深厚覆蓋層中地震動傳播規(guī)律離心模擬試驗研究

張雪東，魏迎奇，張紫濤，梁建輝

（中國水利水電科學研究院，北京 100048）

深厚覆蓋層中地震動傳播規(guī)律離心模擬試驗研究

張雪東，魏迎奇，張紫濤，梁建輝

（中國水利水電科學研究院，北京 100048）

深厚覆蓋層上高土石壩抗震問題一直是土石壩抗震研究領域的熱點之一，而地震動在覆蓋層中傳播規(guī)律研究是其重要組成部分，為揭示地震在覆蓋層中的傳播機理，本文開展了離心機振動臺試驗，分別研究了輸入加速度峰值、土層特性對于地震動在其中傳播規(guī)律的影響。研究發(fā)現(xiàn)，地震動經覆蓋層傳播后，低頻成分被放大，高頻被抑制，且隨著輸入地震動峰值增加，地震動加速度峰值放大倍數(shù)逐漸減小，而對于相同的地震動輸入，加速度峰值放大倍數(shù)隨著土體剪切剛度的增加而逐漸變大。

深厚覆蓋層；地震動；動力離心模型試驗；傳播規(guī)律

1 研究背景

高土石壩在強震作用下的抗震安全性，一直是業(yè)界十分關注的問題，特別是“5.12”汶川大地震以來，對修建在高地震烈度區(qū)的新建工程與已建工程的大壩抗震安全性受到了越來越多的重視［1］。我國在深厚覆蓋層上已經建設了大量的高土石壩，壩型包括土質心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩和瀝青混凝土心墻堆石壩等，如小浪底、瀑布溝、長河壩等［2-5］。目前我國水工建筑物抗震設計規(guī)范以擬靜力法進行土石壩動力抗滑穩(wěn)定驗算為主，其中如何準確合理地確定地震慣性荷載沿壩體高程的分布是關鍵。目前規(guī)范規(guī)定的地震慣性力分布系數(shù)僅適合百米級坐落在基巖上的土石壩，對坐落在超深厚覆蓋層上的百米級土石壩是否適合值得商榷。深厚覆蓋層地基的存在改變了壩體振動特性，也會影響作用于壩體和壩基的加速度響應分布，進而增加了壩體和壩基的抗滑穩(wěn)定性驗算的不確定性。由于缺乏類似工程實例和有關地震實測資料，現(xiàn)有理論分析手段存在局限性和缺乏驗證，因此采用物理模型和數(shù)值模擬相結合是研究上述關鍵問題的有效手段。振動臺試驗是土石壩抗震研究中常用的物理模擬手段，由于巖土材料物理力學特性與其應力狀態(tài)相關，常規(guī)振動臺試驗在揭示土石壩真實的動力反應特征和振動破壞機理方面有其局限性。20世紀80年代以來，國際巖土工程界對采用離心機研究巖土結構動力特性問題產生了極大的興趣，并陸續(xù)開展了相關研究工作［6］，在此背景下，為揭示地震動傳播機理，本文開展了動力離心模型試驗，分別研究了輸入加速度峰值、土層特性對于地震動在其中傳播規(guī)律的影響。

2 試驗方案

2.1 傳感器布置方案以覆蓋層中具有代表性的粗粒、細粒土層為原型進行縮尺制作水平均質土層模型（模型A、B），模型傳感器布置見圖1，每個模型由下至上布置加速度傳感器A0—A6，測量模型中不同位置處的振動加速度，模型表面中心部位布置激光位移傳感器，用于測量每一次振動過程中模型的沉降量；模型制作完成后，試驗擬采用場地波，分別在30 g、50 g的離心力條件下，采用3種振動幅值（0.18 g、0.36 g、0.53 g）進行振動試驗，研究在不同土層厚度（不同g值）、不同地震動幅值條件下的地震動傳播規(guī)律。

圖1 覆蓋層中地震波傳播規(guī)律模型布置

2.2 模型制備試驗中粗粒土模型（模型A）擬采用M工程覆蓋層第④層中取得的土料縮尺后進行模擬，由于除第④層外其它各層取得的土料數(shù)量都十分有限，因此細粒土模型（模型B）擬以③-3層中的土料為原型進行縮尺，使用其它工程中材料性質相近的土料配置完成，粗、細兩種土料的縮尺計算結果見圖2（因為兩種土中的細顆粒，即＜5 mm的土粒含量都大于20%，為保障土的工程性質不發(fā)生改變，縮尺計算采用了等量替代法）。

