邊坡動力響應的地震振動臺試驗研究

王 宇 王 濤

(中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

邊坡動力響應的地震振動臺試驗研究

王 宇 王 濤

(中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

在參考已有的試驗和大量相關文獻的基礎上，對利用地震振動臺研究邊坡動力穩定性的試驗作了歸納研究，對地震振動臺相似關系設計、模型邊界的處理、相似材料的配比、試驗模型的制作、試驗動荷載的加載方式等進行了系統的闡述，指出了目前地震振動臺所存在的問題及未來的發展方向。

邊坡，動力響應，振動臺，試驗設計

0 引言

我國是一個地質條件復雜的多山國家，各種地質災害諸如地震，泥石流等頻繁發生，其中地震造成的災難尤甚，地震的發生也誘發了大量的滑坡、泥石流等多種次生地質災害。其中僅2008年汶川大地震就誘發了大量的滑坡、泥石流等次生災害[1,2]，2015年發生在尼泊爾的8級地震使得大量古建筑不復存在，諸多災難性地震引發了科學界對于地震地質災害研究的熱潮，邊坡的動力響應便成了巖土工程和地震工程等學科中一個重要的問題。

對于斜坡地震穩定性分析，常用的方法有規范推薦的擬靜力法、滑塊分析法和動力有限元等[3]，對于邊坡的動力響應主要是研究邊坡在動荷載作用下的內部加速度、速度、位移和應力等各量的時空變化規律，為邊坡的動力變形破壞提供理論支持。近些年物理模擬中振動臺模型試驗逐漸成為研究邊坡動力響應的重要手段，依據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模型，利用安放在模型中的各種測量傳感器，監測邊坡內部應力—應變的變化狀態，振動臺模型試驗具有試驗規模大，可重復強，且加載的地震波和試驗過程具有很強的可控性等其他方法所難以企及的優勢，使得其在巖土工程界得到廣泛的應用[4]。

本文就目前諸多采用地震振動臺模型試驗研究邊坡的動力響應及失穩規律，對其所設計的試驗方案進行分析，從相似關系的設計、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振動臺的試驗設計[5]作以論述，為以后振動臺試驗提供參考并指出目前模型試驗所存在的問題及未來的發展趨勢。

1 模型相似關系

在進行模型試驗時首要問題就是確定試驗原型和模型之間的相似關系，相似關系的確定也就為模型和原型之間的參數換算提供了標準，在進行模型試驗時力求使原型和模型在多項參數上符合一定的相似比，但做到完全相似是極為困難的，對于具體的模型試驗，針對試驗目的，使得模型與原型參數在重要的一項或幾項指標上達到相似進行相關試驗[6-8]。

在進行地震振動臺相關實驗時，由于振動臺臺面尺寸的限制，需要進行縮尺試驗[9]，要求試驗模型和自然原型在幾何尺寸、材料的各項力學參數及加載的動荷載等方面保持一定的相似比，使得模型和原型在結構振動及動力反應特性相一致。依據靜力相似性原則[11]，實驗模型的材料特性和原型應符合一定的相似關系，同時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，其他量綱諸如長度用L表示，重度為r，位移為s，彈性模量為E，應力為σ，應變為ε，抗拉強度為σt，抗壓強度為σc，內聚力為c，內摩擦角為φ,泊松比為μ等，根據實驗模型和原型之間的平衡方程、幾何方程、物理方程、應力邊界條件和位移邊界條件等推導出如下相似關系[12]：

1)應力相似比Cσ、容重相似比Cr和幾何尺寸長度CL之間的相似關系符合：Cσ=CrCL;2)位移相似比Cs、應變相似比Cε和幾何長度相似比CL之間的相似關系符合：Cs=CεCL;3)應力相似比Cσ、應變相似比Cε和彈性模量相似比CE之間的相似關系符合：Cσ=CεCE;4)模型實驗所要求的其他無量綱的物理量諸如內聚力、內摩擦角及泊松比等，其相似比應為1，具有相同量綱的物理量的相似比應保持相等。

2 模型邊界條件處理

目前常用試驗模型箱大致可分為剛性模型箱、圓筒形柔性模型箱和較為復雜的層狀剪切模型箱，在研究邊坡動力響應的振動臺試驗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，側向變形小，箱壁常采用鋼板、模板或有機玻璃等材料輔以固定，同時在模型箱內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。層狀剪切模型箱是目前振動平臺試驗中較為理想能夠實現模型剪切變形的模型箱，在目前已研制的模型箱常由數根各自獨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量的軸承，可以實現框架在水平方向上自由滑動，減小模型箱阻尼對模型的影響，試驗結果較為理想[13,14],同時亦可在剪切模型箱內加襯一定厚度的橡膠模，以減小模型箱效應[4]。許強、黃潤秋[15,16]等試驗的模型箱均采用剛性固定邊界，并在模型箱的四周內襯一定厚度的柔性材料作為減震層。

