دانلود رایگان ترجمه مقاله اندازه گیری ویژگی های دینامیکی ستون-خاک منجمد (نشریه الزویر 2012)

اندازه گیری ویژگی های دینامیکی ستون-خاک منجمد: یک رویکرد شناسایی سیستم

Measurement of frozen soil–pile dynamic properties: A system identification approach

چکیده
1- مقدمه
2- راه اندازی آزمون و اندازه گیری ها
3-تجزیه و تحلیل طیف
4- ملاحظه نظری
5- برآوردهای پارامتر
6- نتایج

چکیده
یک رویکرد سیگنال پاسخ عاری از میرایی برای برآورد قابل اعتماد ویژگی های دینامیک ستون-خاک منجمد یک ستون تعبیه شده جزئی ارائه شده است. ملاحظه نظری و تقریب ها برای ارتعاش آزاد ساختارهای ستون، با 20 درصد از ستون معلق بالای سطح زمین و باقی مانده در گل و لای Fairbanksارائه شده است. اندازه گیری های زمستانی برای پاسخ عاری از-میرایی ستون اتخاذ شد. یک تجزیه و تحلیل طیف فرکانسی جامع که شامل تبدیل سریع فوریه، چگالی طیف توان و طیف نگاره ها می شود، برای ارزیابی ویژگی های ارتعاش سیستم استفاده می شود. سپس تجزیه حالت تجربی برای تجزیه سیگنال به منظور استخراج اجزاء خاص برای شناسایی پارامتر مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج نشان می دهد که پاسخ نمایشگر ویژگی های متغیر با-زمان و غیر خطی در حوزه زمان-فرکانس است. داده های تجربی نشان می دهد که سیستم مورد آزمایش قرار گرفته، نمایشگر غیرخطی بودن ضعیف است. پارامترهای غالب سیستم که برای مشخص نمودن فعل و انفعالات ستون-خاک منجمد مورد استفاده قرار می گیرند، شناسایی می شوند. دو فرکانس غالب برای یک ستون سفت تعبیه شده در 20 فوت (6.096 متر) عمق گل و لای منجمد Fairbanks، 97 هرتز و 1080 هرتز هستند. میرایی در حدود 0.016 یافت شد.
1- مقدمه
اندازه گیری دینامیک طیف ارتعاش ستون های تعبیه شده در خاک های منجمد به منظور برآورد یکپارچگی یا سفتی ستون برای فنداسیون های ستون عمیق استفاده می شود. یعنی، طیف ارتعاش به منظور برآورد انسجام یا فعل و انفعال سختی یک ستون در پایه های عمیق خاک استفاده می شود (Chau et al., 2009; Chau and Yang, 2005; Hua et al., 2008; Ku et al., 2003; Maheshwaria et al., 2004; Masoumi et al., 2009; Naggar and Novak, 1995; Ni et al., 2008; Puri and Braja, 1993; Tahghighi and Konagai, 2007; Takewaki, 2005; Teguh, 2008; Xiong and Yang 2008). هنگامی که ستون ها در پایه های عمیق خاک تحت زلزله قرار می گیرند، پاسخ به سختی و میرایی بستگی دارد. در گذشته، اکثر مطالعات بر رفتار ستون ها در خاک های غیرمنجمد متمرکز شده اند. پاسخ چنین ساختارهای در معرض زلزله به واسطه فصل تحت تاثیر قرار می گیرد. بارگذاری لرزه ای می تواند باعث کرنش هایی در خاک شود که به یک نقطه افزایش می یابد که در آن مدول برشی و سفتی خاک کاهش می یابد در حالی که نوسانات افزایش می یابند. تغییر در پارامترهای معین وابسته به شرایط مرزی ساختار، زوال مواد، یا آسیب است. شناسایی پارامتر معین (معین) یک روش شناخته شده برای شناسایی سیستم و نظارت بر وضعیت است. روش های سنتی برای شناسایی پارامتر معین معمولا برای انجام آزمون های شناسایی کلی در آزمایشگاه و یا آزمون های به خوبی کنترل شده میدانی مورد استفاده قرار می گیرند.
در تجزیه و تحلیل معین تجربی کلاسیک، پارامترهای معین (فرکانس های رزونانس، نسبت های میرایی، و غیره) برای ساختار از طریق آزمایشات تحریک اجباری شناخته می شوند. با این حال، برای بسیاری از سازه ها، پیاده سازی ورودی اندازه گیری شده به راحتی در دسترس نیست. اندازه گیری پاسخ های ضربه در این شرایط احتمالا محبوب ترین روش شناسایی پارامتر معین است. برای یک ساختار ستون خاک- با جرم کم و یا هیچ جرم فشرده، سیگنال های آزمون به دست آمده از سیستم ستون-خاک، پیچیدگی داشتند. عوامل بسیاری چون غیرخطی بودن سازه-ستون-خاک، سیگنال ضبط را را تحت تاثیر قرار می دهند، و به سفتی غیر خطی و میرایی غیر خطی منجر می شوند. یک وضعیت پسماند برای یک ستون و خاک رخ می دهد که به صورت یک ماده کششی فعال و انفعال پیدا می کند. به عنوان مثال، هنگامی که ستون خاک را هل می دهد، یک شکاف به احتمال زیاد بین خاک و ستون در خط زمین تشکیل می دهد. بنابراین، پاسخ توسط سخت شدن و یا تضعیف خاک تغییر می یابد، زیرا خاک تغییر شکل پیدا می کند و یک شکاف بین ستون و خاک در سطح زمین رخ می دهد. این فعل و انفعال روی تغییر شکل یا سفتی ستون-خاک تاثیر می گذارد.

