北京工业大学研究生S200904143开题报告

1、北京工业大学研究生开题报告学位级别：博士 硕士 工程硕士学 号： S200904143 研究生姓名： 马 超 指导教师姓名： 龚秋明 副教授 专业名称： 岩土工程 所在学院： 建筑工程学院 开题报告时间： 2011年01月14日 北京工业大学研究生部制表一、基本情况研究生姓名马 超学 号S200904143院、系建筑工程学院指导教师姓名及职称龚秋明 副教授 学科、专业岩土工程入学年月2009年9月1、 研究方向、论文选题范围：土压平衡盾构渣土改良微观机理2、 拟定论文题目：土压平衡盾构渣土改良微观机理试验研究3、 论文科研课题属于哪一级科研项目，经费来源及金额（课题来源选项分为国家计委、科委项

2、目、国家经贸委项目、国家自然科学基金项目、国务院其他部门项目、主管部门（部委级）项目、省、市、自治区项目、国际合作项目、学校级项目、自选项目、其它）：北京市教委科技发展计划重点项目。4、 论文类型（基础研究、应用研究、开发研究、其它）应用研究摘要选题研究内容和意义简介（限400字）：研究内容：(1) 单一外加剂对渣土微观结构的影响对比分析；(2) 不同类型的外加剂对渣土微观结构的影响对比分析；(3) 土体微观图像的处理与分析方法； (4) 描述土体微观结构的方法和具体参数。研究意义：土压平衡盾构在我国隧道施工中的应用越来越广泛，土压平衡盾构在施工过程中将开挖的渣土进行改良，使渣土塑流性满足盾构

3、施工的要求，对某些地层来说，如卵石地层，并不具备这样的性质，必须对其加入添加剂进行改良，主要土体改良方法有：加水，膨润土，粘土，高分子聚合物和泡沫等施工工艺。 这些外加剂改良土体的微观原理现在还是停留在理论分析阶段，还没有真正通过实验去验证。本项目就是通过实验的方法，去观察和采集外加剂改良土体的微观机理的图片和数据，通过对比实验数据和改良前后土体的微结构图片去说明外加剂对土体的微观结构有哪些改变以及改变土体结构的微观机理。关键词（用分号隔开、最多5个）盾构；渣土改良；微观机理；外加剂；细观结构；报 告 正 文（一）选题依据与研究内容1、选题依据1.1课题来源国家自然科学基金（90715032，

4、50938006，50908005）1.2 研究意义土压平衡盾构是土层适应性较强的盾构类型，可以在广泛的土层中使用，用于世界各地的隧道工程中，尤其在软土地层施工中优势明显，在掘进时一般不需要辅助技术措施，但因土压平衡盾构刀具和土体改良技术的局限性，其传统的使用界限可以用土体的颗粒级配表示12，如图1-4所示。土体粒径/mm小于某粒径百分数/图1-4 土压平衡式盾构施工传统适用地层Fig 1-4 General conditioning for EPB tunnelling按土质的其他参数综合考虑，土压平衡盾构的适用范围如图1-5所示，可以得到渗透系数在10-710-12细砂、粘土，粉砂层适用土

5、压平衡盾构机。图1-5土压平衡盾构施工适用地层参数13Fig 1-5 Soil mechanical for EPB Tunnelling然而通过对不良土层进行土体改良，土压平衡盾构可以在砂砾、砂、粉砂，粘土等密实程度低、软、硬相间的地层以及砾层、砂层等地层中使用25，如在塑流性不能满足土压平衡盾构施工的地层中，需注入大量泥浆和泡沫添加剂来改善土体的塑流性和渗透性，这样可以大大增加了土压平衡盾构的适用范围，经土体改良土压平衡盾构增加的土层范围如图1-6所示14：小于某粒径百分数/土体粒径/mm图1-6 土压平衡式盾构施工突破传统的适用地层界限14Fig1-6 The approximate r

