邊坡動(dòng)力響應(yīng)的地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

王 宇 王 濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

邊坡動(dòng)力響應(yīng)的地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

王 宇 王 濤

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

在參考已有的試驗(yàn)和大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)利用地震振動(dòng)臺(tái)研究邊坡動(dòng)力穩(wěn)定性的試驗(yàn)作了歸納研究，對(duì)地震振動(dòng)臺(tái)相似關(guān)系設(shè)計(jì)、模型邊界的處理、相似材料的配比、試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?、試?yàn)動(dòng)荷載的加載方式等進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，指出了目前地震振動(dòng)臺(tái)所存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展方向。

邊坡，動(dòng)力響應(yīng)，振動(dòng)臺(tái)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)條件復(fù)雜的多山國(guó)家，各種地質(zhì)災(zāi)害諸如地震，泥石流等頻繁發(fā)生，其中地震造成的災(zāi)難尤甚，地震的發(fā)生也誘發(fā)了大量的滑坡、泥石流等多種次生地質(zhì)災(zāi)害。其中僅2008年汶川大地震就誘發(fā)了大量的滑坡、泥石流等次生災(zāi)害[1,2]，2015年發(fā)生在尼泊爾的8級(jí)地震使得大量古建筑不復(fù)存在，諸多災(zāi)難性地震引發(fā)了科學(xué)界對(duì)于地震地質(zhì)災(zāi)害研究的熱潮，邊坡的動(dòng)力響應(yīng)便成了巖土工程和地震工程等學(xué)科中一個(gè)重要的問(wèn)題。

對(duì)于斜坡地震穩(wěn)定性分析，常用的方法有規(guī)范推薦的擬靜力法、滑塊分析法和動(dòng)力有限元等[3]，對(duì)于邊坡的動(dòng)力響應(yīng)主要是研究邊坡在動(dòng)荷載作用下的內(nèi)部加速度、速度、位移和應(yīng)力等各量的時(shí)空變化規(guī)律，為邊坡的動(dòng)力變形破壞提供理論支持。近些年物理模擬中振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)逐漸成為研究邊坡動(dòng)力響應(yīng)的重要手段，依據(jù)相似性原理和量綱分析等方法，采用相似性材料配比建造試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用安放在模型中的各種測(cè)量傳感器，監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部應(yīng)力—應(yīng)變的變化狀態(tài)，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)具有試驗(yàn)規(guī)模大，可重復(fù)強(qiáng)，且加載的地震波和試驗(yàn)過(guò)程具有很強(qiáng)的可控性等其他方法所難以企及的優(yōu)勢(shì)，使得其在巖土工程界得到廣泛的應(yīng)用[4]。

本文就目前諸多采用地震振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究邊坡的動(dòng)力響應(yīng)及失穩(wěn)規(guī)律，對(duì)其所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行分析，從相似關(guān)系的設(shè)計(jì)、相似材料的選取及配比、模型箱的研制及模型的建造、地震波的加載等方面對(duì)振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]作以論述，為以后振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)提供參考并指出目前模型試驗(yàn)所存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 模型相似關(guān)系

在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)首要問(wèn)題就是確定試驗(yàn)原型和模型之間的相似關(guān)系，相似關(guān)系的確定也就為模型和原型之間的參數(shù)換算提供了標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)力求使原型和模型在多項(xiàng)參數(shù)上符合一定的相似比，但做到完全相似是極為困難的，對(duì)于具體的模型試驗(yàn)，針對(duì)試驗(yàn)?zāi)康?，使得模型與原型參數(shù)在重要的一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo)上達(dá)到相似進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)[6-8]。

在進(jìn)行地震振動(dòng)臺(tái)相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸的限制，需要進(jìn)行縮尺試驗(yàn)[9]，要求試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃妥匀辉驮趲缀纬叽?、材料的各?xiàng)力學(xué)參數(shù)及加載的動(dòng)荷載等方面保持一定的相似比，使得模型和原型在結(jié)構(gòu)振動(dòng)及動(dòng)力反應(yīng)特性相一致。依據(jù)靜力相似性原則[11]，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟牧咸匦院驮蛻?yīng)符合一定的相似關(guān)系，同時(shí)模型材料和原型中相同量綱的物理量的比值定義為相似比，用字母C表示，其他量綱諸如長(zhǎng)度用L表示，重度為r，位移為s，彈性模量為E，應(yīng)力為σ，應(yīng)變?yōu)棣牛估瓘?qiáng)度為σt，抗壓強(qiáng)度為σc，內(nèi)聚力為c，內(nèi)摩擦角為φ,泊松比為μ等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮椭g的平衡方程、幾何方程、物理方程、應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件等推導(dǎo)出如下相似關(guān)系[12]：

1)應(yīng)力相似比Cσ、容重相似比Cr和幾何尺寸長(zhǎng)度CL之間的相似關(guān)系符合：Cσ=CrCL;2)位移相似比Cs、應(yīng)變相似比Cε和幾何長(zhǎng)度相似比CL之間的相似關(guān)系符合：Cs=CεCL;3)應(yīng)力相似比Cσ、應(yīng)變相似比Cε和彈性模量相似比CE之間的相似關(guān)系符合：Cσ=CεCE;4)模型實(shí)驗(yàn)所要求的其他無(wú)量綱的物理量諸如內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及泊松比等，其相似比應(yīng)為1，具有相同量綱的物理量的相似比應(yīng)保持相等。

