（水工结构工程专业论文）边坡地震动力响应离心模型试验的有限元模拟.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 地震作用下边坡的稳定性是岩土工程中十分关心的问题之一。我国多山地、 多地震的地理、地质条件不可避免地带来了大量和地震作用有关的边坡问题。地 震引起的滑坡，不仅数量多，规模大，而且灾害特别严重，因此对边坡地震稳定 性的研究显得尤为重要。 研究边坡地震稳定性的手段主要有三种：实地观测( 震灾调查) 的方法、数 值计算的方法和物理模型试验的方法。在模型试验方法中，离心模型试验在边坡 动力稳定性的研究中有着越来越广泛的应用。离心试验可以利用离一t l , 机的高速旋 转，在模型上施加超过重力n 倍的离心惯性力，补偿模型因缩尺1 n 所造成的自 重应力的损失，达到与原型相同的应力水平，在原型应力状态下，直观地研究原 型的变形状况和破坏过程。 离心模型试验中模型参数的设置对于试验结果有着直接的影响。为了确定模 型几个重要参数的设置偏差对于试验结果的影响，利用a n s y s 有限元分析软件， 对有软弱结构面的岩质边坡的地震动力响应离心模型试验进行了模拟。研究了密 度、弹模、结构面抗剪强度、摩擦系数4 种参数的设置对于试验结果的影响。以 固定的幅度逐一改变这些参数，保持其他参数不变分别建立模型。将不同强度的 地震波分别依次加载到各模型上进行计算。以恰好使模型不至于失稳的临界地震 强度为判别依据，判断哪些参数的改变对实验结果的影响较大，哪些参数的改变 对结果影响较弱。 结果发现，弹模和滑动面摩擦系数对试验结果的影响较小，而密度和结构面 抗剪强度对仿真结果影响较大。离心模型试验设计时，应优先保证岩体模型材料 密度和结构面抗剪强度参数满足相似率要求。 关键词： 边坡稳定性；地震响应；离一t l , 模型试验；有限元仿真 山东人学硕士学位论文 a b s t r a c t s l o p es t a b i l i t yu n d e rt h ee a r t h q u a k ei sah o tt o p i ci n g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l a n d g e o g r a p h y c o n d i t i o n si nc h i n aa r ec o m p l e x ，f o rt h e r ea r em a n ym o u n t a i n s i no u rc o u n t r y ，a n de a r t h q u a k ec o n s t a n t l yt a k e sp l a c e t h el a n d s l i d e c a u s e db ye a r t h q u a k ei sl a r g ei nn u m b e ra n ds c a l e ，a n da l w a y s c a u s e ss e r i o u sd a m a g e s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oc a r r yo u t t h es t u d yo fs 1 0 p es t a b i l i t y t h e r ea r et h r e et y p e so fm e t h o d si ns e i s m i cs l o p es t a b i l i t y s t u d y t h e ya r ei ns i t uo b s e r v a t i o n ( e a r t h q u a k es u r v e y ) m e t h o d ， n u m e r i c a lm e t h o da n dp h y s i c a lm o d e lt e s tm e t h o d a so n eo f t h em o d e lt e s tm e t h o d ，t h ec e n t r i f u g em o d e lt e s th a sb e e nu s e d m o r ea n dm o r ew i d e l yi nt h es t u d yo fd y n a m i cs t a b i l i t yo ft h e s l o p e c e n t r i f u g et e s tc a nm a k eu s eo fh i g h s p e e dc e n t r i f u g e s p i n ，t h em o d e li m p o s e db ym o r et h a nnt i m e st h eg r a v i t yo f t h ec e n t r i f u g a li n e r t i a lf o r c e ，t oc o m p e n s a t et h e1n r e d u c e ds c a l eo ft h es e l f - s t r e s so ft h em o d e lc a u s e db