6、ange of soil conditioning for EPB machines随着对土压平衡盾构工法研究的不断深入，以及各种添加剂料应用于土体改良中，土压平衡式盾构工法适用的土层范围不断扩大，1.3 国内外研究现状。土压平衡盾构在我国隧道施工中的应用越来越广泛，土压平衡盾构在施工过程中将开挖的渣土进行改良，使渣土塑流性满足盾构施工的要求，对某些地层来说，如卵石地层，并不具备这样的性质，必须对其加入添加剂进行改良，主要土体改良方法有：加水，膨润土，粘土，高分子聚合物和泡沫等施工工艺。 这些外加剂改良土体的微观原理现在还是停留在理论分析阶段，还没有真正通过实验去验证。本项目就是通过实验的方法

7、，去观察和采集外加剂改良土体的微观机理的图片和数据，通过对比实验数据和改良前后土体的微结构图片去说明外加剂对土体的微观结构有哪些改变以及改变土体结构的微观机理。1.3.1多点、多维地震动的空间作用差动效应目前对实际工程进行结构地震反应分析时，常用的地震输入方法是一致激励法，即假定地震发生时基础各点以相同的振幅和相位振动，不考虑地震动的空间变化特性。山区的高墩桥梁受山涧河谷地形限制，各墩底之间高度相差数十米、甚至百米以上，局部地形引起地震动差异是不能忽视的因素，此时采用一致激励法与实际情况将会有很大的出入。因此，对于此类桥梁，合理的地震输入方法应当考虑地震动场各点地面运动的相关性，按多点激励的输

8、入方式进行结构的地震反应分析。欧洲规范是目前唯一考虑了地震动空间变化性的抗震设计规范，其中规定：当桥梁长度大于200m且存在地质不连续或明显的不同地貌时，或桥梁总长度大于600m而无论地质情况如何时，均应考虑地震地面运动的空间变化性对结构的影响，并给出了一些相应的指导原则。地震动空间作用差动效应1主要表现为：行波效应、部分相干效应和局部场地效应。地震动空间变化差动场的确定方法通常是在各个不同的地面支承处输入不同的自功率谱来考虑局部场地的变化，而不同支承处地面运动的相关性则用所谓的相干函数模型来反映。目前已有不少学者提出过很多自功率谱模型2，如Housner、田治见宏和金井清、Eapiiiteh

9、h、Clough和Penzien、欧进萍、杜修力等，自功率谱的选定必须考虑拟静力反应计算的需要，即地震动零频位移有限性原则；关于相干函数也有多种表达形式，如Harichandran-Vanmarcke模型、Loh模型、Abranhamson模型、Nakamnz模型等，由于彼此统计的数据不同，各模型相互之间差别较大。长大桥梁多点激励地震反应分析方法可以分为两大类3。一类是以地震地面运动为确定过程的确定性分析方法，主要包括动力反应谱法和动态时程分析法；另一类是以地震地面运动为随机过程的概率性分析方法，主要是随机振动法。反应谱法是基于一致地震激励下单质点系统的线弹性分析而建立的。由于长大桥梁较强的空

10、间耦合效应以及目前长周期反应谱方面存在的问题，且地震地面运动的时空变化特征难以模拟等因素，采用反应谱法有时会产生很大的误差。许多学者基于随机理论提出了改进的反应谱方法，如Yamamura和Tanaka分组法4，Berrah修正系数法5，DerKiureghian的MSRS法6。刘洪兵7也提出了一种简化的基于单个模态振子振动特性的多支承激励反应求解方法。动力时程分析法8-13主要依据确定的地震加速度时程来求出结构的反应。该法在计算上能很好地解决多点输入问题；可以近似考虑土结构动力相互作用、材料非线性、非比例阻尼等问题；可以分析结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒

11、塌的全过程。时称分析法的主要缺点在于计算工作量大，且计算结果过分依赖于所选取的加速度时程曲线。随机振动法建立在地面运动统计特征的基础上，把具有统计性质的地震动作用到结构上，给出了结构响应的统计度量，不受任意选择的某一个输入地震动的控制，被认为是最合理的分析方法。Lee和Penzien14在80年代初曾分别从时域和频域对核电站管线简化模型在不均匀场地地震激励下的安全性问题进行了研究，指出忽略参振振型之问的相关性和场地不均匀性都会导致很大的误差，随机振动方法比反应谱法更精确，比时程法更高效。我国学者林家浩等15提出了一种随机振动的虚拟激励法，计算效率高，自动包含了全部参振振型之间以及多点激励之间的