2 模型邊界條件處理

目前常用試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖浯笾驴煞譃閯傂阅Ｐ拖洹A筒形柔性模型箱和較為復(fù)雜的層狀剪切模型箱，在研究邊坡動(dòng)力響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中常用的是剛性模型箱和層狀剪切模型箱。剛性模型箱尺寸較大，整體的剛度大，側(cè)向變形小，箱壁常采用鋼板、模板或有機(jī)玻璃等材料輔以固定，同時(shí)在模型箱內(nèi)壁安置一些柔性材料以減小土體邊界的變形，以減弱土箱的邊界效應(yīng)。層狀剪切模型箱是目前振動(dòng)平臺(tái)試驗(yàn)中較為理想能夠?qū)崿F(xiàn)模型剪切變形的模型箱，在目前已研制的模型箱常由數(shù)根各自獨(dú)立的鋼制的矩形層狀框架拼接而成。在每層的層間加入一定數(shù)量的軸承，可以實(shí)現(xiàn)框架在水平方向上自由滑動(dòng)，減小模型箱阻尼對(duì)模型的影響，試驗(yàn)結(jié)果較為理想[13,14],同時(shí)亦可在剪切模型箱內(nèi)加襯一定厚度的橡膠模，以減小模型箱效應(yīng)[4]。許強(qiáng)、黃潤(rùn)秋[15,16]等試驗(yàn)的模型箱均采用剛性固定邊界，并在模型箱的四周內(nèi)襯一定厚度的柔性材料作為減震層。

3 相似材料研制

模型實(shí)驗(yàn)中一個(gè)難點(diǎn)就是模型相似材料的研制，因?yàn)橄嗨撇牧系倪x擇和配比對(duì)模型的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)有較大影響，關(guān)乎模型試驗(yàn)的成敗，地質(zhì)模型試驗(yàn)中對(duì)材料要求有低彈模、高容重、低粘聚力、小內(nèi)摩擦角及低滲透系數(shù)等等，且眾多材料參數(shù)需和目標(biāo)參數(shù)符合一定的相似比[18]。

同時(shí)為配置所需的模型材料，需采用多種不同種類和性能的原料，相似材料由骨料、膠結(jié)材料、外加劑等組成，骨料多選用比重較大的材料，如重金石粉，石英砂鐵粉，膠結(jié)材料選用松香酒精溶液，石蠟，外加料選用：石膏為調(diào)節(jié)材料[18]。依據(jù)近些年研制相似材料的文獻(xiàn)中，相似材料應(yīng)盡量滿足如下要求：1)要求原料安全、對(duì)人體無(wú)害；2)相似材料最好由散體材料組成，可在模具中壓制成一定尺寸的模塊;3)材料的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，受時(shí)間、溫度、濕度等外界因素影響??；4)材料的制作工藝簡(jiǎn)單可行，加工方便；5)材料的塑性高，容易碾壓成型，且凝固時(shí)間較短；6)改變各種材料的配比能較為容易改變材料的物理力學(xué)性質(zhì)[19]。根據(jù)所要試驗(yàn)的自然原型，合理選擇相似性材料，依據(jù)相似性關(guān)系，同時(shí)不斷配比各種材料的配合比并進(jìn)行巖土測(cè)試，確定其各項(xiàng)巖土參數(shù)符合相似比，最終建造試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ㄔ?/h2>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕ㄔ焱ǔＪ墙?jīng)野外地質(zhì)調(diào)查相關(guān)的邊坡失穩(wěn)實(shí)例建造而成，或是地震后邊坡失穩(wěn)的研究成果概化而成的邊坡模型。模型的建造方式可采用分層填筑或是采用單個(gè)模塊進(jìn)行堆砌而成，對(duì)于土質(zhì)邊坡模型等不考慮結(jié)構(gòu)面的影響的模型可在模型箱中采用分層填筑的方法進(jìn)行建造，徐光興等[4]依據(jù)相似性理論采用分層填筑夯實(shí)成型完成了土質(zhì)邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究。許強(qiáng)等[15]在模型箱中設(shè)計(jì)研究了水平向上軟下硬和上硬下軟兩種結(jié)構(gòu)的邊坡在地震作用下的變形失穩(wěn)機(jī)理，在制作模型時(shí)分層振動(dòng)壓實(shí)至設(shè)計(jì)密度。對(duì)于模擬巖質(zhì)邊坡或含有軟弱夾層的自然邊坡，則可先按相似比將相似材料混合，壓實(shí)制作成單個(gè)小模塊，門玉明等[20]將相似材料按一定的配比混合均勻，澆筑成塊體并進(jìn)行高溫烘干，以此模擬作層狀結(jié)構(gòu)邊坡模型的巖塊。楊國(guó)香等[21]用相似材料按一定的比例配比攪拌均勻后，對(duì)均質(zhì)邊坡采用直接壓實(shí)堆砌，對(duì)順層邊坡則是制作單個(gè)小模塊，通過(guò)控制模塊的密度保證相似材料的各項(xiàng)物理指標(biāo)，在塊體和塊體之間用粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)，制作成實(shí)驗(yàn)所需的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。黃潤(rùn)秋等[16]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究反傾和順層兩類結(jié)構(gòu)巖體邊坡在強(qiáng)震條件下的地震動(dòng)力響應(yīng)，模型采用單面坡對(duì)稱設(shè)計(jì)，硬巖模型采用砌塊粘結(jié)的方法建造，軟巖采用逐層砌筑方法建造。