yt h e l o s so ft h ep r o t o t y p e ，s oa st oa c h i e v et h es a m es t r e s sl e v e l s ow ec a ns t u d yt h es i t u a t i o no fu n d e r m i n ea n d t h ep r o c e s s o fd e f o r m a t i o nv i s u a l l y c e n t r if u g a lm o d e lt e s th a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ei n d y n a m i cs t a b i l i t yo ft h es l o p e t h es e to ft h em o d e lm a t e r i a l p a r a m e t e r s h a sad i r e c t i m p a c t o nt h et e s tr e s u l t s f o r s t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo fd e v i a t i o ni nt h e s em o d e lm a t e r i a l p a r a m e t e r s ，b yu s i n gt h ef e ms o f t w a r ea n s y s ，t h es i m u l a t i o n o fs e i s m i cr e s p o n s ec e n t r i f u g a lm o d e lt e s to fr o c ks l o p ew i t h w e a ks t r u c t u r a lp l a n e si sd o n e t h ei n f l u e n c eo f4p a r a m e t e r s ： d e n s i t yt e l a s t i cm o d u l u s ts h e a rs t r e n g t hi ns t r u c t u r a lp l a n e s a n df r i c t i o nc o e f f i c i e n ti ss t u d i e d e v e r yt i m eo n eo ft h e s e p a r a m e t e r sc h a n g e s ， ac o r r e s p o n d i n gm o d e li sb u i l t t h e na l l t h em o d e l s s e i s m i cr e s p o n s earet e s t e d ，t os t u d yw h i c ho f t h ep a r a m e t e r sh a s t h eg r e a t e ri m p a c to nt h et e s tr e s u l t s ， a n dw h i c ho ft h ep a r a m e t e r sh a st h es m a l l e r 山东大学硕士学位论文 t h ec o n c l u s i o ni s ：e 1 a s t i cm o d u l u sa n df r i c t i o n c o e f f i c i e n th a v es m a l l e ri m p a c to nt h et e s tr e s u l t s d e n s i t y a n ds h e a rs t r e n g t hi ns t r u c t u r a lp l a n e sh a v eg r e a t e ri m p a c t o nt h et e s t r e s u l t s ，a n dt h e i rs i m i l a r i t yr a t i os h o u l db e s a t i s f i e df i r s t l yw h e nam o d e lt e s ti sd e s i g n e d s t a b i l i t yo ft h es l o p e ； s e i s m i cr e s p o n s e ；c e n t r i f u g a l m o d e lt e s t ：f e ms i m u l a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：童! l 宕垫日期：型! ! ：三z 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：童2 塑蕉 导师签名： 粤毕 日期：三竺2 ：墨三z 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 中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，地震断裂 带十分发育，是一个地震灾害严重的国家。