本發(fā)明涉及土木工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大型振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

以往在研究地震荷載作用下土體的動力響應(yīng)特性以及建(構(gòu))筑物的受力或變形情況時(shí)一般采用室內(nèi)三軸儀、振動臺或離心機(jī)等設(shè)備，然而室內(nèi)模型試驗(yàn)通常都在尺寸效應(yīng)、邊界效應(yīng)等方面存在缺陷，結(jié)果的可靠性與試驗(yàn)設(shè)備直接相關(guān)。鑒于地震發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)的不可預(yù)知性，無法等待地震發(fā)生時(shí)開展相關(guān)試驗(yàn)研究，同時(shí)考慮到爆炸地震動與天然地震在諸多方面的相似性，國內(nèi)外學(xué)者開始嘗試?yán)猛林斜夹g(shù)合理地安排藥包位置、引爆順序及微差延時(shí)，將一系列爆源所產(chǎn)生的地震動在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)合理地延續(xù)，創(chuàng)造出與天然地震相似的持續(xù)震蕩，以實(shí)現(xiàn)原位場地人工模擬地震的誘發(fā)。

同樣地，在振動液化場地內(nèi)開展大尺寸建(構(gòu))筑物的災(zāi)變分析研究時(shí)，室內(nèi)儀器設(shè)備已不能滿足要求。而目前較為新穎的手段是利用多個(gè)小型藥包相隔一定距離分散布置于土層中(單層或多層)，每個(gè)相鄰藥包設(shè)置毫秒延時(shí)，以期獲得類似地震作用時(shí)持續(xù)震蕩的荷載。目前該方法對于多點(diǎn)微差爆炸液化試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要依賴于對已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納統(tǒng)計(jì)及在此過程中形成的經(jīng)驗(yàn)判斷，尚未形成一套可靠的設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)系統(tǒng)，無法指導(dǎo)大型振動液化試驗(yàn)環(huán)境的人工模擬。

鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時(shí)間的研究和實(shí)踐終于獲得了本發(fā)明一種大型振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，提供一種大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

stp1、開挖大型試驗(yàn)坑，在坑壁鋪設(shè)無紡?fù)凉げ夹纬苫靥顓^(qū)域，坑內(nèi)回填砂土后蓄水飽和；

stp2、在所述試驗(yàn)坑內(nèi)鉆設(shè)多個(gè)藥孔和孔隙水壓力傳感器孔，將耐水性炸藥和孔隙水壓力傳感器分別布置在所述藥孔和孔隙水壓力傳感器孔中；

stp3、調(diào)整所述耐水性炸藥的藥量和埋藥深度進(jìn)行多組單點(diǎn)爆炸液化試驗(yàn)，利用數(shù)值模型分析藥量、埋深對液化程度和范圍的影響，建立單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式，獲得場地封閉爆炸的臨界比例埋深和單藥孔合理用藥量；

stp4、進(jìn)行多藥包試爆試驗(yàn)，獲得爆炸液化疊加效應(yīng)及規(guī)律，利用數(shù)值模型對總藥量、布置形式、起爆延時(shí)因素進(jìn)行優(yōu)化，建立多藥包爆炸液化預(yù)測公式，獲得大型振動液化試驗(yàn)環(huán)境的爆炸設(shè)計(jì)參數(shù)；

stp5、根據(jù)得到的單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式和多藥包爆炸液化預(yù)測公式，得到振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)預(yù)測參數(shù)；

stp6、進(jìn)行多點(diǎn)爆炸液化驗(yàn)證試驗(yàn)，確定大面積振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

