（水工结构工程专业论文）边坡振动台模型试验及相关问题研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济建设的迅速发展和西部大开发战略的实施，我国西部水利工程的建设必将 得到快速发展，高坝大库的建设也越来越多。在这些高坝中，土石坝占了相当的比例。 西部地区地质条件复杂，在西部建设的这些构筑物又多位于强震区，因此这些高坝大库 能否抗御强震袭击及它们在地震作用下的滑坡，便成了人们十分关心的重大问题。 滑坡是一种常见的重大自然灾害，就水利水电建设而言，库区、坝区及坝体滑坡事 故多次发生，造成重大经济损失和人员伤亡。地震是触发滑坡最常见的外因。因此，有 必要深入研究、探讨地震荷载作用下坝坡的破坏机理、主要破坏特征及性态。本文在国 家自然科学基金项目强震区高土石坝抗震措施研究( 编号：5 0 6 7 9 0 9 3 ) 资助下，通过 振动台试验，进行了加筋对坝坡抗震效果影响的研究。论文主要工作如下： ( 1 ) 利用常用的直剪仪测定低应力下非饱和砂的基本参数、非饱和砂筋材的接触 面参数，确定了土筋之间的摩擦性质，为数值计算提供参数。 ( 2 ) 通过类比试验的方法，精心设计了几组振动台模型试验，着重观察边坡的破 坏性态和破坏过程，研究了坡度、模型内加筋长度及加筋密度等因素对最危险滑裂面及 构筑物抗震稳定性的影响。 ( 3 ) 分析了各试验工况的加速度反应，比较了边坡的加速度放大倍数与输入地震 动峰值的关系。 ( 4 ) 根据振动台模型试验结果，从破坏性态和屈服加速度等方面分析了加筋对提 高坝坡抗震稳定性的效果。 关键词：高边坡；振动台试验；地震波；地震反应；破坏性态 边坡振动台模型试验及相关问题研究 s h a k i n gt a b l et e s to nt h em o d e lo fs l o p ea n dr e s e a r c ho nc o r r e l a t e di s s u e s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n dt h ew e s t e r nd e v e l o p m e n t s t r a t e g y ，m o r ea n dm o r eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gw i l lb eb u i l ti nt h ew e s t e r nc h i n a i nt h e s eh i 曲 d a m sa n dl a r g er e s e r v o i r s ，h i g he a r t h d a ma c c o u n t e df o rac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o n o w i n gt o t h ec o m p l e x g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n df r e q u e n t l yi n t e n s i t ye a r t h q u a k e si nt h ew e s t e mc h i n a , t h eq u e s t i o nw h e t h e rt h e s eb u i l d i n g sc a l lb es t r o n ge n o u g ht or e s i s tt h ee a r t h q u a k el o c a t e di n e a r t h q u a k ez o l l e si sv e r ym u c hc o n c e r n e da b o u tt h em a j o ri s s u e l a n d s l i d ei sac o m r f l o nm a j o rn a t u r a ld i s a s t e r 。e v e r yy e a ran u m b e ro fi n c i d e n t so f r e s e r v o i ra r e aa n dd a m sw h i c ho c e u r r e do nm a n yo c c a s i o n sc a u s e ds i g n i f i c a n te c o n o m i c l o s s e sa n dc a s u a l t i e s ，n l ee a r t h q u a k ei st h em o s tc o m m o ne x t e r n a lc a u s e t h e r e f o r e s t u d y i n g o nt h es l o p ef a i l u r e 。