同时，我国地形地貌复杂的地区，面 积大，分布广，高山河谷数量众多，山地面积占国土面积1 4 ，也是滑坡灾害频 发的国家。研究表明，全球地震带的分布和滑坡带的分布具有惊人的一致性，这 一现象充分反映了地震对边坡失稳的触发作用。 边坡的部分岩土体沿某一明显接口发生剪切破坏并向坡下运动的现象称为 滑坡。它是岩土体变形中规模大、数量多、性质复杂、危害严重的一种不良地质 现象，同崩塌、泥石流一样是山区的一种常见自然灾害。 地震诱发滑坡在我国分布非常普遍，尤其是发生地震较多的地区，地震诱发 的崩塌滑坡十分多见，并且灾害严重。根据对1 9 4 9 年至2 0 0 5 年近6 0 年以来 m s 5 0 级的3 0 0 多个地震震例的研究结果i lj 表明，全国2 0 多个省区都有地震诱 发崩塌滑坡灾害发生，特别是地震较多的西部地区，地震诱发的滑坡灾害尤其严 重。 地震诱发滑坡灾害不仅可以造成生命、财产损失，其造成的堰塞湖等次生灾 害危害程度有时甚至超过地震本身。另外地震诱发崩塌滑坡灾害是震后应急中， 制定救援决策、选择救援路线的重要影响因素。所以对地震诱发滑坡灾害进行系 统研究，是今后地震灾害研究中应该重点关注的一个方面。 2 0 0 8 年5 月1 2 日，我国四川省汶川县发生了m s8 0 的强震。这次强震诱 发了大量的崩塌滑坡，据国土资源部门对有人居住区和公路沿线初步统计就达 2 3 万个，影响面积超过1 0 万平方公里。震区的滑坡、崩塌延绵成片，尤其是公 路两侧，由于山坡较陡，滑坡、崩塌特别密集，甚至连续成片，滑坡堆积物覆盖 数公里甚至数十公里，使得后续的应急救援工作受到极大影响。据统计，本次地 震诱发崩塌、滑坡所导致的次生地质灾害造成的损失，已经超过地震总损失的 1 3 。 地震滑坡灾害还具有延续时间长，反复性大的特点。地震力的作用，使斜坡 体承受的惯性力发生改变，触发了滑动和流动，这是地震同发型滑坡。同时，地 震力的作用，造成地表变形和裂缝的增加，减低了土石的力学强度指标，引起了 地下水位的提升和径流条件的改变，又进一步创造了滑坡的形成条件，导致地震 后发型滑坡。某些后发型滑坡灾害的延续时间，能够从地震开始延续长达数年之 久。 山东大学硕士学位论文 近年来我国的水利资源开发主要集中在西南部地区，正是我国地质灾害多发 的地区。例如三峡库区，大坝蓄水后，可能触发1 0 0 0 多个库岸滑坡，单个滑坡 体积可达几亿立方米，严重威胁移民新区的生命财产安全、航运的畅通和三峡水 利枢纽的安全运营，2 0 0 3 年前国家投资了4 0 亿进行治理。西部地区自然环境十 分脆弱，如果人类工程作用处置不当，将进一步恶化环境；反之，环境恶化的产 物，地质灾害又严重威胁着工程的安全。大量的工程活动将会降低已有自然边坡 的稳定状态，同时会增加大量新的人工边坡。这些边坡的稳定与否，直接关系到 工程本身的安全。汶川i 地震的损失，使得突发性地质灾害对人民生命财产安全和 重大工程安全所构成的威胁越来越受到关注和重视。因此对边坡地震稳定性的研 究显得尤为重要。 1 2 岩土边坡地震稳定性的研究现状 1 2 1 边坡动力失稳机制 边坡稳定性问题是一个非常复杂的问题。边坡在多因素耦合作用下，岩土体 内部的应力状态被迫改变，最终使某几个面上的剪应力达到岩土体的抗剪强度， 坡体的稳定平衡状态遭到破坏而发生滑坡。 地震对边坡稳定性的影响表现为累积效应和触发效应2 个方面【l5 1 。前者主 要表现为地震作用引起边坡岩体结构松动，破裂面、弱面错位和孔隙水压力累积 上升等：后者则主要表现为地震的作用造成边坡中软弱层的触变液化以及使处于 临界状态的边坡瞬间失稳。 在强烈的地震作用下边坡会产生两种作用，一种是地震惯性力的作用，另一 种是地震产生的超静孔隙水压力迅速增大和累积作用。这两种作用使得边坡沿着 某一滑动面的下滑力增大，抗滑力减小，导致边坡失稳。不同的边坡破坏类型， 导致边坡动力失稳的主导因素也不同。一股来讲，塑性流动失稳破坏是孔隙水压 力的累积作用起主导作用；崩塌型、层体弯折型则是地震惯性力起决定作用；而 对于滑动型破坏则视具体条件而定：对于后发型边坡失稳，则是由于地震的累积 效应导致边坡岩体力学参数的降低，为后来的外部作用创造了条件，最终导致了 边坡的失稳破坏。 雨季或融雪时发生的地震，由于斜坡土体饱水，地下水位较高，裂隙也可能 被水充满，地震时在惯性力的作用下，孔隙水压力将会增大和累积，导致边坡稳 定性大幅度降低。而当地震在旱季或在雨季刚开始时发生，边坡因地下水位较低， 坡体比较干燥，发生地震时受地下水的影响较小，滑坡产生的机制主要是地震惯 性力的作用。 2 山东大学硕士学位论文 很多时候，边坡在地震期间并不发生失稳，而是在震后很长一段时间才发生 边坡失稳，即后发型滑坡。后发型滑坡破坏的根本原因在于强震过程中，由于边 坡坡肩的端部效应，使得地震加速度在坡肩部位急剧放大，造成瞬时拉应力，使 得边坡的坡肩一定范围内产生弧形裂缝，这种裂缝虽然没有导致边坡的失稳破 坏，但它导致了边坡稳定性降低( 地震的累积效应) 。由于边坡土石松动开裂，为 震后雨水的入渗创造了条件，从而可能导致边坡地下水径流发生变化，边坡岩体 力学参数降低，斜坡开始滑动。