圖2 土層材料縮尺結果

模型A、B都是飽和地基，飽和流體選用甲基纖維素溶液。模型制樣時每5 cm為一填筑層，填筑同時在預定位置埋入各種傳感器。通過控制干密度來制備模型，粗粒土模型的控制干密度為2.21 g/cm3，細粒土模型的控制干密度為1.75 g/cm3。

2.3 輸入地震動試驗中場地為均勻飽和場地，初步擬定選擇場地波作為自由場地動力試驗的激勵。場地波以三種峰值加速度（0.18 g、0.36 g、0.53 g）在同一個模型上連續(xù)加載，米林場地波波形（截取81.91s）見圖3。

圖3 地震波時程

2.4 試驗工況本次試驗研究包含粗粒土和吸力土兩個模型，其試驗過程如下：①開動離心機，運轉至30 g離心加速度；②監(jiān)控模型表面的沉降變形，當其穩(wěn)定后，啟動離心機振動臺施加地震動荷載；③施加的地震動荷載峰值逐級增加，目標峰值分別為0.18 g、0.36 g和0.53 g；④在施加每一級地震動荷載后，監(jiān)控模型內部的孔隙水壓力，在地震引起的超靜孔壓力完全消散后繼續(xù)施加下一級地震動荷載，表1給出了本次研究的所有實驗工況。

表1 試驗工況總結

3 試驗結果與分析

3.1 加速度結果初步分析A0—A6是沿模型高度方向自下而上布設的加速度傳感器，其中A0安裝于模型箱外側底板的上表面，A1—A6埋置于模型內部。在試驗過程中，地震動首先傳至模型箱底板，而后通過模型箱側壁的水平推動力、底板上表面與模型之間的摩擦力傳至模型之中，這說明A0與A1測得的地震動差異不僅包括兩者之間土層的影響，還包括底板的摩擦以及模型箱側壁水平推動的影響，導致A0與A1測量結果的差異不能真實反映地震動在兩者之間土層的傳播規(guī)律，因此在下文的分析過程中，地震動在土層中的傳播規(guī)律僅通過分析A1—A6的傳感器測量結果得出。本次試驗的采樣頻率為5 000 Hz，所有試驗曲線為換算為原型尺度結果的曲線。

3.2 典型試驗結果圖4給出了粗粒土模型在30 g條件下，輸入地震動峰值為0.18 g的試驗測量結果，從圖中曲線可以看出，不同傳感器給出的測量結果有較好的一致性，且此工況下地震動隨著土層升高逐漸放大。由于篇幅所限，其他工況條件下試驗結果在此處就不一一給出。

3.3 輸入地震波振幅對于動力放大系數(shù)的影響圖5分別給出了粗粒土模型和細粒土模型中，地震動由A1所在土層傳播至A6所在土層的加速度放大倍數(shù)；從圖中可以看出，隨著輸入地震動幅值逐漸變大，粗粒土模型加速度放大倍數(shù)由小振時候1.30，變?yōu)閺娬饤l件下的0.78，細粒土模型加速度放大倍數(shù)由小振時的0.65，變?yōu)閺娬饤l件下的0.46，這說明隨著輸入地震動峰值加速度的增加，地震動加速度放大倍數(shù)都會逐漸減小。從能量角度看，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因如下：在輸入振幅小的條件下，土體處于彈性范圍，能量損失較小，因此對于輸入地震波能夠起到一定的放大作用，而隨著地震動輸入增大，土體出現(xiàn)塑性變形，出現(xiàn)能量耗散，因此地震動經土層傳播后會出現(xiàn)衰減的情況。

3.4 地震動傳播過程中反應譜的變化規(guī)律從圖中6可以看出，在所有試驗中，輸入地震動的反應譜在經過土層傳播后，地震動反應譜的長周期成分增加，特征周期變大，反應譜平臺值對應的周期范圍增加。說明地震動在土層中傳播過程中，低頻（長周期）的成分被放大，而高頻成分被抑制。