m e c h a n i s m ，r e s e a r c h i n go nt h em a i nf e a t u r e so ft h es t r u c t u r ea n d d e v a s t a t i n gd e s t r u c t i o no fs t a t eh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e n l ep r e s e n tr e s e a r c hi s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t - s t u d yo nj o i n tr e s e a r c ho fy a l o n g r i v e rh y d r o p o w e rd e v e l o p m e n tf n o ：5 0 6 7 9 0 9 3 ) t l l i sp a p e rl a u n c h e dt e s ta r o u n dd i f f e r e n t m e a s u r e sb yl l s co ft h es h a k i n g - t a b l eo fd l u ta n dt h em a i nc o n t e n t so ft h ec u r r e n tr e s e a r c h a l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t e s tt h eb a s i cp a r a m e t e r so fn o n - s a t u r a t i o ns a n db yu s eo ft h ec o m m o n l yd i r e c ts h e a r a p p a r a t u s ，a l s ot h ec o n t a c ts u r f a c ep a r a m e t e r so fs a n d r e i n f o r c e dm a t e r i a l t h ea i mi st o o f f e rp a r a m e t e r sf o rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ( 2 ) as e r i e so fs h a k i n gt a b l et e s t sa l ec o n d u c t e db ya n a l o g ym e t h o d 珊sp a p e r e m p h a s i z e st h ef a i l u r eb e h a v i o ra n dp r o c e s so fh i 曲s l o p e ，i ta l s oe m p h a s i z e st h er e s e a r c ho f t h ei m p r o v e m e n to ft h es l o p e sv a l i d i t yb ya p p e n d i n ga p p r o p r i a t er e i n f o r c i n gs t e e lb a ri nt h e m o d e l sa n dt h ep o t e n t i a li n f l u e n c eo ft h er e i n f o r c e m e n tl e n g t ha n dd e n s i t yt ot h es l i ps u r f a c e ， a l s od i s c u s s e st h ei n f l u e n c et ot h es t r u c t u r e s ( 3 ) t h ea c c e l e r a t i o na n di t sr e s p o n s eo fe v e r yc a s ei ss t u d i e di nt h i sp a p e ra n dc o m p a r e t h ea c c e l e r a t i o na m p l i f i c a t i o no ft h es l o p ef a c t o ri n c r e a s e s 、耐t l lt h ei n p u ts e i s m i cl o a d i n gi s a l s od i s c u s s e d ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs h a k i n gt a b l em o d e lt e s t , a n a l y st h es e i s m i cs t a b i l i t yo f 伍er e i n f o r c e m e n ts l o p ef r o mt h ed e s t r u c t i v es t a t ea n dy i e l d e da c c e l e r a t i o n 一i i 大连理工大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：h i g hs l o p e ；s h a k i n gt a b l et e s t ；s e i s m i cw a v e ；s e i s m i cr e s p o n s e ；f a i l u r e o f s l o p e i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：坠兰叁! e 兰竺巡姿丝堕塑叁! 