这种后发型边坡失稳的机制可以认为是边坡岩体 力学参数的降低、地震后水的软化作用以及孔隙水压力共同作用的结果。 1 2 2 边坡地震稳定性的研究方法 研究边坡地震稳定性的手段主要有三种：实地观测( 震灾调查) 的方法、数 值计算的方法和物理模型试验的方法。 震灾调查的方法，通过对地震破坏现象的调查，研究分析地震的破坏机制及 防( 抗) 震措施。这种方法的优势是，通过实地观测可以得到第一手的准确资料。 但由于地震无法预测，更无法控制，这类研究比较表观，而且不能重复，普遍性 差。 目前，边坡稳定性研究所采用的数值计算方法主要有有限元法、离散元法和 快速拉格朗日元法等。有限元法和快速拉格朗日元法主要适用于看作连续介质及 含少量不连续界面的边坡，而离散元法主要适用于看作不连续介质的边坡。随着 计算技术的不断发展，采用数值计算理论分析大型复杂的岩土问题已成为可能。 各种数值计算方法在边坡坡工程中得到了广泛应用，数值分析方法己成为目前岩 土力学计算中使用最普遍的分析方法。各种计算机分析软件也被开发出来并得到 广泛应用，例如专门用于求解岩土力学问题的拉格朗日元法程序f l a c 3 d ，大型 有限元分析软件a n s y s 等。 在岩土力学和岩土工程中，人们常把研究对象概化成能反映实际工程状况的 数学模型。而数学模型的可靠与否，及其能否与实际工程相符，往往是研究成败 的关键。一个重要的途径就是采用物理模型对其进行检验。为此，模型试验技术 应运而生。物理模型试验方法是一种形象直观的边坡稳定性分析方法。它主要根 据边坡的实际情况( 包括地质材料、构造、地应力和边界情况) ，采用相似比理论， 按照一定的比例在实验室条件下重现边坡，然后在实验室条件下通过加载，测试 相关参数( 主要是变形和位移) 来判断边坡的稳定性。 目前常用的模型试验方法，有常规重力振动台试验方法，和动力离心模型试 验方法。两者都是由振动台提供动力荷载，不同之处在于离心试验可以利用离心 机的高速旋转，在模型上施加超过重力n 倍的离心惯性力，补偿模型因缩尺1 n 山东大学硕士学位论文 所造成的自重应力的损失，达到与原型相同的应力水平，在原型应力状态下，直 观地研究原型的变形状况和破坏过程。 土工离心模型试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于 重力加速度的离心加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自重的损 失，从而保持模型的应力状态与原型相同或近似。它比通常在静力( 重力加速度) 条件下的物理模拟更接近于实际。一些发达国家的研究经验表明，土工离心机振 动台是研究岩土抗震或振动问题的最先进有效的技术手段，因此近2 0 年来在这 一领域的研究十分活跃。 近年来，由于地震灾害的频繁发生，对边坡动力稳定性问题的研究已愈来愈 受到重视。另一方面，由于地震发生的随机性和难以预测性，获取有较高研究价 值的现场资料变得十分困难，所以动力离心模型试验得到迅速发展。动力离心模 型试验在再现地震响应、观测边坡的动力特性及评价地震液化等方面具有较大的 优越性。为此欧美、日本等发达国家己发展了多台动力离心模型试验机并进行了 多项试验研究，并取得了不少有价值的成果。 1 3 边坡地震动力离心模型试验的研究现状 1 3 1 离心试验在国外的发展与应用 离心模拟技术的发展最早可以追溯到1 8 6 9 年一j 。法国人e d o u a r dp h i l l i p s 根 据弹性体的平衡微分方程，推导了满足原型和模型之间相同性状的相似关系，并 认为当重力是主要因素时，可以用离心机中的重力场来模拟原型性状。他提出用 离心试验来研究横跨英吉利海峡的金属桥。由于当时条件所限，此思想提出了 6 0 年，却一直没有人将之应用于实际当中。直到2 0 世纪3 0 年代，离心模型试 验的概念在美国和前苏联又重新提出并开展了试验工作，用离心机对采矿工程和 土坡稳定的一系列问题进行了研究。美国哥伦比亚大学的p h i i pb u c k y 在他的一 篇论文中详细研究了在不断增加的离心力作用下岩石结构的破坏情况。而苏联是 当时应用离心模型试验技术最多的国家，只是由于军事目的而未能公布于众。 随着计算机的出现，使人们的兴趣转向了数值模拟研究上，但是由于数值方 法的一些内在缺陷，例如参数选用的不确定性、模型选取的随意性等，而使人们 又逐渐认识到模型试验具有其它一些方法所不可比拟的优点。于是人们又着重于 研究离心模型试验，开始着手研制更大型的离心试验机，并将之应用于一些实际 工程中。 在早期的离心模型试验中，边坡稳定性的研究占有明显的优势，如在2 0 世 纪3 0 年代，离心模型这一概念在前苏联和美国被提出的时候，首先考虑将它应 4 山东大学硕上学位论文 用到当时的主要工程- 矿山和边坡工程当中。1 9 6 9 年，离心模型设想提出百 年之际，举行的第一届国际岩土力学和基础工程会议上出现了大量关于边坡稳定 性的离心模型试验方面的文章。在1 9 7 3 年举行的第二届国际会议上，苏联专家 占据了主要地位，p r o k r o v s k i i 教授提交了两篇专题论文，主要涉及到苏联自19 3 0 年以来，在离心试验技术面的研究进展状况以及苏联建立的一套完整的研究体 系。 