基于城市建设地基土细观结构与场地自振特性变异的研究

论文摘要

城市是人类历史进步的产物，是人类走向现代化、繁荣发展和文明进步的标志，是人类最集中活动和工作的场所，然而，人们在城市化进程中不可避免地破坏了城市所在地的自然地质环境，其中城市建设是人类对地质体施加作用最强烈的方式之一。随着我国经济建设的快速发展，城市化进程的加快，我国的城市建设规模越来越大，城市建设荷载对地质体的作用更为明显，势必影响到地质体及地基土性状的变化。本文旨在探讨在城市建设环境作用下地基土细观结构的变异及其场地自振特性的变化规律，尤其是在发生这些变异后，场地的自振周期与该区域建筑物的自振周期的接近程度，是否会产生共振现象。本文的研究成果对结构抗震设计和防震减灾工作具有重要的科学意义。首先从城市建设和细观结构的角度出发，阐述了施加在地质体上的各种荷载的作用形式、作用特点和作用机理，对城市建设活动造成城市地质环境的影响作了初步的评价。系统介绍了吴恒教授提出的细观结构的物理涵义以及土体结构的“宏观结构——细观结构——微观结构”三级划分的理论和实践意义。在充分收集和利用前人研究资料的基础上，对城市建设环境下细观结构变异进行了深入系统的分析和研究。为了了解地震波在岩土体中的传播规律，在因素分析的基础上，结合室内土样波速试验，分析了在城市建设作用下土性和物理力学的变化对波速的影响规律，找出影响波速传播的各种因素，建立土体的密度、含水量等物理力学特性与剪切波速度的关系模型，分析在应力状态下剪切波速的变化规律。然后通过对桂平商厦施工前、后分别进行两次现场剪切波速的测试，进一步对城市建设作用下场地自振特性变异的问题进行分析和研究。在室内试验和现场波速测试的基础上，建立三维有限元分析的计算模型，通过两个实例模型的ANSYS模态分析和地震时程分析，了解在地下水位发生变化和建筑物自重荷载作用等城市建设因素影响下，地基土刚度和密度发生变化后，地震波的传播效应和场地自振特性的变化规律。综合波速测试和计算机模拟计算结果，探讨了城市建设行为对土体细观结构变异的内在机理，分析了城市建设对场地卓越周期变异的各种因素，并将主要影响因素与自振周期之间建立关系，给出表达式，建立了城市建设引起卓越周期变化模型和卓越周期变异引起震害模型。最后，针对论文中取得的研究成果和存在问题，对进一步的研究提出了一些有益的建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出与研究意义
• 1.2 国内外研究现状与发展动态
• 1.2.1 场地条件与自振特性变异的研究现状
• 1.2.2 土体细观结构的研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 研究要点
• 第二章 城市建设对地质体作用要素分析
• 2.1 城市建设对地下水的扰动
• 2.1.1 城市建设对地下水的影响
• 2.1.2 地下水对土体细观结构的作用
• 2.2 城市建设对地质体施加的荷载作用
• 2.3 城市建设对地形地貌特征的影响
• 2.3.1 削山放坡改变城市的地形地貌
• 2.3.2 围海造地改变城市的地形地貌
• 2.4 城市建设破坏地质体的连续性
• 2.4.1 地下工程
• 2.4.2 桩基础改变了地基土的均匀性
• 2.4.3 地基处理改变了地基土的刚度
• 2.5 地下连续墙破坏了场地的连续性
• 2.6 城市建设对地质体作用的宏观表现
• 2.6.1 诱发地震
• 2.6.2 地面沉陷
• 2.6.3 地裂缝
• 2.6.4 山体崩塌、滑坡、泥石流
• 2.7 本章小结
• 第三章 室内土样波速试验与场地自振特性变异的现场测试
• 3.1 室内土样波速试验
• 3.1.1 试验装置与试验方法
• 3.1.2 试验步骤
• 3.1.3 试验结果
• 3.2 场地自振特性变异的现场测试
• 3.2.1 试验原理
• 3.2.2 试验结果
• 3.2.3 场地自振特性变异对共振的影响分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 土体细观结构与场地自振特性
• 4.1 土体细观结构的基本理论
• 4.1.1 细观结构物理涵义及划分的意义
• 4.1.2 细观结构的基本单元体
• 4.1.3 土体细观结构的连结
• 4.1.4 土体细观结构的孔隙
• 4.2 弹性波在土体中的传播规律
• 4.2.1 波动方程
• 4.2.2 土的自振频率
• 4.2.3 剪切波速度与固结度关系
• 4.2.4 波在饱和土中的传播特性
• 4.2.5 土体波速与土层深度的关系
• 4.2.6 土体波速与其他物理指标的关系
• 4.3 土体细观结构对场地自振特性变异的影响
• 4.3.1 土体密度对场地自振特性变异的影响
• 4.3.2 土体含水量对场地自振特性变异的影响
• 4.3.3 土体力学性状对场地自振特性变异的影响
• 4.3.4 土体应力状态对场地自振特性变异的影响
• 4.3.5 土体孔隙率对场地自振特性变异的影响
• 4.4 场地条件对地震动的影响
• 4.4.1 场地条件对震害的影响
• 4.4.2 场地对地震地面运动的影响
• 4.5 城市建设引起场地卓越周期变化的分析
• 4.5.1 建筑物自重荷载对场地自振特性的影响
• 4.5.2 地下水位变化对场地自振特性的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 场地自振特性变异的三维计算机模拟
• 5.1 场地卓越周期与结构自振周期
• 5.1.1 场地卓越周期的定义
• 5.1.2 场地卓越周期的计算方法
• 5.1.3 场地卓越周期与特征周期异同
• 5.1.4 建筑结构自振周期的确定
• 5.1.5 结构自振周期与卓越周期的关系
• 5.2 城市建设因素引发场地卓越周期变异的ANSYS分析
• 5.2.1 卓越周期的计算机有限元求解
• 5.2.2 实体结构的模态分析
• 5.2.3 地震动力时程分析
• 5.3 计算模型的建立与计算参数的确定
• 5.3.1 计算模型的基本假定
• 5.3.2 计算模型边界条件的确定
• 5.3.3 计算模型宽度的选取
• 5.3.4 计算模型深度的选取与简化
• 5.3.5 阻尼比的选取
• 5.3.6 地震波的选用
• 5.3.7 地震荷载的施加
• 5.3.8 计算分析步骤
• 5.3.9 计算结果的后处理
• 5.4 城市建设引发场地自振特性变异的计算分析
• 5.4.1 地下水位变化引发场地自振特性变异的计算分析
• 5.4.2 建筑物自重荷载对场地自振特性变异的计算分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 场地自振特性变异的预测分析模型
• 6.1 城市建设引起卓越周期变化模型
• 6.1.1 建筑物自重荷载与场地卓越周期的关系模型
• 6.1.2 地下水位变化与场地卓越周期的关系模型
• 6.2 场地条件与卓越周期的关系模型
• 6.2.1 覆盖层厚度与卓越周期的关系模型
• 6.2.2 地基土弹性模量与卓越周期的关系模型
• 6.3 城市建设作用下引发共振震害的预测分析模型
• 6.3.1 建筑物自重荷载作用下引发共振震害的预测分析模型
• 6.3.2 地下水位变动引发共振震害的预测分析模型
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步研究的问题
• 7.3 本课题的创新点
• 参考文献
• 读博期间发表的学术论文和参加的科研项目
• 致谢
• 附录1 桂平商厦场地各土层分层物理力学指标统计
• 附录2 桂平商厦场地钻孔波速柱状图