翌丝塑暨 作者签名：垩鱼! 盟日期：丑年月二生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 麓紫：兰美竺兰一 导师签名： n j 主二覆日期：兰衅年二月2 鱼日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景 地震灾害作为一种严重的自然灾害，一旦发生便会带来惨重的损失。我国位于世界 两大地震带环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动频度高、强度大、震源浅， 分布广，是一个震灾严重的国家。近几十年，已发生过多次灾难性的大地震，如1 9 6 6 年邢台地震，1 9 7 0 年通海地震，1 9 7 5 年海城地震和1 9 7 6 年唐山地震等都给国家经济及 人民财产造成巨大损失。尤其是唐山大地震，震级近8 级，死亡2 4 万余人；2 0 0 8 年的 汶川大地震更是造成了不可估量的损失，强震区内几乎一片废墟，灾害之惨重令人触目 惊心。因此，加强地震灾害机理和抗灾措施的研究工作就显得尤其重要j 。 无论是土石坝等人工构筑物，还是天然构筑物，在受到地震外荷载作用下都会表现 出地基变形、裂缝、渗漏、沉陷、滑坡、溃决等多种震害形式【l 钏。在国外，美国的谢 菲尔德坝、柯尔曼坝和罗吉斯坝等在地震中均产生了严重的破坏【3 j 1 ；在国内，北京的密 云白河土坝、唐山陡河土坝、山东王屋、冶源、黄山土坝、辽宁的王家坎和三道岭土坝 等都因地震而发生上述形式破坏1 3 叫。 土石坝是最古老的坝型之一，在我国具有的悠久建造历史。到了现代，随着土力学 理论的发展及施工技术的进步，土石坝建设有了惊人的发展。据国际大坝委员会统计， 截止1 9 8 6 年底，全世界共建高度1 5 m 以上的大坝3 6 2 3 5 座，其中土石坝2 9 9 7 4 座，占 8 2 7 ，见图1 1 。而在土石坝中，中国有1 7 4 7 5 座，占半数以上，达5 8 3 ，见图1 2 。 此外，在2 5 0 m 以上的高坝中，土石坝5 座，占总数的5 5 6 ，其中前苏联建设的罗贡 高坝坝高3 3 5 m ，努列克坝高3 0 0 m ，居于世界首位1 7 j ；2 3 0 m 以上高坝1 5 座，其中土石 坝9 座，占总数的6 0 ；世界上库容最大的2 6 座大坝中( 库容大于2 5 4 亿r n 3 ) ，土石 坝与混凝土混合坝为1 8 座，占6 9 2 ；装机容量大于2 1 3 6 m w 的水电站2 5 座，其中 土石坝与混凝土混合坝为1 3 座，占总数的5 2 l g 】。 我国8 0 的水能资源分布在西部，随着经济建设的迅速发展和西部大开发战略的实 施，我国西部水利工程的建设得到了快速发展，高坝大库的建设也越来越多，在这些高 坝大库中，高土石坝占了相当比例。由于西部地区地质条件复杂，地震频繁、强度大， 且西部建设的这些高土石坝多位于强震区，这些高坝一旦遭受地震破坏，将会产生一系 列严重后果，如果因地震而溃决，将造成人民生命财产的重大损失。因此这些高坝大库 能否抗御强震袭击，它们在地震作用下的安全性如何及怎样进行抗震设计，就成了人们 十分关心的重大问题。因而，高土石坝抗震研究工作的迫切性和重要性越来越突出。 让垃振动台模型试验及相关问题研究 幽11世羿人坝按坝型分类构成情况 f i g 1 1d a r n i n t h e w o r l da c c o r d i n g t o t h ec o m p o s i t i o no f t h e d a m - c l a s s i f i c a i i o n 1 誓 3 一 。 ll 一 譬u 一 j 幽l2 世界十l i 坝按团家或地压分类构成情况 f i g l2e a r t hd a m i n t h e w o r l db vc o u n t r yo rr e g i o nc o n s t i m t e s as i t u a t i o n 大连理【 学硕+ 学位论文 幽】3 塔古克斯坦地震滑坡形成天然均! 体 f i g 13l a n d s l i d e d a mo f t a j i k i s l a t l 表11国内外地虎重人滑坡统计 t a b 】l a n d s l i d es t a l i n i c sa b o u te a r d n u a k e a th o m ea n da b r o a d 边坡振动台模型试验及相关问题研究 滑坡是土石坝破坏形式的主要类型之一，据不完全统计，国内外土石坝的失事，约 有l 4 是由滑坡引起的【9 d0 1 ，例如意大利以昂水库滑坡、二滩水库的金龙山滑坡和李家 峡的坝前滑坡等。