磁激振器2，保证作用于两桩的冲击荷载相同。双向电磁激振器2通过电磁变化，即时弹射振子与桩头撞击，充分与桩头接触后迅速与桩头分离，并收回。根据双向电磁激振器2施加给激振块的加速度及激振块的质量m′，求得激振器对桩头的瞬时作用力/>桩头顶部布置单自由度振子3，通过调节单自由度振子3的高度和质量调节其自振频率；单自由度振子3底部竖向布置应变片4，灵敏测量单自由度振子3支撑杆的竖向应变ε。分别在每个单自由度振子3上布置一个激光源8，通过与两桩轴线平行一侧布置的感光带7及信息采集器9即可测定单自由度振子每一时刻的位移u_z(t)，并可差分出速度/>加速度/>通过测定可得到以下物理量：：激振器对桩头的瞬时作用力F、短桩质量M、长桩质量M′、某土层底部至地表面距离h_n、单自由度振子质量m、阻尼c和刚度k。

测试流程：

1)电磁激振器弹射振子，充分接触并弹回，可求得激发力F。由于作用时间极短，可认为激振块对桩的作用F为一个矩形脉冲力。

2)通过在单自由度振子底部设置应变片，可测得悬臂杆底部应变ε，推算求得单自由度振子的相对位移u_s(t)。差分可得单自由度振子的相对于桩头的速度相对加速度

3)布置在单自由度振子3上的激光源8及筏板5上的感光带7，通过信息采集器9测得某一时刻单自由度振子3的位移u_z(t)，差分得到速度加速度/>进而得到桩头的位移、速度和加速度，如公式(1)所示。

4)对于短桩a，通过如公式(2)所示的动力学方程，得到：

对式(3)进行傅里叶变换得到：

整理得：

5)对于长桩b，通过如公式(6)所示的动力学方程，得到：

对式(7)进行傅里叶变换：

整理得：

其中：

将公式(5)和公式(11)代入公式(10)，整理得：

进一步得到：

6)从而得到地基指定深度处动阻抗S_g(ω)为：

S_g(ω)＝iωc_k+1(ω)+k_k+1(ω) (14)

本发明的工作原理为：

(1)采用脉冲激励差值响应求地基指定深度处水平向动阻抗。仅根据一根桩的响应来求指定深度处地基的动阻抗是不现实的，本发明根据嵌入地基不同深度处两根桩所受来自土层侧向力的不同，从而在与外界的碰撞冲击过程中的运动特性存在差异，根据该差值响应根据公式来反推指定深度处地基的动阻抗。

(2)采用双向电磁激振器2，对刚性桩6(触探桩)施以等量的脉冲载荷。根据已知上部设计结构的质量及设计地震加速度的乘积求得基底剪力，即可求得单桩顶部剪力。在试验中可以利用双向电磁激振器2对激发块施加一个加速度，实现该激发块对单桩的激发力与所求单桩顶部实际剪力近似相等，从而在试验装置与真实结构间建立等价关系，使得所测地基动阻抗具有实际意义。

(3)在桩上设置指定频率的单自由度体系用以反映真实上部结构的频率。调节其自振频率，可反映不同深度地基动阻抗对于不同固有频率特征的结构的动力影响。具体地，通过改变单自由度振子3的高度和质量，调节单自由度体系的频率，通过所测的单自由度体系的最大振幅进行差分可得其速度、加速度等，根据公式可求得该频率下地基的动刚度。使得该结果可直接应用于上部真实结构。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻抗的测定装置，其特征在于，所述的测定装置包括支架(1)、双向电磁激振器(2)、单自由度振子(3)、应变片(4)、筏板(5)、两个刚性桩(6)、感光带(7)、激光源(8)、信息采集器(9)；

两个长度不同的刚性桩(6)嵌入地基深度不同；根据实际结构的频率，在两个刚性桩(6)的桩头顶部设置不同频率的单自由度振子(3)，通过调节单自由度振子(3)的高度和质量调节其自振频率；单自由度振子(3)底部竖向布置应变片(4)，用于测得单自由度振子(3)底部应变；分别在每个单自由度振子上布置一个激光源(8)，通过与两个刚性桩(6)径向平行的一侧布置的感光带(7)及与感光带(7)相连的信息采集器(9)，测得单自由度振子(3)的每一时刻的绝对位移；

所述的筏板(5)设置在刚性桩(6)与地基表面交界处，用于保证刚性桩与地基表面交界处保持静止；所述的双向电磁激振器(2)通过支架(1)安装在筏板(5)上，位于两个刚性桩(6)中间，保证作用于两个刚性桩(6)的冲击荷载相同；双向电磁激振器(2)能够通过电磁变化，即时弹射振子与桩头撞击。

2.一种基于脉冲激励差值响应分析的地基指定深度水平向动阻抗的测定方法，其特征在于，所述的测定方法基于权利要求1所述的测定装置实现，在地基上预留桩头长h₀；根据双向电磁激振器(2)施加给激振块的加速度及激振块的质量m′，求得双向电磁激振器(2)对桩头的瞬时作用力/>通过测定得到以下物理量：激振器对桩头的瞬时作用力F、短桩质量M、长桩质量M′、某土层底部至地表面距离h_n、单自由度振子质量m；具体包括以下步骤：

1)双向电磁激振器(2)弹射振子，充分接触刚性桩(6)的桩头并弹回，求得瞬时作用力F；

2)通过单自由度振子(3)底部的应变片(4)测得单自由度振子(3)悬臂杆底部的竖向应变ε，推算求得某一时刻单自由度振子(3)的相对位移u_s(t)，差分得到单自由度振子(3)相对于桩头的速度相对加速度/>

3)布置在单自由度振子(3)上的激光源(8)及筏板(5)上的感光带(7)，通过信息采集器(9)测得某一时刻单自由度振子(3)的位移u_z(t)，差分得到速度加速度/>得到桩头的位移u_q(t)、速度/>和加速度/>

4)对于短桩a，通过以下动力学方程：

其中，为短桩a在t时刻高度h处桩头的加速度；c(h)为短桩a在高度h处的阻尼；为短桩a在t时刻高度h处时桩头的速度；k(h)为短桩a在高度h处的刚度；u_q(t,h)为短桩a在t时刻高度h处桩头的位移；

得到：

其中，i为虚数单位，i²＝-1；ω为频率；h₀为桩顶部至地表面的距离；h_k为指定深度处土层的上层土底面至地表面的距离；c_n为第n层土的阻尼；k_n为第n层土的刚度；h_n为第n层土底面至地表面的距离；h_n-1为第n-1层土底面至地表面的距离；为多次试验，短桩a中单自由度振子(3)的相对位移平均值；/>为多次试验，短桩a中桩头位移平均值；

5)对于长桩b，通过动力学方程：

其中，为长桩b在t时刻高度h处桩头的加速度；/>为长桩b在t时刻高度h处时桩头的速度；u_q'(t,h)为长桩b在t时刻高度h处桩头的位移；/>为长桩b在t时刻单自由度振子(3)的相对加速度；

得到：

其中：为多次试验，长桩b中单自由度振子(3)的相对位移平均值；/>为多次试验，长桩b中桩头位移平均值；c_k+1为指定深度处土层阻尼；k_k+1为指定深度处土层刚度；h_k+1为地基指定深度；

将公式(5)和公式(11)代入公式(10)，整理得：

进一步得到：

6)得到地基不同深度处动阻抗S_g(ω)为：

S_g(ω)＝iωc_k+1(ω)+k_k+1(ω)。 (14)