12、相关性，理论上是随机振动方程的精确解法，为大跨度桥梁多点激励地震分析提供了一个有效的途径。林家浩等16-19基于虚拟激励法研究了大跨度复杂结构的空间部分相干多点激励平稳随机地震响应；梁爱虎20等基于虚拟激励法研究了随机地震动场多点激励下拱坝的抗震可靠度问题。赵灿晖等21在一维虚拟激励法的基础上，通过激励功率谱的分解，建立了多维非平稳地震激励作用下结构随机响应的虚拟激励法。由于地震动空间变化差动场对桥梁结构地震反应的影响非常复杂，与输入的地震动场特性、局部场地条件和桥梁的结构型式等均有很大的关系，国内外的很多学者针对不同的实际结构进行了研究，至今仍很难给出一个统一定量的分析结论。但是，综合考虑行

13、波效应、部分相干效应、波的衰减效应和局部场地效应等非一致影响因素，对桥梁空间动力作用效应进行分析是目前国际研究前沿。1.3.2强震过程控制高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁强震全过程研究的最终目的是要充分掌握其在强震作用下的失效破坏模式，以便从根本上对其失效破坏模式进行改变和优化，甚至采取最新的智能控制装置对其失效破坏模式进行干预和控制，从而实现对其强震灾变过程的控制，防止其在强震作用下发生破坏倒塌。结构失效破坏模式多而又复杂，大多采用可靠度分析方法比较结构不同失效破坏模式之间的关系，寻找最可能的失效破坏模式。王显利等28系统总结了20世纪80年代以来所出现的一些识别系统主要失效模式的主流算法。左建

14、新和车维毅29以平面桁架为例，基于分枝限界法将结构连续变更定理用于结构的可靠性分析，实现了不断变更结构的连续分析和失效链失效概率计算，得到可能失效模式的集合。黄刚和刘幸30以平面刚架为例，利用分支界约法寻找结构的主要失效模式，同时采用条件概率法求解结构体系可靠度指标。侯钢领和欧进萍31提出了采用可靠指标矢量表示各失效模式之间的相关性。张小庆等32提出了一种并联体系可靠度的近似计算方法，从而将求解一组失效模式交集失效概率的复杂问题转化为求解一组线性等价失效模式失效概率乘积的简单问题，因而适合于大型结构体系的体系可靠度计算。王建民等33基于有限元重分析技术，考虑载荷对结构的综合影响，改进了结构可靠

15、性分析的增量载荷法，使其更适合于实际工程中大型结构系统在多种载荷共同作用下的可靠性失效模式分析。刘长虹和陈虬34基于枚举结构静强度主要失效模式的优化准则法，建立了模糊随机变量向等效的随机变量的转换关系，用于建立大型模糊随机结构失效模式。张义民等35,36基于随机有限元法，建立了具有相关失效模式的非线性动态随机结构系统可靠性分析的方法，较好地解决了具有独立失效模式的多自由度非线性随机参数振动系统的可靠性灵敏度分析问题。目前对于桥梁结构失效破坏模式的研究更少，对桥梁失效破坏模式的优化与控制研究是目前国际研究前沿。姜增国和邢尚青37基于公路桥梁荷载和结构抗力的概率分布类型和统计参数，分析了连续梁桥的

16、系统可靠度。吕颖钊等38分析并提出了简支梁桥和连续梁桥可能的失效模式，实现了梁桥结构主梁失效的主要失效模式的搜寻，建立了梁桥承载力可靠度分析方法。结构振动控制已被证明是一种非常有效和可行的结构地震反应控制方法39，在长大桥梁的强震灾变过程中，采取适当的控制措施，可以干预和控制其失效破坏模式，从而实现对其强震灾变过程的控制，防止其在强震作用下发生破坏倒塌，这是目前国际前沿研究课题。结构振动控制的基本原理是通过减震、隔震装置来消耗地震能量，同时阻止震动在结构上的传播，或者施加外部的能量以抵消地震作用对结构的影响。自20世纪80年代以来，国际上广泛开展了大型桥梁结构震动控制，所采用的主要控制措施有：