图1 3 1 2 】为1 9 11 年发生在塔吉克斯坦境内的地震形成了一个库容1 1 亿m 3 的s a r e z 湖和由滑动体形成的天然大坝，滑坡体积2 2 亿m 3 ，天然坝长2 k m ，高 6 0 0 m ，假设该滑动体滑入库区或者接近居民区，破坏将无可估计。表1 1 t 9 j 为国内外由 地震诱发地震滑坡的不完全统计资料，从表中可以看出地震荷载下滑坡造成的危害是十 分巨大的，因此我们有必要对地震荷载作用下的边坡展开研究。 基于上述背景，在国家自然科学基金强震区高土石坝抗震措施研究资助下，通 过振动台模型试验，进行了加筋对坝坡抗震效果影响的研究。着重比较了放缓坝坡、加 入筋材等措施对最危险滑弧及坝坡抗震稳定性的影响。根据振动台模型试验结果，从破 坏性态和屈服加速度等方面分析了加筋对提高坝坡抗震稳定性的效果，得出一些有意义 的结论。 1 2 研究现状及发展趋势 1 2 1 动力分析方面 近几十年来，国内外对土石坝地震反应方面问题的研究都取得了较丰硕的成果，动 力稳定分析方法主要有：拟静力法、n e w m a r k 方法和动力有限元方法l l3 1 。拟静力法是 规范规定的常用的方法，它是将边坡受到的地震力用等价的常静力代替，常静力值等于 地震系数与土体重量之积，然后按照静力方法分析；n e w m r k 方法是通过假定滑移面并 确定其上的屈服加速度值，而后通过动力分析判定是否产生滑移，估计永久的滑动位移； 另外动力有限方法是目前工程中比较常用的分析方法，适用于介质条件和地形条件比较 复杂的情形。 在国外，对于土石坝的动力反应分析研究比较有代表性的学者有s e e d l l 4 】和 b u r e a u i ”】。s e e d 采用等效线性模式对土石坝进行了二维剖面动力计算，得到了坝体的地 震加速度反应，并运用n e w m a r k 滑块方法进行了下游坝坡残余变形的运算分析；b u r e a u 采用干燥的堆石料弹塑性摩尔库伦模型，进行了实际工程的二维计算i l6 1 。并取得了有 意义的成果。 6 0 年代中期，c l o u g h 把有限单元应用于土石坝的动力反应分析，假定土石坝材料 为均匀的线弹性材料，且运用振兴叠加方法进行了相关的运算。此外，i d r i s s j 、f i n n i i 驯 等人也在土石坝的动力分析计算方面做了大量的工作，得出很多有价值的结论。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 在国内，许多学者对此方面也做了大量的研究工作：例如中国水利水电科学研究院 汪文韶诸人利用f l u s h 程序对鲁布革心墙堆石坝进行了动力分析计算；河海大学顾淦 臣等从8 0 年代开始陆续研究出了二维、三维的地震动力反应分析程序【9 。2 州；大连理工 大学韩国城和孔宪京等人亦开发了土石坝三维计算程序【2 1 】；他们的工作对土石坝抗震性 能的研究均取得了一定的成就。 由于土石坝筑坝材料的强非线性及采用的本构模型缺少公认性，许多计算方法不能 很好的反应地震的动力反应的真实过程。此外，由于强震区实际震害资料和地震记录的 缺乏，许多计算方法和计算程序无法得到很好的验证。 1 2 2 模型试验方面 由于土工建筑物本身的复杂性及荷载的多变性，动力计算中对材料特性、计算模型 等方面尚待探求和完善。抗震模型试验是在一定的控制条件下为研究结构的性状和影响 因素而进行的试验，具有良好的可重复性、易于控制等优点，因此受到国内外学者的青 睐。 在国外，5 0 年代中期，c l o u g h 等利用冲击式振动台以含水砂土为材料进行了堆石 坝振动台模型试验，得出坝体加速度放大倍数随台面峰值加速度的增大而减d , t 2 2 1 。 6 0 年代，c l o u g h 和s e e d 利用振动冲击荷载模拟e ic e n t r o 地震波，坝壳采用原型 料，心墙采用高岭土加膨润土配成模拟料进行了模型试验，得出模型屈服加速度1 2 3 j 。 1 9 7 3 年久乐滕行等人进行了长1 2 m ，宽2 m ，地基深1 5 m ，其上筑成高为1 5 m ， 坡比1 ：1 5 的梯形断面的大型模型试验，该试验采用细砂为试验材料，以正弦波为激励 荷载，试验量测了模型的加速度、孔压、位移，并进行了模态测试1 2 4 | 。 日本京都大学丹羽义次石和森忠次石在土石料某些相似关系不成立的条件下，进行 了在不同强振情况下、蓄水、不蓄水条件下的振动台模型试验，记录了各测点的振动结 果，并对周期、振幅等试验结果进行了分析1 2 5 。 贺义明等以花岗岩碎石为原料填筑了坝高l m 的模型，台面输入激励为单向固定频 率并逐级增大的正弦波，主要研究了振动强度和库水等因素对模型坝加速度和坝体破坏 机理的影响规律1 2 6 。 7 0 年代日本学者堤一和渡边等用级配材料为筑坝材料的模型坝体，采用正弦波和三 种地震波进行了振动台模型试验，分析了其尺寸效应并试图作出与原型坝体相似的模型 尺寸来推断原型坝的地震响应，进一步探讨了不同的地震波激励和库水在满库、半库、 不蓄水情况下对加速度响应的影响以及坝体的动力放大系数等，较好的反应了地震波对 真实坝体的影响别。 