發(fā)布時間：2020-08-26所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：根據(jù)相似原理，設(shè)計了一個坡腳為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。為了研究在不同動力反應(yīng)下反傾邊坡的動力響應(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)計了一個坡腳為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。為了研究在不同動力反應(yīng)下反傾邊坡的動力響應(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，加速度峰值也會增加;通過加速度傅里葉曲線發(fā)現(xiàn)，在坡內(nèi)和坡面上，幅值會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)測點(diǎn)和坡面測點(diǎn)的PGA放大系數(shù)增大的越快。
關(guān)鍵詞 反傾邊坡;振動臺試驗(yàn);動力響應(yīng)規(guī)律;PGA放大系數(shù)
1 引言
我國國土面積十分遼闊，近年來各地的地質(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。在我國的西部地區(qū)，特別是山區(qū)，滑坡、泥石流等災(zāi)害問題是十分突出的，尤其是在地震之后會造成許多的堆積體邊坡，從而造成更大的影響[1]。近些年來地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率顯著增加，特別是地震。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(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的地質(zhì)災(zāi)害[2]。如2008年發(fā)生在汶川的8.0級強(qiáng)級地震，沿帶的四川50多個地區(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，青海玉樹發(fā)生了7.1級大地震，2000多名同胞失去了生命[4]。在地震發(fā)生后，可能會誘發(fā)大量的巖質(zhì)滑坡，這些崩滑體既可能阻礙到交通，也可能會形成堰塞湖，極大地威脅到人們生命財產(chǎn)安全。
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在實(shí)際生活中，地震振動臺模擬試驗(yàn)是一種很好的研究方法，能夠比較接近實(shí)際地震時地震對結(jié)構(gòu)的作用情況，同時也是評價結(jié)構(gòu)物整體抗震能力的一種重要手段。盡管振動臺試驗(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，本文開展了在模擬地震作用下反傾邊坡的動力響應(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力響應(yīng)特征。
2 試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果分析
2.1 試驗(yàn)設(shè)計
本次試驗(yàn)所采用的振動臺臺面尺寸為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×寬×高)，模型的兩側(cè)采用的是12mm厚有機(jī)玻璃，方便于現(xiàn)場的觀察。
為了能夠讓模型的動力響應(yīng)比較符合客觀實(shí)際、比較準(zhǔn)確的反映模型原型的動力反應(yīng)，要讓模型與實(shí)物之間保持一定的相似性，這對于整個試驗(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、臺面尺寸等因素，在大多數(shù)情況下都會根據(jù)相似理論來縮小試驗(yàn)的模型。邊坡作為一種半無限體，從理論上來講是沒有邊界的，但是在振動臺試驗(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，同時邊坡的加速度反應(yīng)規(guī)律是評價邊坡動力響應(yīng)的基本資料[6]。本次試驗(yàn)通過輸入不同類型的地震波，并從小到大逐級施加不同振幅的加速度荷載，以此來模擬地震波的作用，目的是為了研究地震頻率以及振幅對于在不同高程處的反傾邊坡的動力響應(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，反傾坡面上的測點(diǎn)9、8、10的y方向上的加速度時程曲線，持時為10s，選取中間段5s作為分析對象。
每一次試驗(yàn)開始之前都會先進(jìn)行白噪聲激勵試驗(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，加速度峰值也會增加。
在實(shí)際生活中，對工程抗震而言，除其振幅外，還可以通過頻譜和持時來進(jìn)行描述[8]。圖7-圖9是輸入為0.2g的EL Centro波，測點(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，三個測點(diǎn)的卓越頻率都在19.0Hz左右。反傾邊坡還對傅里葉幅值有著放大的作用，在測點(diǎn)11處，幅值峰值為0.01、測點(diǎn)8處的幅值峰值為0.02、測點(diǎn)9處的幅值峰值為0.03，可見隨著高程的增加，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：三個測點(diǎn)的卓越頻率也都位于19.0Hz左右，在測點(diǎn)1處，幅值峰值為0.022、測點(diǎn)3處的幅值峰值為0.019、測點(diǎn)2處的幅值峰值為0.013，可見隨著高程的增加，坡內(nèi)豎直方向上測點(diǎn)的傅里葉幅值也會被放大，與坡面上的測點(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加速度放大效應(yīng)來反映，放大效應(yīng)常采用加速度峰值的放大系數(shù)表示[9]。圖14是選取測點(diǎn)6-y方向作為臺面測點(diǎn)，用坡面和坡內(nèi)垂直方向上的測點(diǎn)的峰值加速度除以臺面加速度峰值以得到加速度放大系數(shù)曲線。
通過圖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，整個放大過程不是線性的。在放大系數(shù)被放大的過程當(dāng)中，PGA=0.1g、0.2g的增加過程比較順滑，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)會被放大的越快，也會越大。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，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，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，可見高程越高，PGA放大系數(shù)會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)接近地面的測點(diǎn)時，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
本文設(shè)計并完成了一組邊坡振動臺模型試驗(yàn)，通過振動臺模型試驗(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，加速度峰值也會增加。
(2)隨著高程的增加，對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測點(diǎn)的卓越頻率都集中在19.0Hz附近，最大幅值發(fā)生在測點(diǎn)9，也就是地面;反傾邊坡坡內(nèi)垂直方向上測點(diǎn)的卓越頻率也位于19.0Hz左右，隨著高程的增加，傅里葉幅值也會增加。無論是在坡面還是坡內(nèi)，高程增加都會放大傅里葉幅值。
(3)在反傾邊坡上，隨著高程的增加，各個測點(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)的整個放大過程都比較順滑;在選取0.4g的工況下，在兩個地震波作用下的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
