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摘 要： 摘 要：根據(jù)相似原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)坡腳為50的反傾邊坡模型、傳感器的布置方案和試驗(yàn)的輸入方案。為了研究在不同動(dòng)力反應(yīng)下反傾邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，需要加載不同的地震波以及不同的加速度峰值。試驗(yàn)結(jié)果表明： EL Centro波作用下，在反傾邊坡坡面和坡內(nèi)豎直方
摘 要：根據(jù)相似原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)坡腳為50°的反傾邊坡模型、傳感器的布置方案和試驗(yàn)的輸入方案。為了研究在不同動(dòng)力反應(yīng)下反傾邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，需要加載不同的地震波以及不同的加速度峰值。試驗(yàn)結(jié)果表明： EL Centro波作用下，在反傾邊坡坡面和坡內(nèi)豎直方向上，隨著高程的增加，加速度峰值也會(huì)增加;通過(guò)加速度傅里葉曲線發(fā)現(xiàn)，在坡內(nèi)和坡面上，幅值會(huì)隨著高程的增加而增加，卓越頻率基本位于19.0Hz左右;在EL Centro波的作用下，坡面高程越高，坡內(nèi)測(cè)點(diǎn)和坡面測(cè)點(diǎn)的PGA放大系數(shù)增大的越快。
關(guān)鍵詞 反傾邊坡;振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律;PGA放大系數(shù)
1 引言
我國(guó)國(guó)土面積十分遼闊，近年來(lái)各地的地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生，加上地形的復(fù)雜性，極大地影響著人們的日常生活。在我國(guó)的西部地區(qū)，特別是山區(qū)，滑坡、泥石流等災(zāi)害問(wèn)題是十分突出的，尤其是在地震之后會(huì)造成許多的堆積體邊坡，從而造成更大的影響[1]。近些年來(lái)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率顯著增加，特別是地震。隨著西部大開(kāi)發(fā)倡議的持續(xù)實(shí)施，地震已經(jīng)成為危害交通線路以及日常生活的一種普遍和危險(xiǎn)的地質(zhì)災(zāi)害[2]。如2008年發(fā)生在汶川的8.0級(jí)強(qiáng)級(jí)地震，沿帶的四川50多個(gè)地區(qū)遭受了嚴(yán)重的災(zāi)害，造成的經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的[3];2010年4月14日，青海玉樹(shù)發(fā)生了7.1級(jí)大地震，2000多名同胞失去了生命[4]。在地震發(fā)生后，可能會(huì)誘發(fā)大量的巖質(zhì)滑坡，這些崩滑體既可能阻礙到交通，也可能會(huì)形成堰塞湖，極大地威脅到人們生命財(cái)產(chǎn)安全。
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在實(shí)際生活中，地震振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)是一種很好的研究方法，能夠比較接近實(shí)際地震時(shí)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用情況，同時(shí)也是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)物整體抗震能力的一種重要手段。盡管振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在邊界條件等方面還存在一定的缺陷，但是就其本身可操作性強(qiáng)等方面的優(yōu)點(diǎn)，這依然是一種比較實(shí)用的研究手段。為了研究反傾邊坡的一些特征，本文開(kāi)展了在模擬地震作用下反傾邊坡的動(dòng)力響應(yīng)特征，分析反傾邊坡在不同荷載下以及坡內(nèi)和坡面上不同高程的動(dòng)力響應(yīng)特征。
2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析
2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