边坡振动台模型试验及相关问题研究 在国内，许多专家学者也纷纷进行了振动台模型试验研究，现简单介绍如下： 王克成等曾进行了刚性地基上梯形断面上的中砂、粗砂、细砂振动台模型试验，着 重对模型的破坏形式和加速度反应进行研究1 2 引。 韩建强在液压式振动台上，参照小浪底土石坝设计断面设计了几种坝型，研究了地 基饱和与不饱和、空库与不蓄水等情况下的动力响应的破坏性状1 2 9 1 。 水利科学研究院刘小生等以黑泉水库面板坝为依托工程，进行了大型振动台模型试 验，试验着重考虑了几何比尺、峰值加速度大小、时间比尺、输入方向和多向输入等因 素变化对模型试验结果的影响，研究了模型坝的动力特性、加速度放大倍数分布及其变 化的规律1 16 i 。 沈风生等以砂料填筑了坝高l o o c m 的二维模型坝，姜朴等以粗砂为原料亦填筑了高 度l o o c m 的模型坝，激励为单向正弦波和实际地震波，研究了模型的自振频率、坝体加 速度反应、面板应力、动水压力和模型坝的破坏形式1 3 0 - 3 j 。 大连理工大学韩国城和孔宪京作了大山口土石坝三向散粒体整体物理模型试验，着 重研究了模型密度及含水量变化的影响，指出模型坝体初始滑动部位不随坝体密度含水 量及台面加速度的大小而改变，初始滑动所需的加速度大小与含水量有关p 2 1 。 西南交通大学徐光兴等设计并完成了尺寸为2 1 5 m x 3 5 m x l 5 m ，坡角为3 8 。的大型 边坡模型试验，通过输入不同类型、幅值、频率的地震波，探讨地震作用下模型边坡的 动力特性与动力响应规律，以及地震动参数对动力特性和动力响应的影响i 33 l 。 1 3 研究目标、内容和技术路线 本文在国家自然科学基金高土石坝抗震措施研究资助下，通过大型振动台模型 试验，研究了坝坡的动力特性、地震反应性状、边坡破坏机理以及放缓坝坡、加入适量 筋材等措施对试验结果的影响，进而总结出对实际工程有一定指导意义的规律。研究内 容和技术路线如下： ( 1 ) 在综合大量资料的基础上，介绍加筋土的强度理论，结合相关试验资料分析 了加筋土的基本机理及破坏模式，为试验过程中加筋工况的制定提供依据。 ( 2 ) 对模型土料低应力下的特性进行了试验研究，为以后的地震分析反应计算提 供参考数据，并利用常规的直剪仪进行了筋土之间接触面参数的测定，并分析了其影 响因素。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 根据振动台实际负荷及以往动力模型试验方法，精心设计了二维断面振动台 模型试验，详细分析了试验结果，并定性半定量的分析了模型的动力响应、破坏性态及 各种措施的减震效果。 边坡振动台模型试验及相关问题研究 2 大型振动台模型试验仪器简介 2 。1引言 振动台试验是在实验室模拟地震的重要手段，比较接近实际地震时地面的运动情况 以及地震对建筑结构的作用情况，是研究结构在地震作用下的破坏机理和破坏模式、评 价结构整体抗震能力的重要手段和方法，因而在地震工程的理论研究和工程实际得到广 泛的应用。近些年来，各科研院校和科研院所进行了许多振动台试验，涉及土木工程、 电气设备、机械设备、矿山建筑等多个领域，其中在土木工程领域内应用的最为广泛， 主要用在高层建筑、超高层建筑和高耸结构等结构的抗震分析方面，为建筑物的抗震设 计和结构控制设计提供重要依据。 对于土石坝等非弹性反应的结构，振动台模型试验主要是在一定的控制条件下研究 结构的物理性状和影响因素，通过试验可以达到以下目的j 。 ( 1 ) 了解各种模型的振动模态，发现其振动响应的基本现象和规律，分析其破坏 机理和抗震稳定性。 ( 2 ) 通过模型试验和理论分析相结合，相互检验，推进对土石坝等结构抗震分析 的全面认识。 目前采用振动台模型试验技术难点在于以下几个方面： ( 1 ) 重力失真问题：在结构振动台模型试验中，按照相似理论的要求，要严格满 足经典相似理论的全部条件，但是却很难实现，有时甚至连一些基本的相似关系也不能 完全满足，其中最主要的就是重力失真效应问题，原因是振动台承载能力的限制。 ( 2 ) 尺寸效应的问题：尺寸效应指的是随着构件尺寸的缩小，构件材料的力学性 能指标将有所提高的现象 3 5 - 3 7 j 。 ( 3 ) 加载速率的问题：在缩尺模型结构试验中，根据相似理论的要求，外荷载的 频率必须提高，这样试件中构件断面上的应变速率就会相应增加，从而引起材料强度增 加的现象l j 8 j 。 目前振动台试验主要目的还局限于了解结构的抗震性能、破坏机理、验证地震反应 的正确性等方面。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 实验仪器简介 2 2 1 振动台技术的发展历程 地震模拟振动台的发展始于6 0 年代中期，首先在多地震的美国和日本建造起来的。 据不完全资料统计，美国已建成五台，而日本建有近四十台，其中包括世界上最大的 1 5 m x 2 0 m 双向振动台和中型三向振动台。其他有地震的国家，如墨西哥、加拿大、法 国、伊朗、南斯拉夫、意大利、罗马尼亚等国也建成了不同规模的地震模拟振动台。在 国内，自唐山大地震后各单位也相继建造了一批地震模拟系统1 3 9 1 ，具体见表2 1 。