3 相似材料研制

模型實驗中一個難點就是模型相似材料的研制，因為相似材料的選擇和配比對模型的各項物理力學性質有較大影響，關乎模型試驗的成敗，地質模型試驗中對材料要求有低彈模、高容重、低粘聚力、小內摩擦角及低滲透系數等等，且眾多材料參數需和目標參數符合一定的相似比[18]。

同時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，膠結材料選用松香酒精溶液，石蠟，外加料選用：石膏為調節材料[18]。依據近些年研制相似材料的文獻中，相似材料應盡量滿足如下要求：1)要求原料安全、對人體無害；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)材料的物理化學性質穩定，受時間、溫度、濕度等外界因素影響小；4)材料的制作工藝簡單可行，加工方便；5)材料的塑性高，容易碾壓成型，且凝固時間較短；6)改變各種材料的配比能較為容易改變材料的物理力學性質[19]。根據所要試驗的自然原型，合理選擇相似性材料，依據相似性關系，同時不斷配比各種材料的配合比并進行巖土測試，確定其各項巖土參數符合相似比，最終建造試驗模型。

4 試驗模型建造

試驗模型的建造通常是經野外地質調查相關的邊坡失穩實例建造而成，或是地震后邊坡失穩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模塊進行堆砌而成，對于土質邊坡模型等不考慮結構面的影響的模型可在模型箱中采用分層填筑的方法進行建造，徐光興等[4]依據相似性理論采用分層填筑夯實成型完成了土質邊坡在地震作用下的動力響應研究。許強等[15]在模型箱中設計研究了水平向上軟下硬和上硬下軟兩種結構的邊坡在地震作用下的變形失穩機理，在制作模型時分層振動壓實至設計密度。對于模擬巖質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，壓實制作成單個小模塊，門玉明等[20]將相似材料按一定的配比混合均勻，澆筑成塊體并進行高溫烘干，以此模擬作層狀結構邊坡模型的巖塊。楊國香等[21]用相似材料按一定的比例配比攪拌均勻后，對均質邊坡采用直接壓實堆砌，對順層邊坡則是制作單個小模塊，通過控制模塊的密度保證相似材料的各項物理指標，在塊體和塊體之間用粘結劑進行粘結，制作成實驗所需的試驗模型。黃潤秋等[16]通過振動臺試驗，研究反傾和順層兩類結構巖體邊坡在強震條件下的地震動力響應，模型采用單面坡對稱設計，硬巖模型采用砌塊粘結的方法建造，軟巖采用逐層砌筑方法建造。

5 試驗動荷載的加載

邊坡的動力穩定性與所遭受的動荷載動力特性密切相關，目前在邊坡的地震臺試驗中施加的動荷載有：

1)采用規則的簡諧波；2)直接采用已有的強震記錄或基于強震記錄進行調整的地震波。隨著振動臺試驗的不斷發展，加載的動荷載也由先期簡單的簡諧波逐漸變為實測的地震波和人工合成的正弦波。常用實測地震波多為EL Centro NS1940地震波，Kobe波，汶川地震波等。目前應用振動臺試驗研究邊坡的動力響應是研究所施加的地震波的類型、頻率、激振方向、振幅等對該特性的影響，故在試驗中的動荷載一般選用不同頻率、方向強度的人工合成的正弦波和實測的地震波，同時依據試驗的目的設計動荷載的加載方案，逐級加載不同振幅的地震波，在試驗的最后破壞階段，可施加較大振幅的動荷載使模型產生失穩破壞。同時為了了解模型在施加激振前后的動力特性的變化情況，在每次試驗開始之前施加白噪聲激勵，測試模型的動力特性變化情況。

6 結論及發展趨勢

本文主要從振動臺試驗的相似關系設計、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振動臺的試驗作以論述，由于自然邊坡在地震作用下的動力響應問題是非常復雜的問題，與實際的坡體結構、地形地貌、巖性組合特征、實際地震的類型和持時以及地震時的氣候特征都有很密切的關系，在試驗時將真實的自然邊坡經過抽象概化建立的模型。

1)物理模型試驗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部的動力響應變化，難以考慮孔隙水壓力的影響，模型所表現的失穩破壞特征與實際的邊坡破壞形式有一定出入。

2)由于振動臺承載能力有限，按照相似理論的要求，很難滿足經典相似理論的所有條件，甚至有些基本的相似關系也不能完全滿足，重力失真效應就是其中一個問題。

3)進行振動臺試驗時，需要對地震波的持續時間進行壓縮，因而加載速率改變勢必要求提高外荷載的頻率和材料的應變率。如何將加載速率的影響加入到動力相似關系中去，并利用這種關系指導相關試驗，是需要深入研究的問題[22]。

雖然目前振動臺存在諸多問題，但振動臺是目前研究邊坡內部的動力響應較為合適的試驗手段，在未來的振動臺會向著不斷加大臺面尺寸和承載力的方向發展，由于增大振動臺尺寸會造成投資增大，且大型的振動臺在相似比的方面仍不能滿足要求，因而由多臺小型振動臺組成的振動臺臺陣系統是今后地震振動臺的發展趨勢[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