17、隔震支座；被动耗能系统；主动与半主动及智能控制系统。隔震技术最为成熟且应用广泛。桥梁隔震是通过隔震支座实现的。常用的隔震支座包括：叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、滑动摩擦支座等。实验和理论分析表明，叠层橡胶支座虽能减小上部结构的绝对加速度，但同时增加了被隔震结构与其的相对位移。铅芯橡胶支座的隔震效果受地震波的频率影响较大。Ghobarah等40研究了各种频率特性地震波输入对于铅芯叠层橡胶支座隔震性能的影响，结果表明对于具有低频特性的地震波，安装铅芯叠层橡胶支座会增加结构对地震的反应。研制对于各种不同频率特点的地震波输入都具有稳定减震效果的隔震装置是桥梁隔震技术目前和今后的研究热点之

18、一41。被动耗能装置包括金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、液体粘滞阻尼器、SMA阻尼器等42-44。被动耗能装置能从根本上减小输入桥梁结构的地震能量，具有可靠性高、维护成本低的优点，因此已经广泛应用于桥梁减震控制。Tony和Cole45对圣弗朗西斯科奥克兰湾大桥进行了非线性地震动时称分析，研究了采用粘滞阻尼器和摩擦阻尼器对桥塔的弯矩、纵向位移、横向位移的控制效果。Soneji等46研究了采用粘滞液体阻尼器作为被动附加耗能装置，与三种隔震支座（高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆式支座）配合使用对斜拉桥的地震保护效果，结果表明，非线性粘滞阻尼器能有效控制隔震支座的最大变形，且能同时降低桥塔的

19、底部剪力。Hwang等47基于复合阻尼比的概念提出了公路桥梁附加粘滞阻尼器的参数设计方法。刘伟庆等48采用粘滞阻尼器作为减震装置对即将建成的杭州湾跨海大桥进行了抗震加固分析。Ruangrassamee等49采用分两步控制的摩擦阻尼器进行了斜拉桥地震反应控制，研究表明与传统的摩擦阻尼器控制相比，两步摩擦控制的摩擦阻尼器耗能能力更强。目前关于被动耗能装置的理论研究逐渐成熟，今后的研究重点将集中在智能隔震装置及其工程应用领域50-52，主要是解决其参数设计问题53。主动控制系统通过施加外部能量来控制或改变结构的运动，对场地和地面运动不敏感，适用于多种灾害且控制目标可选择，因而具有最好的控制效率，但主

20、动控制系统的可靠性差，因而限制其应用范围54,55。半主动控制具有良好的可靠性和适应性，是一种具有广泛应用前景的结构振动控制方法。半主动控制的关键是控制装置的研制，目前磁流变（MR）阻尼器是最为理想的半主动控制装置56，已成功应用于多个建筑结构和桥梁工程中57-61。目前关于桥梁结构地震反应半主动控制的研究正不断深入，其中将半主动控制装置与被动控制装置或隔震装置组合使用进行地震反应控制是目前的研究热点62,63。He等62研究了被动粘滞阻尼器与半主动阻尼器混合使用对桥梁近场地震反应的控制效果，研究表明当采用混合控制系统时，被动粘滞阻尼器仍然能减小桥梁反应，半主动控制只在最优控制力超过了被动控制

21、所能提供的最大控制力极限时才发挥作用。Park等63采用以铅芯橡胶支座作为被动控制装置，以液压驱动器或磁流变阻尼器用作附加控制装置的混合控制系统对斜拉桥进行地震反应控制，研究表明混合控制系统对质量和刚度的扰动有更好的鲁棒性。半主动控制研究的另一个热点是控制算法方面的研究。半主动控制算法主要分为两类：基于模型的控制算法和智能控制算法。基于模型的控制算法需要对整个控制体系建立精确的数学模型，对于实际复杂结构，这往往不易实现，因为过于复杂的数学模型会使计算量大增，导致控制效率和鲁棒性降低。采用智能控制算法进行半主动控制的优势更为明显。Ok等57采用模糊控制策略对一座斜拉桥进行了半主动控制，具有更好的