现把 振动台发展性能指标总结如下： ( 1 ) 规模：目前随着要求提高，振动台的规模越来越大，甚至进行原型模型试验， 例如日本科学技术厅和国立防灾科学技术研究所始建于1 9 9 8 年的世界上最大的地震模 拟振动台，台面尺寸1 5 m x 2 0 m ，最大载荷1 2 0 0 t 。 ( 2 ) 激振方向：1 9 7 1 年前均为单向运动或二向转换运动，之后美国和日本最先建 成了双向振动台( 双水平向或垂直、水平双向) 。1 9 7 8 年以后开始研制三向六自由度振 动台，随着抗震工作研究的深入，地震模拟系统也越来越完善。 ( 3 ) 驱动方式：目前地震模拟系统的动力源多以电液伺服为主，大中型均采用此 种方式，小型设备采用电动驱动。 ( 4 ) 控制方式：开始阶段均为位移控制，之后逐渐采用加速度讯号直接控制，由 三参量输入和反馈组成控制系统，可直接使用强地震纪录，扩宽使用频带，使工作稳定。 2 2 2 地震模拟系统 本实验在大连理工大学抗震研究所的地震模拟振动台上进行，见图2 1 2 2 ，该系统 控制方式为电液伺服，可以模拟水平、竖向及摇摆振动，且可以做水下试验，具体指标 见表2 1 和2 2 。高边坡模型安置在4 r e x 0 8 m x l 5 m 的大型模型槽内，用4 8 个高强螺栓 将钢槽固定在振动台台面上。 表2 1 水下振动台主要技术参数 t a b 2 1t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h es h a k i n gt a b l e 一9 让坡振动台模型试验及相关问题研究 幽2 1 振动台 f i g2i t h es k e t c ho f s h a k i n gt a b l e 幽2 2 控制系统 f i g 2 2t h ec o n t r o l l i n gs y s t e r m 223 试验数据处理分析系统 试验数据采集分析有日本东京生产的a r 5 f 和a r l 0 h 两种加速度传感器( 见| 冬| 23 所示) 和北京南航授4 试技术有限公司生产的d s p s 数据处理分析系统完成( 见罔2 4 所示) ，该设备具有集成度高、低频响应好、使用方便、分析功能强大的特点。 此外，试验过程中采用s o n yh d r s r 7 e 数码摄像机进行模型正面和模型顶部全程 观测，其开始摄像时间和加速度传感嚣同时采集以辅助记录分析破坏时刻的加速度， 且模型破坏前后采用c a n o ne o s4 5 0 d + 1 0 - 2 2 m m 广角镜头高清数码相机进行拍照。 s o n y h d r - s r 7 e 数码摄像机：动奁有效像素2 2 8 万像素动志视频格式为m p g 2 ，最 大帧频为3 q 虚u 。c a n o ne o s4 5 0 d 高清数码相机：有效像素数1 2 2 0 万，壤高分辨牢 4 2 7 2 2 8 4 8 像素，连拍35 张，秒配备】0 - 2 2 m m 广角镜头。 皋? 吣 幽2 3 加速度传感器 f i g2 3 a c c e l e r a t i o ns e n s o t - s 创2 4d s p s 试验数据处理分析系统 f i g2 4 d s p s a n a l y s i ss y s t e mo f t e s td a t a 大连理工大学硕士学位论文 n 的 。 6 墨8 喜宾 t t _eh “ oo oo ni n - h- h ) 【 屋癸 n 冥) ( 蹙晕 鲻蠼霉 葵誓 鲻萤累 爱晕 鲻摧翊 饕誓 鲻蚕累 】( 蠡羽 般甘 苍晕 鲻幞舞 摸哥 鲻蚕累 娶尽 鲻噗舞 餐羽 鲻吾饔 oo一州 寸 o n ：1 【o o a n一) ( o ：o n书 n o o n - o _ n 寸 o h 千 n x n _ o n 。寻o 寸o n 一一 n i n 甚蝴舞 篮扑藻螺剖匦亡b 龌蝼 螺篮扑藻箍恻妪 艾n 篮状富貅枣佞证 。寸o o _ 州 n n 价_ _ o n _ ； n n ) ( 餐暴 鲻堪目 n n ， n z 千 口 足醛 净冥) ( 匿鼷 冥) ( 蹙早 餐粤 受辱 罄呼 爆樱翊鲻量累 蜉摧孽 爨量累 ) ( 冀器 爆裂h _ o n ：_ o 2 删碌謇 樱堰箍爿|i警毒 蕊樱辗 遴扑凄塔裂匠导 送状 厶。 i 崎“ 富扑茌螺铆jif臣 ； 萎| ， 貅k蟋匿蝣 o 崎 o 州 o ” o n h h o o n 呐n n n o 寸 。寸i o n o n n n n 一 n西_v龌状誊 貅藻熏长綮卸* 0 9 6 i ) 貅 r罂一幞璺搽哑 运仅蒋群 笛仅臀幂 龄鲻 荟g 弋 鹱湾黔爱羹鞭黜雒 牮斟 咖魁 母暑一二u口一。一og比=一】i爵ii叻-o皇o苗口葛一口dill nn_工 梏求牵辎樱霉匠廿nn群 。 边坡振动台模型试验及相关问题研究 2 3 ，j 、结 本章从振动台规模、激振方式、驱动方式及控制方式简单回顾了人工地震模拟系统 的发展历程，并阐述了振动台试验的不足之处。随着时代的发展、振动台设备的不断完 善和理论的日趋成熟，模型试验作为研究结构的抗震问题的主要手段会越来越受到学者 们及工程界的青睐，同时也越来越多的用于构筑物的动力特性、结构的地震反应及地震 破坏机理等方面的研究。 