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        邊坡動力破壞機(jī)理的振動臺試驗研究

        2014-04-29 00:00:00劉振平劉福海趙顯波
        土木建筑與環(huán)境工程 2014年4期

        摘要:

        將數(shù)字圖像位移測量技術(shù)和有限元數(shù)據(jù)平滑方法應(yīng)用到邊坡模型的振動臺試驗中,得到了整個振動過程的位移場和應(yīng)變場,探討了土質(zhì)邊坡的動力破壞模式和破壞機(jī)理。結(jié)果表明土質(zhì)邊坡的變形是漸進(jìn)式的,坡體中部到坡腳是剪切破壞,坡頂一定深度是拉剪破壞,破壞時有深層的圓弧狀滑動面,用位移時程曲線的廣義曲率做為判斷邊坡動力破壞的物理量是可行的。

        關(guān)鍵詞:

        邊坡;振動臺試驗;應(yīng)變測量;破壞機(jī)理

        中圖分類號:

        TU47

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號:16744764(2014)04005706

        在土木工程和水利工程中,有眾多的自然邊坡、人工邊坡如堤壩、路基路塹等邊坡工程。中國的許多重大工程如大型水電站、南水北調(diào)西線工程、西部山區(qū)高速公路等均處于強(qiáng)震區(qū),特別是2008年汶川“5·12”地震以來,邊坡動力破壞機(jī)理引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注,成為巖土地震工程領(lǐng)域中重要的研究課題之一。有關(guān)邊坡地震的原型觀測資料很少,所以室內(nèi)振動臺試驗就成為研究地震作用下邊坡動力問題的重要手段之一。Lin等[1]采用大型振動臺試驗研究土坡在地震作用下的響應(yīng),認(rèn)為砂土邊坡破壞面較淺,只是坡體表面的破壞。徐光興等[23]通過振動臺模型試驗研究了混合土邊坡的動力特性,并結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果認(rèn)為在強(qiáng)震作用下單一均質(zhì)土層邊坡的破壞模式仍然是沿著某一弧形潛在滑動面失穩(wěn)。許強(qiáng)等[4]通過多組振動臺試驗認(rèn)為均質(zhì)土坡和塊狀巖質(zhì)斜坡的動力破壞模式都是坡頂拉裂,中下部剪切滑移破壞。陳新民等[56]采用振動臺試驗研究了粘土邊坡動力特性、動力反應(yīng)和宏觀變形,發(fā)現(xiàn)在動力作用下邊坡坡頂和坡腳出現(xiàn)裂縫。葉海林等[7]巖質(zhì)邊坡大型振動臺模型試驗,結(jié)果表明地震滑動面為上部拉裂縫和下部剪切滑移面形成貫通的破裂面。劉君等[8]把PIV技術(shù)應(yīng)用在土質(zhì)邊坡振動臺模型試驗中,獲取了邊坡破壞的完整過程。Wang等[9]在砂土邊坡振動臺試驗中采用PIV技術(shù)獲取了邊坡表面的位移場,探討了邊坡動力失穩(wěn)機(jī)理。Wartman等[1011]通過多組粘土邊坡振動臺模型試驗研究了邊坡產(chǎn)生的永久位移,并與基于峰值和殘余強(qiáng)度的Newmark 公式計算結(jié)果進(jìn)行了比較。Katz等[12]采用振動沙箱研究了砂土邊坡破壞的類型和頻率的關(guān)系。以上針對邊坡的動力特性、宏觀破壞現(xiàn)象及個別點的位移進(jìn)行的研究,而沒有涉及邊坡的位移場,劉君、Wang等雖用PIV技術(shù)得到了整個邊坡的位移場,但沒有對應(yīng)變場進(jìn)行研究。劉振平,等:邊坡動力破壞機(jī)理的振動臺試驗研究

        應(yīng)變是直接對含有噪聲的離散位移進(jìn)行差分計算得到的,那么即使微小的位移測量誤差也會被急劇地放大,使計算的應(yīng)變不可靠[13]。一般的數(shù)據(jù)擬合平滑方法也不能滿足應(yīng)變計算的精度要求,潘兵等[1314]提出了局部最小二乘擬合的應(yīng)變計算方法,其原理同SavitzkyGolay平滑方法。該方法能夠在一定程度上去除原始位移場的噪聲,缺點是由于每個位移點都要一個計算窗口平滑,計算量巨大,并且對于非均勻應(yīng)變場,應(yīng)變計算窗口的大小顯著影響應(yīng)變的計算精度,目前還沒有合適的方法來選擇最佳的窗口大小。本文采用數(shù)字圖像位移和有限元數(shù)據(jù)平滑技術(shù),得到了整個邊坡模型的位移場和應(yīng)變場,同時探討了土質(zhì)邊坡的地震破壞機(jī)理。

        1基于有限元數(shù)據(jù)平滑的應(yīng)變計算

        數(shù)字圖像位移測量技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟,采用互相關(guān)圖像匹配技術(shù)獲取位移場后,再用有限元數(shù)據(jù)平滑方法對位移場進(jìn)行處理后,得到應(yīng)變場。

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