較佳的，所述stp1中試驗(yàn)坑內(nèi)采用挖機(jī)拋擲和碾壓的方式回填細(xì)砂，通過靜力觸探試驗(yàn)確定場地密實(shí)度。

較佳的，所述stp3中單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式為：

ru＝0.55-0.256(λ)·ln(z)+1.154ln(λ)；

式中：ru為超孔隙水壓力比；z為布藥圈內(nèi)側(cè)比例距離；λ為藥包比例埋深；r為爆距；d為藥包埋深；wtnt為炸藥tnt當(dāng)量。

較佳的，所述stp4中多藥包爆炸液化預(yù)測公式為：

ru＝2.268-0.769ln(z)；

式中：ru為超孔隙水壓力比；z為布藥圈內(nèi)側(cè)比例距離；r為爆距；wtnt為炸藥tnt當(dāng)量。

較佳的，所述單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式和多藥包爆炸液化預(yù)測公式中，當(dāng)λ≥2.5m/kg^1/3時(shí)，取λ＝2.5m/kg^1/3。

一種大型振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)，用上述大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得到，包括：

試驗(yàn)坑，用于進(jìn)行振動液化試驗(yàn)，所述試驗(yàn)坑內(nèi)回填有飽和砂土，所述試驗(yàn)坑內(nèi)設(shè)有環(huán)形布藥圈，所述布藥圈上鉆設(shè)有多個(gè)藥孔；

爆炸模塊，用于通過爆炸形成大面積液化場地，所述爆炸模塊包括多組耐水性炸藥和高能脈沖起爆器，所述耐水性炸藥布置在所述藥孔內(nèi)，其通過導(dǎo)爆管雷管與所述高能脈沖起爆器相連；

數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集振動液化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其布置在所述試驗(yàn)坑內(nèi)，所述數(shù)據(jù)采集裝置包括孔隙水壓力傳感器、振動傳感器和高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，所述布藥圈內(nèi)側(cè)鉆設(shè)有多個(gè)孔隙水壓力傳感器孔，所述孔隙水壓力傳感器布置在所述孔隙水壓力傳感器孔內(nèi)，所述振動傳感器布置于所述孔隙水壓力傳感器正上方且靠近地表處，所述孔隙水壓力傳感器和振動傳感器均與所述高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀連接。

較佳的，所述藥孔呈扇形或環(huán)形布置，所述孔隙水壓力傳感器孔呈輻射狀布置于所述布藥圈內(nèi)側(cè)。

較佳的，所述孔隙水壓力傳感器與所述耐水性炸藥分別固定在尺條上，所述尺條表面設(shè)有刻度，一端具有凹口，所述凹口中心處的刻度為零，所述耐水性炸藥固定在兩根對稱所述尺條的凹口中，所述孔隙水壓力傳感器固定在單根所述尺條的凹口處。

較佳的，所述試驗(yàn)坑的坑壁覆蓋有無紡?fù)凉げ肌?/p>

較佳的，所述試驗(yàn)坑有效直徑16m、深度3m，土質(zhì)類別為細(xì)砂，土層初始相對密實(shí)度30-35％；所述耐水性炸藥共有8個(gè)，每個(gè)所述耐水性炸藥tnt當(dāng)量均為0.48kg，埋深2m，埋設(shè)半徑6m。

與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法先通過單點(diǎn)爆炸試驗(yàn)確定試驗(yàn)場地單藥包合理用藥量及封閉爆炸臨界比例埋深，獲得單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測方法，再通過多藥包試爆試驗(yàn)及數(shù)值模擬對爆炸延時(shí)、藥量及藥包布置方式等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化并驗(yàn)證，能夠獲得爆炸振動液化預(yù)測方法及設(shè)計(jì)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)大面積振動液化試驗(yàn)環(huán)境的人工模擬、準(zhǔn)確掌握實(shí)際土體液化響應(yīng)規(guī)律和特征以及拓展液化環(huán)境中大型結(jié)構(gòu)物的災(zāi)變試驗(yàn)等多重目的。