由于材料的本构模型和本构参数等许多问题仍然不能得到很好的解决，不同学者对 土工结构物地震荷载下破坏非线性分析得出的结果仍然千差万别。地震模拟振动台系统 具有可控制性强，便于操作及测试准确等优点，它可以准确的反映地震时地面的运动情 况，还可以在人为控制下进行有目的的人工波形振动，可以准确反映结构在动力荷载作 用下的响应情况。尽管目前试验在定量上的研究还不成熟，不能给出满意的定量结果， 然而振动台模型试验仍然是了解结构非线性动力响应与地震破坏性态的重要手段。 大连理工大学硕士学位论文 3 土坡加筋机理研究及填土特性参数的测定 3 1引言 土体具有一定的抗压强度和抗剪强度，但它们的拉伸强度却很低，所以在土体内加 入适当的加筋材料，可以不同程度的改善土体的强度和变形性能。加筋土源于新石器时 代的我国，但是真正将加筋技术升华为理论并作为近代建筑技术加以研究和推广应用则 是近几十年的事情。1 9 6 0 年，法国工程师h e n r i v i d a l 根据三轴试验结果提出了加筋土 的概念，并于三年后发表了加筋土的研究成果且提出了设计理论【钧1 。应用此理论于1 9 6 5 年在法国比利牛斯山的普拉聂尔斯建造了世界上第一座加筋土结构【4 1 】。至此，全球掀起 了加筋土研究的热潮。 由于研究者在试验模型中加入了筋材以观测加筋模型的抗震效果，因此对加筋土作 用机理作以介绍。 3 2 加筋土基本原理 在工程实践中，我们知道松散的砂土可堆成具有天然休止角的砂堆，粘性土体可开 挖出一定高度的垂直坡面。如果在砂土中分层埋设水平向的加筋材料，则这种由砂土和 加筋材料形成的筋土复合体就可保持一定的高度和直立状态而不塌成斜坡，它与粘性土 体相类似。这表明砂土加筋后所形成的复合体的力学性能和稳定性比未加筋前有所改善 和提高。 为了弄清砂土加筋后复合体强度和稳定性提高的原因，维达尔等人分别进行了三轴 试验和现场试验测试，提出了各种假说来解释和阐述筋土之间的相互作用机理。根据迄 今为止的研究结果，筋一土间相互作用的基本原理大致可归纳为两大类：一是摩擦加筋 原理，二是准粘聚力原理( 或粘聚力增量理论) 。 3 2 1摩擦加筋理论( 加筋土的复合材料强度理论) 摩擦加筋理论认为：在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力传递给拉筋， 存在着将拉筋从填土中拉出的可能，而拉筋又被填土压住，于是填土与拉筋之间的摩擦 力阻止拉筋被拉出。因此，只要拉筋材料有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则 加筋的土体可以保持稳定【4 2 川】。如图2 2 所示，一般来说，墙体在破坏时会产生主动区 边坡振动台模型试验及相关问题研究 o jjll 一，| 一j 卜j 卜j 一) 一j - ，| 一，| 一l 一) 刀一之坚兰坚圭坚一z刀一巴= = = = = = = = = = = = = = = = = ：刁一五 jijijl 一 ( i i jljjll1) 1 t 1 、 茏j 图2 1 摩擦加筋原理 f i g 2 1t h e o r yo f f r i c t i o nr e i n f o r c e m e n t a c b 图2 2 加筋土结构及受力分析 f i g 2 2 s t r e s s e ds t a t ea n a l y s i so fr sr e t a i n i n g w a l l 与被动区，破坏棱体a b c 的自重产生的水平推力通过与加筋的相互作用在加筋中形成 拉力，而破坏棱体后面的加筋又被稳定区的自重压住，也就是说稳定区的土与加筋之间 的摩擦力阻止加筋被拉出。如果主动区的水平推力被稳定区筋土之间的摩擦力所平衡， 则整个加筋土的内部稳定性就得到保证。 根据加筋土复合体中筋土之间的基本构造，我们在加筋体中取一微元段来分析。 如图2 1 所示，微元段为讲，拉筋左截面受力为五，右截面受力为瓦，作用在拉筋上的 法向应力为仃，略去筋带重量和微元土体重量。设拉筋与土体之间的摩擦系数为厂，b 为筋带宽度，则 土的水平推力在该微元段拉筋中所引起的拉力为 d t = 五一互( 3 1 ) 土粒与拉筋在该微段上产生的总摩擦力为 d f = 幻b d t( 3 2 ) 根据对该微元段的受力分析可知，假使 d t d f ( 3 3 ) 那么就认为该加筋土体筋一土之间不会发生相对的错动，即该微单元体可保持稳定状 态。 大连理工大学硕士学位论文 从上式中3 2 、3 3 中得出以下几点认知： ( 1 ) 筋材表面要粗糙，能使筋一土之间 产生足够的摩擦力；( 2 ) 要有足够的强度和弹性模量。两者其一保证在筋一土之间产 生错动前拉筋不被拉出，其一保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。 3 2 2 准粘聚力理论( 粘聚力增量理论) 准粘聚力理论认为：加筋土结构被认为是各向异性的复合材料，通常采用的筋带， 其弹性模量远大于填土。