Abstract

A free-decay response signal approach is proposed for reliable estimation of frozen soil–pile dynamic properties of a partially embedded pile. Theoretical consideration and approximations are given for the free vibration of pile structures, with 20% of the pile cantilevered aboveground and the remaining embedded in Fairbanks silt. Winter measurements were taken for free-decay response of the pile. A comprehensive frequency spectrum analysis that includes fast Fourier transform, power spectrum density, and spectrograms is used to evaluate the system’s vibration properties. Empirical mode decomposition is then used to decompose the signal to extract specific components for parameter identification. Results show that the response exhibits time-variant and nonlinear characteristics in the time–frequency domain. Experimental data show that the tested system exhibits weak nonlinearity. Dominant system parameters, used to characterize frozen soil–pile interactions, are identified. Two dominant frequencies for a stiff pile embedded 20 ft (6.096 mm) deep in frozen Fairbanks silt are 97 Hz and 1080 Hz. Damping was found to be approximately 0.016.

1- Introduction

Dynamic measurements of the vibration spectrum of piles embedded in frozen soils are used to estimate pile integrity or stiffness for deep pile foundations. That is, the vibration spectrum is used to estimate the integrity or interaction stiffness of a pile in deep soil foundations (Chau et al., 2009; Chau and Yang, 2005; Hua et al., 2008; Ku et al., 2003; Maheshwaria et al., 2004; Masoumi et al., 2009; Naggar and Novak, 1995; Ni et al., 2008; Puri and Braja, 1993; Tahghighi and Konagai, 2007; Takewaki, 2005; Teguh, 2008; Xiong and Yang, 2008). When piles in deep soil foundations are subjected to an earthquake, response depends on stiffness and damping. In the past, most studies have focused on the behavior of piles in unfrozen soils. The response of such structures subjected to earthquakes is influenced by the season. Seismic loading can cause strains in the soil to increase to a point where the soil shear modulus and stiffness decrease while damping increases. A change in modal parameters is dependent on structure boundary condition, material deterioration, or damage. Modal parameter identification is a well-known method for system identification and condition monitoring. Traditional methods for modal parameter identification are commonly used to fulfill general identification tests in the laboratory or in well-controlled field tests. In classical experimental modal analysis, the modal parameters (resonance frequencies, damping ratios, etc.) for a structure are identified via forced excitation experiments. However, for many structures, implementation of measured input is not conveniently available. Impact response measurements in these circumstances are probably the most popular method of modal parameter identification. For a soil– pile structure with little or no lumped mass, the test signals acquired from the soil–pile system tend to be complicated. Many factors—for example, the nonlinearity of the soil–pile structure—affect the captured signal, resulting in nonlinear stiffness and nonlinear damping. A hysteresis condition occurs for a pile and soil that interacts as an inelastic material. For example, when the pile pushes against the soil, a gap will likely form between the soil and the pile at ground line. So, the response is changed by soil hardening or weakening as the soil deforms and a gap occurs between the pile and soil at the ground surface. This interaction affects the soil–pile deformation or stiffness..