通過該設(shè)計(jì)方法得到的大型振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)具有試驗(yàn)規(guī)模大、后期試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)成本低、適應(yīng)性廣、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而對藥量、起爆延時(shí)等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行影響分析，可以經(jīng)濟(jì)合理地制造大面積液化場地，有利于其在巖土工程振動液化特性試驗(yàn)研究領(lǐng)域的推廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明各實(shí)施例中的技術(shù)方案,下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1是本發(fā)明大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是爆炸模塊的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)圖。

圖中數(shù)字表示：

1.試驗(yàn)坑2.無紡?fù)凉げ?.耐水性炸藥4.孔隙水壓力傳感器5.振動傳感器6.高能脈沖起爆器7.導(dǎo)爆管雷管8.尺條9.高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，其為本發(fā)明大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的流程圖，該設(shè)計(jì)方法包括以下步驟：

stp1、在野外場地開挖大型試驗(yàn)坑，在坑壁鋪設(shè)無紡?fù)凉げ夹纬苫靥顓^(qū)域，然后在坑內(nèi)回填砂土后蓄水飽和。

stp2、在所述試驗(yàn)坑內(nèi)鉆設(shè)多個(gè)藥孔和孔隙水壓力傳感器孔，將耐水性炸藥和孔隙水壓力傳感器分別布置在所述藥孔和孔隙水壓力傳感器孔中。

stp3、調(diào)整耐水性炸藥的藥量和埋藥深度進(jìn)行多組單點(diǎn)爆炸液化試驗(yàn)，利用數(shù)值模型分析藥量、埋深對液化程度和范圍的影響，建立單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式，獲得場地封閉爆炸的臨界比例埋深和單藥孔合理用藥量。

stp4、進(jìn)行多藥包試爆試驗(yàn)，獲得爆炸液化疊加效應(yīng)及規(guī)律，利用數(shù)值模型對總藥量、布置形式、起爆延時(shí)因素進(jìn)行優(yōu)化，建立多藥包爆炸液化預(yù)測公式，獲得大型振動液化試驗(yàn)環(huán)境的爆炸設(shè)計(jì)參數(shù)。

stp5、根據(jù)得到的單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式和多藥包爆炸液化預(yù)測公式，得到振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)預(yù)測參數(shù)。

stp6、進(jìn)行多點(diǎn)爆炸液化驗(yàn)證試驗(yàn)，確定大面積振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建造大面積振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)。

通過該大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法能夠獲得爆炸振動液化預(yù)測方法及設(shè)計(jì)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)大面積振動液化試驗(yàn)環(huán)境的人工模擬、準(zhǔn)確掌握實(shí)際土體液化響應(yīng)規(guī)律和特征以及拓展液化環(huán)境中大型結(jié)構(gòu)物的災(zāi)變試驗(yàn)等多重目的。

實(shí)施例2

本實(shí)施例在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，包括以下步驟：

stp1、在野外場地開挖大型試驗(yàn)坑，在坑壁鋪設(shè)無紡?fù)凉げ夹纬苫靥顓^(qū)域，然后在坑內(nèi)回填砂土后蓄水飽和，蓄水21天，通過靜力觸探試驗(yàn)確定場地密實(shí)度。本發(fā)明的回填材料可控，試驗(yàn)坑內(nèi)采用挖機(jī)拋擲和碾壓的方式回填細(xì)砂，可通過回填方式控制場地密實(shí)度，且根據(jù)試驗(yàn)要求可在坑內(nèi)填筑黏土等其他土層材料，大面積填土條件可以更為準(zhǔn)確掌握實(shí)際土體液化響應(yīng)規(guī)律和特征。

stp2、在所述試驗(yàn)坑內(nèi)鉆設(shè)多個(gè)藥孔和孔隙水壓力傳感器孔，將耐水性炸藥和孔隙水壓力傳感器分別布置在所述藥孔和孔隙水壓力傳感器孔中，藥包和孔隙水壓力傳感器綁扎固定在帶有刻度的尺條上插入至指定深度，有效控制耐水性炸藥埋深，藥包長徑比控制在4:1以內(nèi)。

stp3、調(diào)整耐水性炸藥的藥量和埋藥深度進(jìn)行多組單點(diǎn)爆炸液化試驗(yàn)，利用數(shù)值模型分析藥量、埋深對液化程度和范圍的影響，建立單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式，獲得場地封閉爆炸的臨界比例埋深和單藥孔合理用藥量，所述單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式為：

ru＝0.55-0.256(λ)·ln(z)+1.154ln(λ)；(1)