在第二届国际岩土力学和基础工程会议之后，离心模型模拟技术和与之相关 的模拟设备的研制得到了迅速的发展。又由于当时计算技术的提高，而使离心模 型试验的研究达到了一个新的高潮。在1 9 8 5 年以后，各国都普遍认识到了离心 模型试验的重要性。于是试验机的尺寸和数量以及应用领域都得到了不断的增 加。在英国，离心试验机主要用于大学内部，而在法国和新西兰则出现了一些非 学校性的实验室和国家实验机构。在美国，大学里则拥有各种类型的离心机，其 中一些用于国家重点项目，而其它的则用于军事目的。而日本则是世界上离心机 应用领域最广的国家，其离心机的种类和数量也最多。在这期间，离心模型技术 协会又组织召开了三次专门大会，大大推动了离心模型实验技术在各个领域中的 应用。 早期的边坡模型实验主要是研究边坡工程在实际条件下的稳定性，为工程的 设计与施工提供可靠的依据。而后来的模型实验则主要研究边坡的形状、材料的 初始性质、加载方式等因素对边坡稳定性的影响以及滑坡发生的机理，并与当时 的其它分析方法做了比较，以便互相验证，并对离心模型试验的准确性进行检验， 同时大大推动了离心模型试验技术的发展。 在1 9 7 1 年，英国伦敦帝国学院的j a s h b y 最早把倾斜台面模型技术用于研 究边坡倾倒破坏机理及过程。随后，帝国学院又试制成了基底摩擦试验模型，它 广泛应用于边坡块状倾倒及弯折倾倒； s t i m p s o n ，p i l c h a r d 等也都进行过类似试 验，并与数值模拟进行了对比，对在可控制条件下简单的弯折倾倒现象，此模型能 很好地显示边坡破坏的发展过程； b r a y 和g o o d m a n 建立了基底摩擦试验理论， 阐述了极限平衡方程【4 1 1 。然而，由于受模型尺寸的限制，这些模型技术不能模拟大 型复杂的工程及二维、三维的模型。针对这种工程要求，离心模型试验技术快速 地发展起来。 1 9 8 1 年，r v w h i t m a n 等使用叠环式模型箱，进行了水平砂土地基动力响应 的离心模型试验。b h u s h m a n d 等于1 9 8 8 年进一步研究了一维土层的动力响应问 题，使用的是叠片式模型箱。e h l e e 和a n s c h o f i e l d 于1 9 8 8 年进行了砂坝和 人工砂岛的动力离心模型试验，使用的是固壁式模型箱。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着世界各国离心机的大量建成和国际环境的和平化 山东大学硕士学位论文 倾向，土工离心模型试验在岩土工程领域的应用日趋广泛，内容涉及土石坝、地 下支挡结构、软土地基、土工合成材料加筋挡墙、岩石边坡稳定、海洋石油平台、 隧洞开挖、冻土工程、环境土力学、爆炸模拟、液化模拟等诸多方面。近年来， 离心模型试验除在传统工程领域如大坝、边坡及挡土墙、地基基础和隧洞、地基 处理等方面的研究继续深入外，得益于量测仪器的发展和模型制备技术的提高， 在环境岩土工程、地震工程等新的研究领域也取得了很大进展。 边坡地震响应的离心试验方面，最早开展边坡动力离心模型试验工作的是英 国的k u t t e r 。他在1 9 8 3 年以前做过一系列边坡和土石坝的振动试验，在剑桥大 学进行了5 个粘土堤模型受2 3 个地震激励的试验研究成果，观测了地震强度对动 力放大系数、屈服加速度和延迟破坏的影响，讨论了粘土堤的变形破坏机理。 m a d a b h u s h i 等人研究了陡坡的抗震稳定性，模型材料为碎砾石，坡角4 5 。，原 型坡高8 4 m 。试验观测到边坡相对于基岩的加速度放大，加速度时程分析显示， 不同地震波频率成分的放大系数各不相同，而与边坡的自振频率有关。日本学者 在边坡地震响应的离心模拟方面也做了许多工作，特别是1 9 9 5 年日本阪神大地 震之后，纷纷加强了振动试验设备的研制开发及模型试验。 1 3 2 离心试验在我国的发展与应用 在我国，离心试验技术在边坡等岩土工程中也得到了广泛应用。我国自8 0 年代以来，许多学者致力于该技术的研究及对离心机的研制，从开始的小型离心 机试验逐渐发展到大型的离心机试验。1 9 8 3 年以来，南京水利科学研究院和河 海大学的小型离心机，及长江科学院的3 0 0 9 t 岩土和结构两用大型离心机最早投 入使用，并进行工程模拟试验。当时的研究领域仅限于比较简单的堤基和码头的 小型试验，且量测设备比较简单，许多专门技术尚未解决。而目前，随着我国第 三代离心机的研制与建成，离心模型试验技术己取得了长足发展。 长江科学院曾用离心模型试验对三峡库区大型滑坡黄腊石滑坡和链子 崖滑坡的稳定性进行过研究【5 】，直观地对水的影响作了评价，对滑坡的成因分析 和治理方案的选择具有很好的参考价值。 水利水电科学研究院对龙滩水电站左岸边坡的稳定性、倾倒破坏机理进行了 研究。龙滩水电站左岸为长1 8 0m 、高3 0 0m 的反倾向高陡边坡，为研究其倾倒 破坏全过程，专门进行了离心试验。试验分3 阶段进行：第l 阶段采用石膏模型， 进行了加锚和不加锚两组试验，主要验证极限平衡分析方法；第2 阶段采用人工 石的二维模型试验，既对数学模型给予验证，又对龙滩左岸边坡的稳定性作了评 价；第3 阶段采用人工石的三维模型，评价边坡的整体稳定性。 