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高填方边坡地震响应的超重力振动台物理模拟

孟迪  
【摘要】:随着西部大开发战略的实施,高填方边坡工程的建设迅速发展,地震作为人类面临的主要自然灾害之一,给高填方边坡工程带来了巨大的影响和危害。诸多高填方边坡具有填方高、夹有软弱土层、场区地震烈度大的特点,高填方边坡的地震响应和灾变规律是工程建设面临的主要问题之一。目前高填方边坡的建设缺乏明确的技术规范指导,面临诸多挑战。超重力振动台物理模拟是研究土工构筑物地震灾变的重要手段,但现有设备模拟高填方边坡动力响应时受容量限制,不足以恢复工程原型自重应力场,在这种情况下,提出高填方边坡地震响应的超重力振动台物理模拟方法,揭示高填方边坡的灾变规律具有重要的科学意义。本文提出了基于频响函数簇的超重力振动台控制技术,为精准开展离心模拟试验奠定基础;基于广义相似律,发展了超重力振动台不等应力相似律,为全断面等应变模拟高填方边坡地震响应提供了理论依据;开展了水平场地和边坡的超重力振动台试验,验证了超重力振动台不等应力相似律的适用性;针对甘孜机场工程实例,应用超重力振动台不等应力相似律开展试验,揭示含软弱夹层的甘孜机场高填方边坡地震响应特点及灾变规律。本文所做的主要工作和研究成果如下:1.根据ZJU-400超重力振动台的设计和工作原理,建立了超重力振动台的力学模型和数值模型,研究振幅、模型质量、刚度和阻尼比对超重力振动台频响函数影响,其中振幅为主要因素,当输出比大于20%时,频响函数幅值随振幅增加而降低,依此建立了 ZJU-400超重力振动台频响函数簇模型,并提出了一种基于频响函数簇的前馈振动控制方法,通过预先调制输入波形实现一次精准施振,使台面输出幅值与目标加速度近似一致。应用该方法进行正弦波和随机波振动控制,可在一次施振中达到较高的控制精度,具有不损伤模型的显著优势。2.总结了传统相似律(等应力等应变相似律)和广义相似律(不等应力不等应变相似律)的适用范围和局限性。根据相似定理,结合Hardin公式和岩土材料模量随剪应变的衰减关系,推导了超重力振动台不等应力相似律,当试验设备无法恢复原型应力条件时,全面考虑材料的应力相关性,通过调节振动输入使模型试验揭示的应变与原型一致,使大型岩土工程超重力物理模拟所揭示的地震响应更接近实际工程原型行为。3.在超重力振动台精准控制的基础上,采用“模型的模拟(modeling of models)”技术,验证了超重力振动台不等应力相似律在水平干砂场地等应变模拟的可行性。在较低的离心加速度下推导出的原型剪切应变,比高离心加速度下推出的原型剪切应变稍大。虑模量衰减相似系数时,不同应力条件下揭示原型的应力应变曲线的具有更好的一致性。相同的剪应变幅值下,应力水平越高,模型的模量衰减曲线越接近于原型,模量衰减关系的应力相关性的影响越小。4.采用“模型的模拟”技术,在不同离心加速度下模拟高填方边坡动力响应,所得原型响应具有较高的一致性,验证了超重力振动台不等应力相似律模拟二维边坡动力响应的可行性。由于含软弱夹层的高填方边坡在深度方向上土层刚度和强度的差异,加速度放大系数在粉质粘土夹层处有所减弱,位移放大系数在粉质粘土夹层处有所减弱。含软弱夹层的高填方边坡具有多种振动模态,在地震波作用下,反应谱比在不同频率附近具有多峰放大的特点,高填方边坡因填方高度大而具有较低的基频。5.将高填方边坡地震响应规律的超重力振动台物理模拟技术应用于工程实例,揭示甘孜机场高填方边坡在设计工况下(坡脚反压、低水位)的地震响应特点。振幅越大,加速度放大系数在粉质粘土层减小的越为剧烈,位移放大系数在粉质粘土层放大的越为显著,大振下地表位移放大系数较大,甚至发生非对称的剪胀。建立密实度和地震累积强度关系以及Gmax和地震累积强度关系,预测某一强度的地震下填方体的密实度、沉降和刚度变化。进一步分析了水位升高、降雨、以及卸载反压等一系列不利工况下,高填方动力响应的变化,水位升高,下层土体滤波作用增强,填方体内部的水平加速度和位移均有所减小。降雨增加了填方体的密度和刚度,填方体内部水平加速度增大,残余位移减小。卸载反压后,边坡具有更为自由的运动边界,加速度和瞬态水平位移有所增大,瞬态竖向位移减小,残余变形并未出现增大的趋势,需要进一步加强监测。本文通过计算分析和试验验证,提出了基于频响函数簇的超重力振动台控制技术,为超重力动力模拟提供基础;通过公式推导和试验验证,提出了超重力振动台不等应力相似律,为全断面模拟高填方边坡的地震响应规律提供依据,为研究大型岩土工程的地震响应和抗震设计提供了手段。


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