式中：ru為超孔隙水壓力比；z為布藥圈內(nèi)側(cè)比例距離，λ為藥包比例埋深，r為爆距；d為藥包埋深；wtnt為炸藥tnt當(dāng)量。

stp4、進(jìn)行多藥包試爆試驗(yàn)，獲得爆炸液化疊加效應(yīng)及規(guī)律，利用數(shù)值模型對總藥量、布置形式、起爆延時(shí)因素進(jìn)行優(yōu)化，建立多藥包爆炸液化預(yù)測公式，獲得大型振動液化試驗(yàn)環(huán)境的爆炸設(shè)計(jì)參數(shù)，所述多藥包爆炸液化預(yù)測公式為：

ru＝2.268-0.769ln(z)；(2)

式中：ru為超孔隙水壓力比；z為布藥圈內(nèi)側(cè)比例距離，λ為藥包比例埋深；r為爆距；wtnt為炸藥tnt當(dāng)量。

根據(jù)公式(1)和(2)，當(dāng)ru無限接近于1時(shí)，即表示場地某處發(fā)生完全液化。當(dāng)λ≥2.5m/kg^1/3時(shí)，取λ＝2.5m/kg^1/3，因?yàn)楫?dāng)藥包比例埋深大于2.5時(shí)，表示深埋狀態(tài)，此時(shí)從能量角度，爆炸能完全作用于周圍土體，不再從地表溢出。即上述公式適用于藥包淺埋和深埋狀態(tài)。

stp5、根據(jù)得到的單點(diǎn)爆炸液化預(yù)測公式和多藥包爆炸液化預(yù)測公式，得到振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)預(yù)測參數(shù)，即某處的布藥圈內(nèi)側(cè)比例距離z小于等于5.2m/kg^1/3時(shí)，此處的超孔隙水壓力比ru大于等于1，認(rèn)為實(shí)際布藥圈內(nèi)所有地方達(dá)到完全液化狀態(tài)。

stp6、進(jìn)行多點(diǎn)爆炸液化驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證預(yù)測參數(shù)，確認(rèn)大面積振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建造大面積振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)。

通過該設(shè)計(jì)方法得到的大型振動液化試驗(yàn)系統(tǒng)具有試驗(yàn)規(guī)模大、試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)成本低、適應(yīng)性廣、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而通過對藥量、起爆延時(shí)等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行影響分析，可以經(jīng)濟(jì)合理地制造大面積液化場地，有利于其在巖土工程振動液化特性試驗(yàn)研究領(lǐng)域的推廣。

實(shí)施例3

結(jié)合圖2所示，其為本發(fā)明一種大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)包括試驗(yàn)坑1、爆炸模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。所述試驗(yàn)坑1用于進(jìn)行振動液化試驗(yàn)，試驗(yàn)坑1的坑壁覆蓋有無紡?fù)凉げ?，坑內(nèi)回填有飽和砂土。所述爆炸模塊用于通過爆炸形成大面積液化場地，所述爆炸模塊包括多個(gè)耐水性炸藥3。所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集振動液化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其布置在所述試驗(yàn)坑1內(nèi)。