在试验过程中，解决了一些离心试验的难题。例如，采用了用刮板机制成的 6 山东大学硕卜学位论文 异形条块，用人工锯缝实现岩体的连通率，使模型的均匀性、整体性得到保证。 成果说明：模型在1 3 0g 的离心加速度下发生整体破坏，裂隙与节理相互组成一 个贯穿的破坏面，此面沿层面方向发展较深；使用改进的g o o d m a n b r a y 分析方 法，也证明当离心加速度为1 3 0g 时，安全系数为0 9 5 3 ，与试验结果基本吻合； 龙滩原直立边坡安全系数偏小，减少了直立坡高度后，边坡安全性增大；边坡倾 倒的破坏面在坡趾较深处，呈双折线型，稳定计算时应考虑坡内节理的断裂效应。 另外，长江科学院曾对三峡船闸岩石边坡的稳定性进行了离心模型试验。他 们选用模拟等效材料对岩石边坡的稳定性作了动态模拟，以研究开挖前后的压力 和位移变化规律，结果与数值模拟进行了对比，二者比较吻合，所得的边坡破坏 形态也较合理，为船闸高边坡评价和设计提供了参考。 动力离心模型试验的优越性使得离心机振动台在岩土工程界得到广泛应用， 已经成为研究岩土边坡地震动力问题最为先进的试验技术和研究方法。但边坡动 力离心试验的发展，包括离心机振动台系统的发展、振动台模型箱的发展和土工 动力离一t l , 模型材料的研究都主要集中在欧美、日本等一些发达国家。尽管香港科 技大学、南京水利科学研究院和清华大学也相继发展了离心机振动台系统，取得 了一些研究成果，但动力离心模型试验技术在中国的发展还处于起步阶段，研究 方法和研究内容还需要不断探索。 1 3 3 离心试验模型箱的发展 静力离心模型试验中常用固壁式模型箱。如果在动力离心模型试验中也采用 固壁式模型箱，在地震动的作用下，就会产生假性反射波，反射波在前、后两个 固定边壁之间的往返传播会严重干扰真实地震波在土样中的传播。因此，特种模 型箱的研究相应地得到了发展。 2 0 世纪8 0 年代初期，许多动力离心模型试验已开始使用叠环式模型箱。叠 环式模型箱是由实心铝环叠放在一起，每个铝环的外面涂上聚四氟乙烯，以减少 环与环之间的摩擦力，因此可以模拟柔性边界条件。 叠环式模型箱在用于动力离心模型试验时仍存在一些缺点。首先，摩擦力仍 然存在，这势必在某种程度上扭曲试验结果；其次，圆柱型模型箱有一个光滑的 表面，不能维持由于地震动产生的补偿剪应力，因而不能反应真实的应力场情况； 第三，这种模型箱的圆柱形状和相对大的高宽t l ( 3 0 0m i l l ：3 0 0m m ) 会出现难以 分析的三维问题。 为了克服入射波在固定边壁间的反射，c j c o e 等在1 9 8 5 年引入了“吸收边 界”的概念，提出了在模型箱端部使用一种称作d u x s e a l 的工业填料来吸收由于 模型箱端部产生的反射能。 7 山东大学硕士学位论文 然而，k l f i s h m a n 等研究发现，d u x s e a l 边界仍然存在一些缺点。首先，该 材质的物理特性难以标定，尤其是在高应力的离心模型试验中，其强度和模量很 难测定，因此，很难得到土样和d u x s e a l 之间剪切应力的增长情况。其次，很难 找到与这种材料边界一致的数学模型，因而很难对模型试验进行反分析。另外， 由于该材料相对较软，在离心机运行过程中产生的侧向土压力会导致材料产生侧 向变形，不能很好地满足零水平应变的条件。 为了在离心机上测得砂土的液化现象，b h u s h m a n d 等于1 9 8 8 年精心设计了 一个更为复杂的叠片式模型箱。1 9 9 5 年e a v a nl a a k 等进一步发展了这种叠片 式模型箱。该叠片式模型箱由矩形框架堆叠而成，每层矩形框架之间使用轴承相 连接，目的是为了减小框架之间的摩擦力，以达到和液化砂层的低强度相接近的 目的。另外，两层框架之间允许的大位移滑动与饱和砂土的液化发展相适应。从 使用这种模型箱所获得的离心模型试验数据来看，这种柔性边界能够很好地满足 要求，同时，也和砂土的液化特性相吻合。 1 9 9 6 年，x z e n g 和a n s c h o f i e l d 为了研究饱和土层在遭遇小地震时不完全 液化的问题，研制出等效剪切梁模型箱。该模型箱是由铝合金框架和乳胶层交替 叠加而成，乳胶层的厚度和强度根据试验所用土样的强度来设计，以确保模型箱 的强度和土样的动强度接近。 为了维持由于基础振动在每个端壁所引起的补偿剪应力，模型箱端壁内侧附 有弹性的、不可伸展的铝片，铝片内侧面粘以砂粒使其具有摩擦性能。然而，由 于地震过程中模型箱端壁的强度固定，而土的强度随土的孔隙率、有效应力和剪 切应变而变化，很难使模型箱端壁的强度和土的强度一致。因此，这种等效剪切 梁模型箱只能适用于土的强度在特定范围内变化的情况。 1 4 论文研究内容与方法 实践证明，复杂的岩土问题的解决首先依赖于实验方法。土工离心模型试验 具有模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同等优点，在国内外都 获得广泛应用和迅速发展。本文选择的研究对象边坡为具有控制性结构面的岩质 边坡，对该边坡的地震动力离心模型试验进行了有限元模拟。 研究主要集中于模型材料参数方面。离心模型是一种缩尺模型，模型材料各 参数对模型相似率的符合情况，对试验结果的可靠性有着直接影响。