22、鲁棒性。Iemura58提出了一种简单的半主动控制算法拟负刚度控制，其控制效果接近传统的LQR控制，但仅需很少的传感器。Symams 等64提出了桥梁结构智能半主动隔震系统的模糊逻辑控制。2、选题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题等2.1 研究内容(1) 单一外加剂对渣土微观结构的影响对比分析；(2) 不同类型的外加剂对渣土微观结构的影响对比分析；(3) 土体微观图像的处理与分析方法； (4) 描述土体微观结构的方法和具体参数。2.2 研究目标通过试验观察对比外加剂改良前后渣土的微观图像，并取得清晰的微观照片，使用相关软件处理和分析所得的图片，得到描述土体微观结构的相关参数，对参数进行分

23、析，建立渣土改良的微观模型，为土压平衡盾构施工中渣土改良外加剂的使用提供理论依据和技术支持。2.3 拟解决的关键问题（1）多维多点输入下高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁模型试验及分析方法；（2）桥梁减隔震方法及效果；（3）桥梁上部结构之间的碰撞及减轻碰撞的方法。3、 研究方案本课题拟采取模型试验、理论分析和数值模拟三者相结合的研究方法，研究强震作用下高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁的抗震性能及其控制的理论与方法。具体研究方案如下。3.1开展多维多点地震动输入下大比尺模型桥梁结构体系的振动台台阵试验研究，对多维多点地震激励下桥梁结构体系的地震反应进行数值模拟和其破坏机理的研究，并对试验结果和数值模拟进行

24、对比分析；通过模拟地震振动台试验，研究强震作用下长大桥梁基础和桥墩损伤演化破坏过程及其失效破坏力学机理，揭示长大桥梁基础和桥墩损伤、破坏的物理机制。通过数值模拟，分析强震作用下长大桥梁结构的破坏倒塌过程，建立强震作用下长大桥梁结构的倒塌分析方法，揭示强震作用下长大桥梁结构的破坏倒塌机制。3.2通过模型试验中，同一条波的多次输入来得出高墩大跨度钢筋混凝土刚构桥梁在多次地震中的地震反应，与数值模拟相对比得出多次地震中桥梁的地震反应。3.3通过模型试验，研究复杂受力条件下新型隔震支座和智能阻尼控制装置的多维非线性动力效应，建立新型隔震支座和智能阻尼控制装置以及两者相耦合的多维非线性动力行为的模拟模型

25、。通过模拟地震振动台试验和数值模拟，研究安装新型隔震支座和智能阻尼控制装置以及两者相耦合的智能控制措施的长大桥梁结构的非线性地震反应以及破坏形态和失效模式，分析其智能控制效果与规律，建立长大桥梁结构的破坏形态和失效模式控制的理论与方法。总结理论分析和试验研究成果，分析新型隔震支座和智能阻尼控制装置以及两者相耦合的智能控制措施对长大桥梁结构损伤、破坏和倒塌过程的控制原理，建立长大桥梁强震灾变过程智能控制的理论与方法。3.4通过模型试验研究地震过程中桥梁上部结构之间的碰撞，与数值模拟结果相对比，得出减轻上部结构之间碰撞力的方法及措施。4、 本课题的特色及创新处首次进行大比尺模型高墩混凝土刚构桥梁结

26、构体系的振动台台阵试验，验证减隔振装置在实际桥梁模型试验中的效果；首次进行桥梁上部结构碰撞试验，并进行减轻上部碰撞力大小的措施验证。5、论文研究进度计划和预期研究结果5.1 研究进度计划2009.92009.12 集阅读相关文献2010.12010.4 实验模型的制作2010.52010.7 进行实验2010.82010.12处理数据理论分析2011.32011.6 提交论文，答辩5.2 预期研究成果发表学术论文34篇。（二）论文研究工作基础及条件保障1工作基础这一年多以来，本人参加了国家自然科学基金重大研究计划重点项目（90715032），“强震作用下长大桥梁的灾变全过程与控制研究”。认真系统地学习了桥梁抗震方面的知识。为今后在这一领域继续研究和本课题的顺利完成奠定了基础。2.工作条件实验室有良好的学习环境，网络良好，方面查阅资料。试验研究条件具备，学校的九子台振设备是国内同类设备中最先进。（三）参考文献12 Sotiris Psomas. Properties of foam/sand mixtures for tunnelling applicationsD，A the