所述試驗(yàn)坑1內(nèi)設(shè)有環(huán)形布藥圈，布藥圈上鉆設(shè)有多個(gè)藥孔，所述耐水性炸藥3布置在藥孔內(nèi)。所述數(shù)據(jù)采集裝置包括孔隙水壓力傳感器4、振動傳感器5和高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀9。在試驗(yàn)坑1的布藥圈內(nèi)側(cè)鉆設(shè)有多個(gè)孔隙水壓力傳感器孔，所述孔隙水壓力傳感器4布置在所述孔隙水壓力傳感器孔內(nèi)，用于測定超孔隙水壓力。所述振動傳感器5布置于孔隙水壓力傳感器4正上方且靠近地表，所述孔隙水壓力傳感器4和振動傳感器5均與高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀9連接。

本系統(tǒng)通過在試驗(yàn)坑1內(nèi)的起爆耐水性炸藥3，使試驗(yàn)坑1內(nèi)砂土獲得類似地震作用時(shí)持續(xù)震蕩的荷載，利用多個(gè)藥包微差爆炸產(chǎn)生的循環(huán)壓縮或剪切作用，從而獲得大面積液化環(huán)境，數(shù)據(jù)采集模塊對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，驗(yàn)證系統(tǒng)測試參數(shù)的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確掌握實(shí)際土體液化響應(yīng)規(guī)律和特征。

該系統(tǒng)得到的室外大面積液化場地可以有效提升試驗(yàn)規(guī)模，避免室內(nèi)模型試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)、邊界效應(yīng)等問題，拓展了開展地震振動及液化試驗(yàn)的基礎(chǔ)條件，且使所處的試驗(yàn)環(huán)境更加接近工程實(shí)際。

實(shí)施例4

本實(shí)施例在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖3所示，所述耐水性炸藥3固定在尺條8上，所示尺條8表面設(shè)有刻度，其中一端具有凹口，所述凹口中心處的刻度為零。耐水性炸藥3綁扎在兩根對稱尺條8的凹口中，通過導(dǎo)爆管雷管7與高能脈沖起爆器6相連。系統(tǒng)通過尺條8插入深度控制藥包埋深，通過高能脈沖起爆器6控制耐水性炸藥3的起爆。結(jié)合圖4所示，所述孔隙水壓力傳感器4固定在單根所述尺條8的凹口處，其與高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀9連接。

試驗(yàn)坑1中的藥孔呈扇形布置在布藥圈上，孔隙水壓力傳感器孔呈輻射狀布置于布藥圈內(nèi)側(cè)。固定耐水性炸藥3和孔隙水壓力傳感器4的尺條8分別插入到藥孔和孔隙水壓力傳感器孔的指定深度，通過控制尺條8位置實(shí)現(xiàn)藥包埋深調(diào)節(jié)，方便試驗(yàn)操作。

實(shí)施例5

本實(shí)施例與上述實(shí)施例不同之處在于，所述試驗(yàn)坑1的參數(shù)為有效直徑16m、深度3m，回填土質(zhì)類別為細(xì)砂，土層初始相對密實(shí)度30-35％。耐水性炸藥3環(huán)形布置在布藥圈上，藥包共有8個(gè)，每個(gè)藥包tnt當(dāng)量均為0.48kg，埋深2m，埋設(shè)半徑6m。試驗(yàn)起爆方式為相鄰藥包間的起爆間隔時(shí)間為310ms，順序起爆、間隔起爆或兩兩成對起爆。

該系統(tǒng)的總藥量為3.84kg，在半徑為6m的圈上均勻布置，可計(jì)算得到場地中布藥圈內(nèi)側(cè)比例距離z的范圍為3.83-4.91m/kg^1/3，滿足z≤5.2m/kg^1/3的液化條件，即可保證獲得半徑不小于6m的液化試驗(yàn)場地。

該試驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)由本發(fā)明大型振動液化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法得到，試驗(yàn)系統(tǒng)具有規(guī)模大、后期試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)成本低、適應(yīng)性廣、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為開展振動液化環(huán)境中的大尺寸建(構(gòu))筑物災(zāi)變試驗(yàn)研究提供了基本條件，可以有效的避免室內(nèi)模型試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)、邊界效應(yīng)等問題。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，對本發(fā)明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進(jìn)行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。