在对离心试 验进行设计时，或选择、制作模型相似材料时，很多材料的属性参数无法同时满 足。 因为相似率的作用，材料的各参数比尺之间并不是孤立存在的，而是有着固 8 山东大学硕士学位论文 定的相互关系。在设计模型各参数的比尺时，这些参数之间互相影响相互制约， 改变其中一个，会使与其相联系的其他参数也相应改变。大多时候无法做到使所 有参数都同时精确地满足相似率，只能做到尽量保证对试验结果影响较大的主要 参数的相似。同时，由于实验设备条件的限制，或出于节约试验成本、缩减试验 时间等方面的考虑，有时也要有选择地人为改变甚至忽略某些参数。 为研究不同参数对离心试验结果的影响大小，本文采用有限元软件 a n s y s l s d y n a 对边坡的地震动力响应离心模型试验进行了模拟。利用有限 元软件对离心试验进行计算机仿真，一方面无需考虑时间资金成本，进行多次试 验；另一方面可以自由设置各项参数，不存在试验设备等硬件条件的限制。本文 使用a n s y s l s d y n a 有限元分析软件，对离心试验模型进行模拟，对边坡在 地震作用下破坏的试验过程进行了仿真计算。通过对调整参数后的不同模型计算 结果的对比分析，对各参数之于离心试验结果的影响进行了研究，对离心试验模 型材料的选择及其参数的设计，提供了有益的参考。 9 山东大学硕士学位论文 第二章离心模型试验 2 1 离心模型试验的基本原理 在岩土工程中，研究边坡在动力作用下的特性，最佳方法就是通过观测实际 岩土边坡在动荷载作用下的性能。然而这一方法成本高，耗时长，且不具备可重 复性。因而产生了模型试验技术，用以取代对实际边坡的观测。 由于岩土体的变形模量、强度等与其应力水平密切相关，且呈非线性关系， 要想通过模型试验来真实反映原型，就必须实现模型的应力水平与原型保持一 致。所以对原型进行物理模拟时，首要条件是保证模型的应力水平与原型相同。 然而常规小比尺模型自重产生的应力远低于原型，因而无法再现原型的特性。解 决这一问题的途径就是提高模型的自重，使之与原型等效。在正常重力下做小比 例尺的模型试验，用离心加速是最有效的方法。 根据近代相对论关于重力和惯性力绝对等效的原则，若使1 n 缩尺的土工模 型在离心加速度场中运行并保证模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机 理相同，能再现原型的受力变形性状，那么其离心加速度a 应该满足搠g ，即n 倍的重力加速度。 2 2 离心模型试验的发展概况与应用现状 1 8 6 9 年法国人e p h i l l i p s 首次提出了用离心机作模型试验的设想。由于当 时条件所限，这一设想未能实现。1 9 3 2 年前苏联的包克罗夫斯基，在莫斯科水 力设计院土力学试验室内首次用离心机研究土工建筑物的稳定，并发展了土工离 心机模型试验。从6 0 年代开始，土工离心模拟技术进入了一个新的发展时代。 日本和英国首先开展了这方面的工作，用土工离心机对许多土工课题和土工工程 问题进行了广泛的试验研究。8 0 年代以后，土工离心模型试验又有进一步发展。 法国、荷兰、德国等国家相继建立了土工离心模拟试验室，发展大型离心机，提 高离心机的容量，研究范围也日益扩大，并取得了许多有益的成果。离心模型试 验无论是在设备的数量、容量还是在技术和应用领域都有了长足的发展，成为岩 土工程学科的研究前沿和焦点。经过二十多年的发展，土工动力离心模型试验技 术已日趋成熟，并逐渐成为边坡抗震反应分析、地震大变形机理探究和土与结构 物相互作用研究的有力工具。 8 0 年代以来，我国也开始对离心模型试验给予重视。不少单位相继建立了土 1 0 山东大学硕士学位论文 工离心模拟试验室，开展试验研究工作，并已取得了不少试验研究成果。 现今，许多大中型离心机已投入工程应用。水利水电科学研究院、南京水利 科学研究院、长江科学院、核工业部九院四所、河海大学、上海铁道大学、成都 科技大学和清华大学等单位相继建成了不同容量的大中型离心试验机，并对岩土 力学与岩土工程中的许多方面进行了比较广泛深入的研究。离心试验技术被广泛 地应用于高土石坝、地下结构、挡土墙、堤基、软基和边坡工程中，取得了大批 极有价值的科研成果，我国的离心机设备及研究水平已跻身于国际先进行列。在 设备方面，国内现有的已被广泛应用的离心机主要有1 5 j ： ( 1 ) 水利水电科学研究院研制的l x j 4 4 5 0 9 t 土工离心机，其最大加速度为 3 0 0g ，有效负荷为1 5t ，最大有效荷载容量为4 5 0 9 t ，最大转动半径为5 0 3r n ， 有效转动半径为4 0m ，吊蓝尺寸为1 5m 1 0 m 1 5m ，达到额定加速度的时 间为1 5 2 0m i n ，试验持续运行时间为2 4h ，采用9 通道数据采集系统，可模拟 1 5 0 2 0 01 1 1 的建筑物，是国内主要的大型离心机。中国水利水电科学研究院目前 正在筹建该离，t 3 机上使用的大型水平垂直双向振动台。经大量论证，其设计技 术指标达世界领先水平，该离心机振动台的建设已引起国内外同行的关注，并将 在岩土工程动力模型试验研究领域发挥重要作用。 ( 2 ) 清华大学的离心机，拥有2 0 9 振动台。吊篮尺寸为0 7 5m 1 3m x 0 6 m 。