3.5 地震動在粗、細粒土中傳播規(guī)律對比從圖7中可以看出，當輸入的地震動峰值接近時，地震波在粗粒土層中傳播后的加速度放大倍數(shù)大于相同條件下的細粒土模型。在本次試驗中，粗、細粒土的區(qū)別本質上是剪切模量的區(qū)別，即粗粒土的剪切模量明顯大于細粒土，說明對于相同的地震動輸入，地震動的放大幅度與其自身的剪切模量正相關。

4 結論

圖4 粗粒土模型-30g-目標峰值0.18g測試結果（左圖：時程；右圖：反應譜）

通過開展模擬覆蓋層中地震動傳播規(guī)律的離心模型試驗，得出以下結論：（1）隨著輸入地震動幅值逐漸變大，粗粒土和細粒土模型的加速度放大倍數(shù)都逐漸減小，這是由于輸入振幅小的條件下，土體處于彈性范圍，能量損失較小，因此對于輸入地震波能夠起到一定的放大作用，而隨著地震動輸入增大，土體出現(xiàn)塑性變形，出現(xiàn)能量耗散，因此地震動經土層傳播后會出現(xiàn)衰減的情況。（2）輸入地震動的反應譜在經過土層傳播后，地震動反應譜的長周期成分增加，特征周期變大，反應譜平臺值對應的周期范圍增加，這說明經過土層的傳播，地震波低頻部分被放大，高頻部分被抑制。（3）當輸入的地震動峰值接近時，由于粗粒土模型的剪切剛度大于細粒土模型，因此地震波在粗粒土層中傳播后的加速度放大倍數(shù)大于相同條件下的細粒土模型。

圖5 加速度放大倍數(shù)隨輸入地震動幅值的變化規(guī)律

圖6 輸入地震動和地表地震動反應譜對比

圖7 輸入地震動振幅相近時粗、細粒土加速度放大倍數(shù)對比

［1］ 趙劍明，劉小生，溫彥鋒，等.紫坪鋪大壩汶川地震震害分析及高土石壩抗震減災研究設想［J］.水力發(fā)電，2009（5）：11-14.

［2］ 黨發(fā)寧，胡再強，謝定義.深厚覆蓋層上高土石壩的動力穩(wěn)定分析［J］.巖石力學與工程學報，2005（6）：2041-2047.

［3］ 趙劍明，溫彥鋒，劉小生，等.深厚覆蓋層上高土石壩極限抗震能力分析［J］.巖土力學，2010（s1）：41-47.

［4］ 王翔南，張向韜，董威信，等.深厚覆蓋層上心墻對是吧強震動力響應分析［J］.地震工程學報，2015（2）：349-354.

［5］ 潘家軍，饒錫保，周欣華，等.深厚覆蓋層上面板堆石壩新型結構應力變形性狀影響因素研究［J］.水利學報，2015，46（S1）：163-167.

［6］ 侯瑜京.土工離心機振動臺及其試驗技術［J］.中國水利水電科學研究院學報，2006（1）：15-22.

Abstract：The seismic behavior of high earth rockfill dams built on a deep overburden layer is one of the research hotspots in the field of anti-seismic engineering of those dams.The propagation behavior of seis?mic waves through the overburden layer is the important part of the aforementioned research.In order to ex?amine such a propagation behavior of seismic waves through the overburden layer，a series of dynamic cen?trifuge tests were carried out in this study.The influence of the peak acceleration of the input motion and the soil properties on the propagation behavior of seismic waves was explored.This study indicates that the components of seismic waves with low-frequencies become strengthened while those with high-frequencies become weakened after propagation through the soil.In addition，the amplification factor of the peak accel?eration decreases with increasing the peak acceleration of the input motion.Meanwhile，amplification factor increases with increasing the shear modulus of the soil for the same input motion.

Keywords：deep overburden layer；seismic wave；dynamic centrifuge tests；propagation behavior

（責任編輯：祁 偉）

Dynamic centrifuge modeling research on the propagation law of earthquake motion

ZHANG Xuedong，WEI Yingqi，ZHANG Zitao，LIANG Jianhui
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

TU4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.005

1672-3031（2017）04-0272-06

2016-06-15

中國水利水電科學研究院基本科研業(yè)務費專項項目（GE0145B102017）

張雪東（1980-），男，河北人，博士，高級工程師，主要從事非飽和土力學、動力離心模型試驗研究。E-mail：zxerdo@126.com