本次試驗(yàn)所采用的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為3m×3m，最大承重量為10t，最大速度為0.7m/s，工作頻率為0.1-50Hz，位移范圍為±125mm，最大加速度為15m/s2。鑒于模型以及剛度的要求，本試驗(yàn)采用鋼板+型鋼制作的剛性模型箱，內(nèi)空尺寸為2.2m×2 m×1.6m(長(zhǎng)×寬×高)，模型的兩側(cè)采用的是12mm厚有機(jī)玻璃，方便于現(xiàn)場(chǎng)的觀察。
為了能夠讓模型的動(dòng)力響應(yīng)比較符合客觀實(shí)際、比較準(zhǔn)確的反映模型原型的動(dòng)力反應(yīng)，要讓模型與實(shí)物之間保持一定的相似性，這對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)最后結(jié)果的可參考性是非常重要的。在實(shí)際生活中，要做到跟原型一模一樣的話需要考慮到資金、臺(tái)面尺寸等因素，在大多數(shù)情況下都會(huì)根據(jù)相似理論來(lái)縮小試驗(yàn)的模型。邊坡作為一種半無(wú)限體，從理論上來(lái)講是沒(méi)有邊界的，但是在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)之中只能將土體裝在有限的容器之內(nèi)[5]。為了減小邊界的影響因素，在模型的兩側(cè)放置了泡沫板。
2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
在地震的作用下，由于加速度產(chǎn)生的地震慣性力是邊坡失穩(wěn)和變形的主要原因，同時(shí)邊坡的加速度反應(yīng)規(guī)律是評(píng)價(jià)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的基本資料[6]。本次試驗(yàn)通過(guò)輸入不同類型的地震波，并從小到大逐級(jí)施加不同振幅的加速度荷載，以此來(lái)模擬地震波的作用，目的是為了研究地震頻率以及振幅對(duì)于在不同高程處的反傾邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。
試驗(yàn)加載了不同的波型以及加速度峰值，本文依據(jù)的是EL Centro波作為地震激勵(lì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3-圖5為輸入EL Centro波、加速度峰值為0.4g，反傾坡面上的測(cè)點(diǎn)9、8、10的y方向上的加速度時(shí)程曲線，持時(shí)為10s，選取中間段5s作為分析對(duì)象。
每一次試驗(yàn)開(kāi)始之前都會(huì)先進(jìn)行白噪聲激勵(lì)試驗(yàn)，以此消除上一階段試驗(yàn)的殘余影響[7]。從上面的圖形可以得到，隨著高程的增加，加速度峰值也會(huì)增加。
在實(shí)際生活中，對(duì)工程抗震而言，除其振幅外，還可以通過(guò)頻譜和持時(shí)來(lái)進(jìn)行描述[8]。圖7-圖9是輸入為0.2g的EL Centro波，測(cè)點(diǎn)9、8、10的y方向上的加速度傅里葉曲線。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，反傾邊坡在坡面上不同高程的加速度響應(yīng)具有相似的變化規(guī)律，如圖6-圖8所示，三個(gè)測(cè)點(diǎn)的卓越頻率都在19.0Hz左右。反傾邊坡還對(duì)傅里葉幅值有著放大的作用，在測(cè)點(diǎn)11處，幅值峰值為0.01、測(cè)點(diǎn)8處的幅值峰值為0.02、測(cè)點(diǎn)9處的幅值峰值為0.03，可見(jiàn)隨著高程的增加，幅值也在增大。
圖10-圖12是在EL Centro波作用下，選取反傾邊坡坡內(nèi)豎直方向上的測(cè)點(diǎn)1、3、2的y方向上、輸入為0.2g的加速度傅里葉曲線，可以得到：三個(gè)測(cè)點(diǎn)的卓越頻率也都位于19.0Hz左右，在測(cè)點(diǎn)1處，幅值峰值為0.022、測(cè)點(diǎn)3處的幅值峰值為0.019、測(cè)點(diǎn)2處的幅值峰值為0.013，可見(jiàn)隨著高程的增加，坡內(nèi)豎直方向上測(cè)點(diǎn)的傅里葉幅值也會(huì)被放大，與坡面上的測(cè)點(diǎn)的規(guī)律是相似的。
在試驗(yàn)之中，地震波的傳播特性可以通過(guò)加速度放大效應(yīng)來(lái)反映，放大效應(yīng)常采用加速度峰值的放大系數(shù)表示[9]。圖14是選取測(cè)點(diǎn)6-y方向作為臺(tái)面測(cè)點(diǎn)，用坡面和坡內(nèi)垂直方向上的測(cè)點(diǎn)的峰值加速度除以臺(tái)面加速度峰值以得到加速度放大系數(shù)曲線。