最大离心加速度2 5 0 9 ，l o o g 离, t i , 力l l 速度下允许最大载重3 0 0 k g 。转臂半径 2 5 m 。 ( 3 ) 长江科学院的离，t l , 机，其有效转臂半径为3m ，最大加速度为3 0 0g ， 最大负荷为1 0t ，有效荷载容量为1 8 0 垂。模型箱的尺寸有2 组：1 1m 0 2 0 8m 0 5m ，0 7 6m o 3m 0 4 0 5m ，配置可控制系统，可实现无级调速以改变 离心加速度。 ( 4 ) 核工业部九院的离心机，其最大加速度1 1 0g ，有效半径1 0 8m ，最大 荷载容量1m p a ，模型箱尺寸为0 9 2m 0 6 7m 0 3m ，模型信号由一套多点巡 回数据采集仪与微机处理系统进行采集、处理及储存。 ( 5 ) 南京水利科学研究院的离心机，其有效半径2 2 5m ，有效荷载容量 4 0 0 9 t ，模型箱尺寸为0 8 5m x o 1 7m 0 3 4m ，采用闭路电视观察模型变化过程。 ( 6 ) 另外还有上海铁道大学的2 0 昏离心机( 模型箱尺寸为0 2 5m o 3 1m 0 4 1 5m ) 以及成都科技大学的2 5 舀离心机等各种型号。 目前，土工离心模型试验已广泛应用于岩土工程的各个领域，其研究范围大 体可以分为以下几个方面： ( 1 ) 堤坝和边坡。在堤坝和边坡的变形和稳定研究方面，以前苏联所做的工 作最为显著，曾对心墙坝、斜墙坝、尾矿坝的各种影响因素，如坝料、防渗结构、 山东大学硕士学位论文 蓄水方式、坝址几何特征、施工速度等进行了模型试验研究，试验成果为设计采 用。 我国虽然开展离心试验工作稍晚，但在坝工方面也取得了良好的成果，特 别是对高土石坝的试验研究。例如，在三峡工程中，利用离心模型试验对高 9 0 m ( 其中水下6 0 m ) 的三峡围堰工程堰体位移和防渗墙的工作特性进行了试验研 究，同时还进行了6 0 m 深水抛填花岗岩风化砂料的密度和坡角试验，为工程设 计提供了有益的参考数据。另外，9 0 m 高的西北口混凝土面板堆石坝，1 5 1 m 高 的小浪底斜墙堆石坝和1 8 6 m 高的瀑布沟心墙堆石坝，都通过模型试验了解了在 施工期、运行期和水位骤降情况下的性状。其中小浪底和瀑布沟这两座高坝均处 于7 0 m 厚的覆盖层上，地质条件极为复杂。上述的试验工作及所取得的成果，在 国内外都是处于领先的。 ( 2 ) 浅基础与深基础。在工业与民用建筑工程中，关于基础部分的设计，如 何保证其既安全又经济，是工程技术人员最关心的问题。在这些方面离心模型试 验发挥了极为有效的作用。国内外许多学者对砂基中浅基础的破坏模式和极限承 载力、桩的打入方式和摩擦效应等问题进行了一系列的离心模拟试验研究，并与 原型试验结果做了比较。 对基础性状的离心模型试验，早期多是针对砂土地基进行的，最近也开始 了对粘性土地基的离心模型试验研究。t a n i 和c r a i g 采用离心模拟技术及水力坡 降相似模拟的方法，对原型为3 0 m 厚的粘土基础进行了试验研究( 模型尺寸厚度 分别为3 0 c m 和3 2 c m ) ，对两者的剪切强度曲线进行了对比。通过离心机运行中 的c p t 或运行后的u c 试验，得到了不排水剪切强度的修正方法，并与数值模 型结果进行了对比验证。 ( 3 ) 挡土结构。很多研究人员成功地利用离一i i , 模型来研究土和挡土结构的相 互作用，对其性状有了新的理解。例如，b o l t o n 认为加筋土挡土墙的状态不符合 通常大家接受的概念，应按照拉锚钢板桩分析。l y n d o n 和p e a r s o n 对于砂基上的 悬臂挡土墙试验的结果表明，主动土压力相当于r a n k i n e 的土压力分布，而被动 土压力则与r o w e 的拉锚板桩墙的观察结果相似，等等。这些试验研究成果，对 人们认识挡土结构的变形和破坏机制提供了有益的帮助。 ( 4 ) 动力工程。利用离一1 1 , 模拟技术研究动力对工程的作用和影响已日益受到 人们的重视。例如缩小n 倍的爆破模型在n g 运转下爆炸，其质量和能量将扩大 n 3 倍。这样就可以在试验室模拟原子弹爆炸对土体的力学效应。利用带有振动模 拟设备和测试技术的离心机，可以对地震等地面运动进行模型试验研究。这也是 目前土工离心模型试验研究的一个热点。 ( 5 ) 地基处理。采用离一1 1 , 模型进行地基处理的试验研究是近几年才开展的工 1 2 山东大学硕士学位论文 作，已取得一些成果。如王年香等对采用深层搅拌法所加固的码头接岸软基和沉 箱码头基础进行了离心模型试验【8 j ，对其工作机理和破坏机理进行了研究，揭示 了影响整体稳定性的主要因素，得出了不同地基条件、不同着底方式、不同宽度 加固体的外部破坏形式和地基整体破坏形式，并对土压力计算理论进行了验证。 ( 6 ) 其他方面。除了上述几个方面的试验研究外，离心模型试验在岩土工程 的其他领域也得到广泛应用。如对有机污染物在包气带的入渗和迁移的研究，土 钉墙支护结构的性状研究，海上采油平台的工作性状研究及大地构造运动研究， 等等。 2 3 离心机构造简介 常见的土工离心机构造如下图所示： i 坠= 掣 一o b 国 i 卫 一1 怒，庳 一一百k z 易 谨t 尹 。悖州 一p 0