本文關(guān)鍵詞：基于球形顆粒接觸理論考慮頻率影響的砂土剪切波速研究　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：一般來說,自然界中的砂土是由隨機堆積的微小砂顆粒以及填充于顆粒間孔隙內(nèi)的液相與氣相組成的三相集合體,它在本質(zhì)上是非均勻的。當(dāng)彈性波在砂土介質(zhì)中傳播時,相比于壓縮波,剪切波不能在液相和氣相中傳播,僅能沿由砂土顆粒組成的骨架傳播,因此,剪切波能更好地表征砂土結(jié)構(gòu)性,反映砂土顆粒的排列和聯(lián)結(jié)特征,是砂土的一個重要動力學(xué)參數(shù)。同時,研究砂土的剪切波速還具有重要的工程意義。在地震工程中,砂土剪切波速是反映砂土抗液化性能的重要指標(biāo),可用于判別場地的動力響應(yīng)以及抗震動液化能力。前人對于砂土剪切波速的研究多集中在宏觀尺度,近年來從微觀尺度對其的研究又多關(guān)注于砂土顆粒本身的性質(zhì),沒有涉及到剪切波自身的性質(zhì)。本文從微觀尺度入手,基于球形顆粒接觸理論,考慮頻率的影響,關(guān)注剪切波傳播過程中引起的砂土顆粒旋轉(zhuǎn),對砂土介質(zhì)中的剪切波速進(jìn)行理論研究。本文的主要工作和研究成果如下:(1)給出了本文的三個基本假設(shè),對所研究的砂土介質(zhì)進(jìn)行了模型化處理。根據(jù)微觀尺度下球形顆粒接觸理論,考慮剪切波傳播過程中引起的顆粒旋轉(zhuǎn),推導(dǎo)出散粒體介質(zhì)中的剪切波速公式,對其中不易直接量測的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了再參數(shù)化處理,最終得到了引入頻率參數(shù)的砂土剪切波速公式。當(dāng)各參數(shù)在實際工程砂土介質(zhì)常用的取值范圍內(nèi)變動時,利用推導(dǎo)出的砂土剪切波速公式進(jìn)行定量參數(shù)分析。通過參數(shù)分析,研究了砂土顆粒彈性模量、砂土顆粒泊松比、砂土顆粒密度、砂土顆粒半徑、砂土介質(zhì)孔隙率、砂土介質(zhì)有效內(nèi)摩擦角、砂土體單元所受到的豎向有效應(yīng)力、頻率等8個因素對砂土剪切波速的影響,并分析了各因素對砂土剪切波速的影響效果。(2)根據(jù)推導(dǎo)出的砂土剪切波速公式,采用參數(shù)計算的方法,得到了剪切波在砂土介質(zhì)中傳播的頻散曲線,分析出剪切波在砂土介質(zhì)中傳播的頻散特性,并認(rèn)為當(dāng)剪切波長為12倍的砂土顆粒半徑,也就是等于顆粒粒徑的6倍時,剪切波速開始隨頻率的增加而顯著增大。根據(jù)頻散特性,定義了砂土介質(zhì)中的臨界頻率。經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo),給出了臨界頻率的精確表達(dá)式,確定砂土介質(zhì)中臨界頻率的影響因素以及各因素的影響效果。為方便工程應(yīng)用,在臨界頻率精確表達(dá)式的基礎(chǔ)上,進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)處理,得到了砂土介質(zhì)中臨界頻率的簡化表達(dá)式。(3)使用等效介質(zhì)理論,引入顆粒形狀修正系數(shù),不考慮顆粒旋轉(zhuǎn),推導(dǎo)散粒體介質(zhì)等效剪切模量,進(jìn)而得到基于等效介質(zhì)理論的砂土介質(zhì)中理論最大剪切波速公式。同時對使用本文方法得到的砂土剪切波速公式進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)簡化,得到了便于工程應(yīng)用的砂土剪切波速簡化公式。將本文方法與等效介質(zhì)理論方法進(jìn)行比較,在此基礎(chǔ)上,對使用等效介質(zhì)理論推導(dǎo)出的砂土剪切波速公式進(jìn)行了修正。(4)選用室內(nèi)彎曲元試驗和下孔法現(xiàn)場實測剪切波速對本文所提出的理論和公式進(jìn)行驗證。將使用本文方法的計算結(jié)果分別與12組室內(nèi)彎曲元剪切波速試驗數(shù)據(jù)和50組現(xiàn)場剪切波速實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,驗證了本文理論和所推導(dǎo)公式的合理性、正確性以及適用性。
[Abstract]:In general, the sand in nature are tiny sand particles by three-phase aggregate random stacking and filling in the pores among the particles in the liquid phase and gas phase composition, it is not uniform in nature. When the elastic wave propagation in sand medium when compared to the compressional wave, shear wave cannot propagate in liquid and gas phase, can only be spread along the skeleton is composed of sand particles, therefore, shear wave can better characterize the structure of sand, reflect the arrangement and connection characteristics of sand particles, is one of the important dynamic parameters of sand. At the same time, the shear wave velocity of sand also has important engineering significance. In earthquake engineering, the shear wave velocity of sand is an important indicator of sand liquefaction performance, can be used to distinguish dynamic response and resistance to liquefaction site ability. Research on shear wave velocity of sand before focused on the macro scale in recent years, from the micro The concept of nature of scale on its research is more focused on sand particles themselves, not related to the properties of the shear wave itself. This paper starts from the micro scale, contact theory based on spherical particles, considering the effect of frequency on sand particles shear wave propagation caused by the process of rotation, the theoretical research of