5 試驗(yàn)動(dòng)荷載的加載

邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性與所遭受的動(dòng)荷載動(dòng)力特性密切相關(guān)，目前在邊坡的地震臺(tái)試驗(yàn)中施加的動(dòng)荷載有：

1)采用規(guī)則的簡(jiǎn)諧波；2)直接采用已有的強(qiáng)震記錄或基于強(qiáng)震記錄進(jìn)行調(diào)整的地震波。隨著振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的不斷發(fā)展，加載的動(dòng)荷載也由先期簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)諧波逐漸變?yōu)閷?shí)測(cè)的地震波和人工合成的正弦波。常用實(shí)測(cè)地震波多為EL Centro NS1940地震波，Kobe波，汶川地震波等。目前應(yīng)用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究邊坡的動(dòng)力響應(yīng)是研究所施加的地震波的類型、頻率、激振方向、振幅等對(duì)該特性的影響，故在試驗(yàn)中的動(dòng)荷載一般選用不同頻率、方向強(qiáng)度的人工合成的正弦波和實(shí)測(cè)的地震波，同時(shí)依據(jù)試驗(yàn)的目的設(shè)計(jì)動(dòng)荷載的加載方案，逐級(jí)加載不同振幅的地震波，在試驗(yàn)的最后破壞階段，可施加較大振幅的動(dòng)荷載使模型產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。同時(shí)為了了解模型在施加激振前后的動(dòng)力特性的變化情況，在每次試驗(yàn)開始之前施加白噪聲激勵(lì)，測(cè)試模型的動(dòng)力特性變化情況。

6 結(jié)論及發(fā)展趨勢(shì)

本文主要從振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的相似關(guān)系設(shè)計(jì)、相似材料的選取配比、模型箱及模型的建造、地震波的加載等方面對(duì)振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)作以論述，由于自然邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題是非常復(fù)雜的問(wèn)題，與實(shí)際的坡體結(jié)構(gòu)、地形地貌、巖性組合特征、實(shí)際地震的類型和持時(shí)以及地震時(shí)的氣候特征都有很密切的關(guān)系，在試驗(yàn)時(shí)將真實(shí)的自然邊坡經(jīng)過(guò)抽象概化建立的模型。

1)物理模型試驗(yàn)是從自然邊坡原型概化出的模型，考慮主要的因素分析模型內(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)變化，難以考慮孔隙水壓力的影響，模型所表現(xiàn)的失穩(wěn)破壞特征與實(shí)際的邊坡破壞形式有一定出入。

2)由于振動(dòng)臺(tái)承載能力有限，按照相似理論的要求，很難滿足經(jīng)典相似理論的所有條件，甚至有些基本的相似關(guān)系也不能完全滿足，重力失真效應(yīng)就是其中一個(gè)問(wèn)題。

3)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)地震波的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行壓縮，因而加載速率改變勢(shì)必要求提高外荷載的頻率和材料的應(yīng)變率。如何將加載速率的影響加入到動(dòng)力相似關(guān)系中去，并利用這種關(guān)系指導(dǎo)相關(guān)試驗(yàn)，是需要深入研究的問(wèn)題[22]。

雖然目前振動(dòng)臺(tái)存在諸多問(wèn)題，但振動(dòng)臺(tái)是目前研究邊坡內(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)較為合適的試驗(yàn)手段，在未來(lái)的振動(dòng)臺(tái)會(huì)向著不斷加大臺(tái)面尺寸和承載力的方向發(fā)展，由于增大振動(dòng)臺(tái)尺寸會(huì)造成投資增大，且大型的振動(dòng)臺(tái)在相似比的方面仍不能滿足要求，因而由多臺(tái)小型振動(dòng)臺(tái)組成的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)是今后地震振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)[23]。

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On seismic shaking table test of dynamic responses of slopes

Wang Yu Wang Tao

(ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China)

The paper summarizes the test schemes that has used in studying the stability of the slope with the shaking table, based on previous experimental and research results. The paper formulate the test scheme form these aspects of the design of similitude relationship, model boundary processing, similar material proportion, trial model making, loading methods of input motion etc., and to point out the existing trial problems and the development direction in future.

slope, dynamic response, shaking table, trial design

1009-6825(2015)32-0037-03

2015-09-09

王 宇(1989- )，男，在讀碩士； 王 濤(1989- )，男，在讀碩士

P315

A