邊坡動力破壞機理的振動臺試驗研究

摘要：

將數字圖像位移測量技術和有限元數據平滑方法應用到邊坡模型的振動臺試驗中，得到了整個振動過程的位移場和應變場，探討了土質邊坡的動力破壞模式和破壞機理。結果表明土質邊坡的變形是漸進式的，坡體中部到坡腳是剪切破壞，坡頂一定深度是拉剪破壞，破壞時有深層的圓弧狀滑動面，用位移時程曲線的廣義曲率做為判斷邊坡動力破壞的物理量是可行的。

關鍵詞：

邊坡；振動臺試驗；應變測量；破壞機理

中圖分類號：

TU47

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）04005706

在土木工程和水利工程中，有眾多的自然邊坡、人工邊坡如堤壩、路基路塹等邊坡工程。中國的許多重大工程如大型水電站、南水北調西線工程、西部山區高速公路等均處于強震區，特別是2008年汶川“5·12”地震以來，邊坡動力破壞機理引起學者們的廣泛關注，成為巖土地震工程領域中重要的研究課題之一。有關邊坡地震的原型觀測資料很少，所以室內振動臺試驗就成為研究地震作用下邊坡動力問題的重要手段之一。Lin等[1]采用大型振動臺試驗研究土坡在地震作用下的響應，認為砂土邊坡破壞面較淺，只是坡體表面的破壞。徐光興等[23]通過振動臺模型試驗研究了混合土邊坡的動力特性，并結合數值分析結果認為在強震作用下單一均質土層邊坡的破壞模式仍然是沿著某一弧形潛在滑動面失穩。許強等[4]通過多組振動臺試驗認為均質土坡和塊狀巖質斜坡的動力破壞模式都是坡頂拉裂，中下部剪切滑移破壞。陳新民等[56]采用振動臺試驗研究了粘土邊坡動力特性、動力反應和宏觀變形，發現在動力作用下邊坡坡頂和坡腳出現裂縫。葉海林等[7]巖質邊坡大型振動臺模型試驗，結果表明地震滑動面為上部拉裂縫和下部剪切滑移面形成貫通的破裂面。劉君等[8]把PIV技術應用在土質邊坡振動臺模型試驗中，獲取了邊坡破壞的完整過程。Wang等[9]在砂土邊坡振動臺試驗中采用PIV技術獲取了邊坡表面的位移場，探討了邊坡動力失穩機理。Wartman等[1011]通過多組粘土邊坡振動臺模型試驗研究了邊坡產生的永久位移，并與基于峰值和殘余強度的Newmark 公式計算結果進行了比較。Katz等[12]采用振動沙箱研究了砂土邊坡破壞的類型和頻率的關系。以上針對邊坡的動力特性、宏觀破壞現象及個別點的位移進行的研究，而沒有涉及邊坡的位移場，劉君、Wang等雖用PIV技術得到了整個邊坡的位移場，但沒有對應變場進行研究。劉振平，等：邊坡動力破壞機理的振動臺試驗研究

應變是直接對含有噪聲的離散位移進行差分計算得到的，那么即使微小的位移測量誤差也會被急劇地放大，使計算的應變不可靠[13]。一般的數據擬合平滑方法也不能滿足應變計算的精度要求，潘兵等[1314]提出了局部最小二乘擬合的應變計算方法，其原理同SavitzkyGolay平滑方法。該方法能夠在一定程度上去除原始位移場的噪聲，缺點是由于每個位移點都要一個計算窗口平滑，計算量巨大，并且對于非均勻應變場，應變計算窗口的大小顯著影響應變的計算精度，目前還沒有合適的方法來選擇最佳的窗口大小。本文采用數字圖像位移和有限元數據平滑技術，得到了整個邊坡模型的位移場和應變場，同時探討了土質邊坡的地震破壞機理。

1基于有限元數據平滑的應變計算

數字圖像位移測量技術現在已經成熟，采用互相關圖像匹配技術獲取位移場后，再用有限元數據平滑方法對位移場進行處理后，得到應變場。