the shear wave velocity of sand medium. The main work and research results are as follows: (1) three basic assumptions are given in this paper, the sand medium have been studied through model processing. According to the contact theory of spherical particles of micro scale particles, considering the shear wave propagation caused by rotation, shear wave velocity dispersion formula of particle medium is derived the related parameters of which can not be directly measured for the re parameterized, finally get the formula of the shear wave velocity of sand into the frequency parameters. When the parameters in practical engineering sand medium Quality common range changes, quantitative parameter analysis with shear wave velocity of sand are derived. Through the parametric analysis, the elastic modulus of sand particles of sand particles, Poisson's ratio, sand particle density, sand particle radius, sand medium porosity, medium sand effective internal friction angle, the vertical sand unit effective stress, impact frequency of 8 factors on the shear wave velocity of sand, and analyzed the effect of various factors on the shear wave velocity of sand. (2) according to the formula of the shear wave velocity of sand is deduced, using the method of parameter calculation, obtain the shear wave propagation in sand medium dispersion curve, analysis of powder the characteristics of shear wave propagation in sand medium frequency, and that when the sand particle radius shear wavelength is 12 times, which is equal to the particle size of 6 times, and began to show the shear wave velocity with increasing frequency Increases. According to the dispersion characteristics, the definition of critical frequency of sand medium. Through mathematical derivation, exact expressions for the critical frequency are given, the effect to determine the influence of critical frequency of sandy soil medium factors and factors. For the convenience of engineering application, based on the critical frequency of accurate expression, mathematical treatment the simplified formula of the critical frequency of sand medium is obtained. (3) using the equivalent medium theory, the introduction of particle shape correction coefficient, without considering the particle rotation, derivation of equivalent shear modulus of granular materials, and then get the maximum shear wave velocity formula of medium sand equivalent medium theory based on the formula and the shear wave velocity of sand. To use this method to simplify the reasonable mathematical, simplified formula of the shear wave velocity of sand for the engineering application. The method and the equivalent medium theory. By comparison, on this basis, the shear wave velocity of sand using the formula deduced from the equivalent medium theory is modified. (4) the theory and formula of indoor test and on-site bending element under the hole method of shear wave velocity measured in this paper to verify the use of this method. The calculation results respectively with 12 groups of indoor bending element shear wave velocity test data and 50 groups of shear wave velocity field measured data were analyzed to verify the rationality of the theory and formulas, correctness and applicability.

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU441

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本文編號：1380524