通過(guò)圖13可以得到，在EL Centro波的作用下，反傾邊坡的坡面上所表現(xiàn)出的PGA放大系數(shù)變化規(guī)律基本是一致的。隨著高程的增加，PGA放大系數(shù)會(huì)被放大，在坡腳處，加速度為0.1g、0.2g、0.4g、0.7g的PGA放大系數(shù)分別為0.54、0.35、0.27、0.34;在接近坡面頂部處，加速度為0.1g、0.2g、0.4g、0.7g的PGA放大系數(shù)分別為4.33、3.98、3.86、4.79，最大峰值放生在地表處，整個(gè)放大過(guò)程不是線性的。在放大系數(shù)被放大的過(guò)程當(dāng)中，PGA=0.1g、0.2g的增加過(guò)程比較順滑，在0.72m處轉(zhuǎn)折很小，后面的直線斜率變化不大;PGA=0.4g、0.7g曲線在高程到達(dá)0.72m處有一個(gè)折點(diǎn)，之后的直線斜率變小，放大系數(shù)被放大的速度增加，可以得出高程越高，PGA放大系數(shù)會(huì)被放大的越快，也會(huì)越大。在加載EL Centro波的不同加速度峰值的工況下，從圖中可以得出關(guān)于PGA放大系數(shù)的一些規(guī)律：在高程0m-0.72m之間，PGA放大系數(shù)的大小為PGA=0.1g>0.2 g >0.4 g >0.7 g，在到達(dá)接近地面處時(shí)，PGA=0.7達(dá)到最大值，大小為PGA=0.7g>0.1 g >0.2 g >0.4 g。
圖15為在EL Centro波的作用下，反傾邊坡坡內(nèi)豎直方向上的測(cè)點(diǎn)的分析結(jié)果，從圖中可以得到，隨著高程的增加，PGA系數(shù)也會(huì)被放大。在1/3邊坡處，也就是高程0.36m處，加速度為0.1g、0.2g、0.4g、0.7g的PGA放大系數(shù)分別為1.79、1.66、1.53、1.35;在接近邊坡頂部處，加速度為0.1g、0.2g、0.4g、0.7g的PGA放大系數(shù)分別為4.33、3.99、3.86、4.8，最大峰值放生在接近地表的測(cè)點(diǎn)處。在高程增加到0.36m之前，PGA放大系數(shù)都增加的很慢，基本位于1-2之間;在0.72m-0.8m時(shí)，PGA的放大速度增快;在0.8m-1.04m之間，PGA放大系數(shù)被放大的很快，可見(jiàn)高程越高，PGA放大系數(shù)會(huì)被放大的越快也越大。在在加載EL Centro波的不同加速度峰值的工況下的規(guī)律與坡面上的測(cè)點(diǎn)的規(guī)律是相似的，在高程0m-0.72m之間，PGA放大系數(shù)的大小為PGA=0.1g> PGA=0.2g> PGA=0.4 g > PGA=0.7 g，在到達(dá)接近地面的測(cè)點(diǎn)時(shí)，PGA=0.7達(dá)到最大值，大小為PGA=0.7g> PGA=0.1 g > PGA=0.2 g > PGA=0.4 g。
3 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)并完成了一組邊坡振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究了在EL Centro波和Kobe作用下反傾邊坡上坡面、坡內(nèi)垂直方向上不同高程處的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，得出了以下結(jié)論：
(1)在EL Centro波作用下，隨著高程的增加，加速度峰值也會(huì)增加。
(2)隨著高程的增加，對(duì)傅里葉幅值也有放大的作用。在0.2g的EL Centro波作用下，反傾邊坡坡面上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的卓越頻率都集中在19.0Hz附近，最大幅值發(fā)生在測(cè)點(diǎn)9，也就是地面;反傾邊坡坡內(nèi)垂直方向上測(cè)點(diǎn)的卓越頻率也位于19.0Hz左右，隨著高程的增加，傅里葉幅值也會(huì)增加。無(wú)論是在坡面還是坡內(nèi)，高程增加都會(huì)放大傅里葉幅值。
(3)在反傾邊坡上，隨著高程的增加，各個(gè)測(cè)點(diǎn)y方向的PGA放大系數(shù)被放大，在坡面頂部處達(dá)到最大值。在反傾邊坡坡面上，在EL Centro波的作用下，PGA放大系數(shù)的整個(gè)放大過(guò)程都比較順滑;在選取0.4g的工況下，在兩個(gè)地震波作用下的PGA方大系數(shù)曲線是相似的。在反傾邊坡坡內(nèi)垂直方向上，在EL Centro波作用下，高程越高，PGA放大系數(shù)被放大的越快。——論文作者：安旭 1，曾海凌 2