黄土斜坡地震动力响应及液化机制研究的离心机振动台试验方案.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除黄土斜坡地震动力响应及液化机制研究的离心机振动台试验方案 1、试验目的黄土斜坡在下部充分浸水和地震作用条件下，观察坡体不同部位动孔隙水压力的变化规律，结合坡体的变形破坏特征，研究黄土斜坡的地震动力响应特性，及地震液化对黄土斜坡稳定性的影响。2、试验准备工作2.1 试验模型设计如图1所示，黄土斜坡的离心机振动台试验模型采用单面直线坡，坡角为60。模型总高为70cm，其中坡体高度50cm，下伏基础深度20cm。模型底部长为100cm，宽为60cm（未减去防水膜厚度）。图1 黄土斜坡概念模型及传感器布置图（单位：cm）2.2试验相似关系设计本试验模型采用原型材料，材料物理力学参数的相似常数均取值为1.0。离心加速度拟采用20g，即模型与原型加速度的相似系数为20。由此对应的模型与原型几何尺寸的相似系数为1/20。也就是说，本试验模型高度为0.7m，模拟的原型高度为14m。表1还列出了离心机振动台试验涉及其它关键参数的相似系数。表1 离心机振动台试验相似系数物理量相似常数通用形式 (模型/原型）本次试验(模型/原型）密度，C11弹性模量，ECE11泊松比，C11内聚力，cCc = CE11内摩擦角，C11应变，C= CCg Cl CE-111应力，C= CE C11几何长度，lCl = CCE/ CCg1/n1/20振动时间，tCt= C0.5CE-0.5Cl1/n1/20振动频率，fCf = Ct-1n20位移，uCu= Cl C1/n1/20速度，vCv= Cu Ct-111振动加速度，aCa= Cu Ct-2n20重力加速度，gCgn202.3 试验设备及测试系统（待补充详细）表2 土工离心机振动台技术参数性能指标参数值最大负载 /kg2000最大离心加速度 /g100最大振动加速度 /g30最大振动频率 /Hz20350Hz最大振幅 /mm5最大振动历时 /s3振动波形正弦波、任意地震波叠层式模型箱尺寸（长宽高） /cm10060732.4 试验材料试验模型材料均采用黄土原型材料，取样地点为甘肃省兰州市永靖县盐锅峡镇黑方台黄土地区。材料从现场取回后，在室内做了密度、孔隙比、液限和塑限以及颗粒级配分布试验，结果见表3。依据图1所示的设计模型尺寸，估算模型总质量为672kg。表3 试验用黄土的物理力学参数干密度（g/cm3）天然密度（g/cm3）土粒相对密度孔隙比液限（%）塑限（%）不同颗粒（mm）分布（%）0.0750.0750.0050.0050.0020.0021.41.542.70.9826.518.388.911.18.22.5 模型制备及饱水斜坡模型采用现场制作，从下到上逐层均匀压实的方式。基本流程如下：（1）在模型箱内壁量好模型几何尺寸，制作一个标尺，以便建模时可以方便地控制每一层装样的高度，同时保证传感器埋设位置的精确度。（2）将准备好的材料倒入模型箱中，采用压实工具进行人工压实。为保证压实密实度，每层碾压厚度控制在510cm。同时为了避免已制作的土层不均匀和传感器位置移动，工作人员尽量不在模型箱内走动。（3）模型达到设计高度后，削坡至设计坡形。本试验旨在研究黄土斜坡在饱水条件下的地震动力响应特性。依据黑方台台塬边黄土滑坡的发育特征，长期水力灌溉导致地表水入渗到黄土内部，转而形成地下水从台塬边渗出，以此形成了该部位黄土土层下部充分饱水的特征。因此，在本试验中，依据此特征，将使黄土斜坡下部饱水，设计饱水高度为距离坡底25cm，如图1所示。饱水方式为直接在模型箱内加水，并始终保持水面高于设计饱水高度一定距离。2.6 传感器类型及布置方案为了获得饱和黄土斜坡在地震作用下，动孔隙水压力的增长和消散情况，本试验在模型饱水的部位共安装了5个孔隙水压力计，如图1所示。孔隙水压力计采用陕西卫峰核电子有限公司订做的KY1002型号，每只孔隙水压力计的量程为200kPa，头部直径为8mm，精度为1%F.S.，频响范围为1000Hz以内。在模型内布置传感器时，一方面，在同一水平高程处，从坡表到坡内布置了3个孔压计（P1P3），以观测坡表和坡内孔压的变化特征。另一方面，在垂直方向上，沿不同高程也布置了3个孔压计（P2，P4，P5），以观测坡体高程对孔压响应的影响。此外，在振动台面上布置一个加速度传感器A0，用于校核台面输入的加速度激振波。2.7 振动输入波及加载方案2.7.1 输入波设计本试验对振动台模型的输入波采用加速度时程曲线。在设计输入波时，需要考虑波的振幅、持时和频率特征。（1）波型的确定：波的类型为随机波。随机波采用1995年日本Kobe地震中JMA实测的加速度记录（采样间隔为0.02s，振动持时约40s）。（2）振幅的确定：以试验用黄土材料的取样现场黑方台为研究区，该地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15 g。结合离心机振动台设备的最大振动加速度15g和本试验设计的加速度相似系数20（模型/原型），可以确定本试验在离心加速度为20g的条件下，能够模拟的最大原型加速度为0.75g。因此，本试验拟针对Kobe波的振幅采用1.0g、3.0g、6.0g和10.0g，对应的原型加速度为0.05g、0.15g、0.3g和0.5g。而后根据模型的变形程度，可适当增加激振强度，直至模型出现大变形或破坏。（3）波的振动频率：结合离心机振动台设备的最大振动频率范围为20350Hz和本试验设计的频率相似系数20（模型/原型），可以确定本试验在离心加速度为20g的条件下，能够模拟的最大原型振动频率为117.5Hz。对Kobe波形，实测NS向主频为1.45Hz，因此，在试验时，将其主频放大至29Hz后进行加载。同时为了研究地震波频率的影响，对kobe波进行了幅值3.0g，时间压缩比分别为20,30,40，50的激震试验，对应的主频放大后依次为29hz43.5hz58hz和72.5hz。（4）波的振动时间：持时有2.0s1.33s1s0.8s，对应的原型波持时均为40s。（5）波的激振方向：水平单向X向激振。2.7.2 加载方案加载过程如下：（1）离心机开机时不能启动过快，采用从1g，10g，20g，30g，40g直至50g的逐级加载方式。每一级施加至模型变形稳定后，再施加下一级；（2）离心机加载至设计加速度后，稳定一段时间，待监测的孔隙水压力稳定后，再开始通过振动台对模型施加激振波。激振波按表4制定的加载顺序施加。（3）每次加载波完毕后让离心机稳定一定时间，待监测的孔隙水压力稳定后再进行下一级加载。（4）试验结束后，立即测试模型土体在不同深度处的含水率，与初始含水率比较。表4 振动阶段输入波的加载顺序加载工况加载波形主频率（Hz)加载方向振幅（g）持时（s）1白噪声（待定）X0.22Kobe-129X123Kobe-229X324Kobe-343.5X31.335Kobe-458X316Kobe-572.5X30.87白噪声（待定）X0.28Kobe-629X629Kobe-729X10210白噪声（待定）X0.21