加筋土内部存在筋带与填土的共同作用，这些作用包括填土的 剪切力、填土与筋带的摩擦阻力及筋带的抗拉力，从而使加筋土的强度明显提高。这一 点在加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样的三轴对比试验中可得到验证f 4 2 1 ，见图3 3 。 如果未加砂在q 及皿作用下达到极限平衡，那么加筋砂在同样大小的吼及以作用下达 不到极限平衡，而是处于弹性平衡状态。这说明加筋砂土样的强度提高了。 j 1 1 i j r 逻 + h c o , 一吒) 2 厂一一一一一，、 慨一玛) i 广一一刀| 厂r 、珈筋土 g l0 应变 图3 3 加筋土与未加筋土应力应变关系曲线 f i g 3 3 s t r e s s - s t r a i nc u r v eo f r e i n f o r c e ds a m p l ea n du n r e i n f o r c e do n e 砂土试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在侧压力作用下发生侧向应变。如在土中布 置了拉筋，由于拉筋对土体的摩擦阻力，当土体受到垂直应力作用时，在拉筋中将产生 一个轴向力，起着限制土体侧向变形的作用，相当于在土中增加了一个侧压力的反力， 使土的强度提高了。最初法国学者h e n r i v i d a l 在砂性土及粘性土里面加入抗拉强度比较 高的纤维材料进行的三周压缩剪切试验，加筋土的强度与土的抗剪强度、土和拉筋间的 摩擦系数、拉筋的抗拉强度、拉筋数量等有关。加筋土在受力变形过程中可能出现拉筋 抗拉极限状态、拉筋与填土摩擦一粘着极限状态以及填土抗剪极限状态。 根据库仑理论，土的极限强度为 t f 2 0 t a nc p + c ( 3 4 ) 边坡振动台模型试验及相关问题研究 式中：f ，为土的极限抗剪强度 。为土体上受到的正应力 c 、9 为土的粘聚力和内摩擦角 设仉，为土样破坏时的最大主应力，吼为土样侧面的最小主应力。根据土样破坏时 土样的摩尔圆与土样的库仑强度相切的条件，可得 吼，_ = 乃t a n 2 ( 4 5 。+ 9 2 ) + 2 c t a n ( 4 5 。+ 驴2 )( 3 5 ) 在三轴对比试验中，如果未加筋砂土样在o i 、仉作用下达到极限平衡，见图3 4 中的摩尔圆( b ) ，保持吼不变，则加筋砂土在相同应力状态下未破坏，而是q 增至q ， 时才达到极限破坏状态，见图3 4 中的摩尔圆( c ) 。砂样在加筋前后的缈值不变，但加 筋后土的强度提高了，它应有一条新的强度包线来反映这些关系。 q 仃， i 竺 鸟r 。 图3 4 加筋砂土与未加筋土的应力圆分析 f i g 3 4 m o e rs t r e s s c u r v eo fr e i n f o r c e ds a n da n du n r e i n f o r e e do n e 比较未加筋砂和加筋砂试验的极限平衡条件，加筋砂多了c 7 一项引起的增加强度， 或者说承载力增加。从三轴对比试验结果来看( 见图3 4 ) ，加筋砂与未加筋砂的强度 包线几乎完全平行，说明加筋前后砂样的内摩擦角值基本不变，但加筋砂的强度曲线不 通过俨呵坐标原点，而与纵坐标_ r 相截，其截距c 7 相当于式3 4 中的c 。因此，n t l o n g 等人认为，加筋砂本身没有粘聚力，而加筋后产生的力学性能的改善是由于新的复合土 体具有某种粘聚力的缘故。在试验中对加筋砂样施加的侧向力为，而实际上砂样受到 大连理工大学硕十学位论文 的侧压力是吧+ 吒，a 0 - 3 正是由于砂与拉筋之间的摩阻而产生的，但在最后结果的 表述中却被“c ”所代替。事实上它不是粘聚力，而应是加筋土的强度增量。研究者通常 将这个“粘聚力”称为“准粘聚力”或“似粘聚力”，它恰能反映加筋土这个复合体本身的材 料特性。 把加筋砂的三轴试验当作无筋砂试验，相应的吧用吧+ a 0 - 3 代替，当其达到极限平 衡状态时，有 0 - l ，= ( 仃3 + 仃3 ) t a n ( 4 5 。+ c p 2 )( 3 6 ) 比较式( 3 5 ) 和( 3 6 ) ，我们可以得到 a o 3t a n 2 ( 4 5 0 + q ，2 ) = 2 c t a n ( 4 5 0 + 9 2 ) 进而解得 c ：竽t a n ( 4 5 。+ 9 2 ) t a n ( 4 5 ( 3 7 )c = o + 9( 3 7 ) 由此可见，从宏观上讲，准粘聚力是由于围压增量引起的，加筋的作用相当于增大 了围压o ，等效围压是加筋作用引起的，不可直接量取，有相关资料认为可用下式计算 a 0 - 3 0 - 3 = a 0 - i ，0 1 ( 3 8 ) 上式是建立在拉筋不出现断裂或滑动，同时也不考虑拉筋受力作用后产生拉伸变形 ；，o i f ，i ，tttt 二：f 一丁一百一 一 j 9 j ：。兰! ：竺翌 t a n 0 a 0 - 3 厂 图3 5 加筋土楔形体平衡图 f i g 3 5 s t r e s s e db a l a n c eo fr sd i s e n g a g e db o d y 边坡振动台模型试验及相关问题研究 的