離心場(chǎng)中陡傾順層巖質(zhì)邊坡振動(dòng)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

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(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

離心場(chǎng)中陡傾順層巖質(zhì)邊坡振動(dòng)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

張陳羊，巨能攀，李龍起，蔣金陽(yáng),鄧天鑫

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

為解決離心場(chǎng)中陡傾順層巖質(zhì)邊坡振動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了陡傾順層斜坡的離心振動(dòng)臺(tái)模型,通過試驗(yàn)探討了試驗(yàn)儀器設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、動(dòng)力相似關(guān)系、相似材料比選以及傳感器的安裝布置等內(nèi)容，并確定了地震波的加載方案。同時(shí)為了得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果，分析了離心力場(chǎng)中的誤差、傳感器的安裝與誤差問題和邊界效應(yīng)問題，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)誤差方法進(jìn)行比選，并提出了相應(yīng)的減小誤差的方法。研究結(jié)果表明：離心振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)；離心力場(chǎng)中的系統(tǒng)誤差可通過設(shè)計(jì)模型尺寸大小和選擇模擬模型和原型應(yīng)力保持一致的高度來減?。粋鞲衅鳒y(cè)量誤差可采用在傳感器周圍填充滿砂土來減??；多層剪切層鋁合金框架模型箱能夠最大程度減小邊界效應(yīng)的影響。

陡傾順層巖質(zhì)邊坡；離心場(chǎng)；振動(dòng)試驗(yàn)；加速度傳感器；誤差分析

1 研究背景

巖體邊坡的破壞機(jī)理向來是巖土領(lǐng)域探究的熱點(diǎn)，不管是我國(guó)還是世界其他國(guó)家都對(duì)此問題進(jìn)行了深入的探究。地震的發(fā)生具有突發(fā)性以及無法預(yù)知性，加之巖體邊坡破壞同樣具有突發(fā)性的特點(diǎn)，想要在地震發(fā)生時(shí)刻近距離觀察巖體邊坡的動(dòng)力破壞過程基本是不可能的，然而物理模型試驗(yàn)為解決上述問題提供了一種思路。近年來，有學(xué)者對(duì)巖質(zhì)邊坡的地震響應(yīng)及破壞機(jī)理進(jìn)行過地面振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[1-5]，然而這種振動(dòng)臺(tái)無法模擬原型的應(yīng)力條件，而巖土體與土工結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特征與其受到的應(yīng)力條件具有非常緊密的聯(lián)系[6]。土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)能解決這個(gè)問題，它能模擬原型的應(yīng)力條件。通過資料調(diào)研表明，目前還鮮有研究者開展邊坡地震離心模型試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)僅可查到清華大學(xué)于玉貞等[7]和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)李祥龍等[8]進(jìn)行了初步探討，還沒有陡傾順層邊坡離心地震響應(yīng)的文獻(xiàn)見諸報(bào)道。究其原因，主要是離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)資源稀缺，同時(shí)在試驗(yàn)時(shí)可供借鑒的資料較少。此外，采用離心機(jī)開展邊坡地震響應(yīng)分析時(shí)面臨著諸多技術(shù)難題，如邊界條件的處理、動(dòng)力相似關(guān)系設(shè)計(jì)、試驗(yàn)元器件的合理安裝布置以期盡量減小對(duì)于模型的干擾等。

本文以干磨坊滑坡為原型，借助成都理工大學(xué)的電液伺服土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)，研究了陡傾順層巖質(zhì)邊坡的離心振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)并進(jìn)行了相應(yīng)的誤差分析。采用離心機(jī)開展陡傾順層邊坡地震響應(yīng)分析時(shí)面臨的一些關(guān)鍵技術(shù)問題的研究，為深入研究強(qiáng)震作用下陡傾順層邊坡動(dòng)力響應(yīng)特征和失穩(wěn)機(jī)理提供了研究方法的參考和技術(shù)支撐。

2 離心振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)采用的儀器設(shè)備

試驗(yàn)在成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TLJ-500土工離心試驗(yàn)機(jī)(如圖1)上進(jìn)行，該土工離心機(jī)是當(dāng)前中國(guó)容量最大的一臺(tái)。其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：最大容量為500g·t；加速度范圍10～250g；有效半徑4.5 m；有效荷重100g下最大5 t，250g下最大2 t；吊斗容積1.4 m×1.5 m×1.5 m。

圖1 TLJ-500土工離心機(jī)Fig.1 Geotechnical centrifuge TLJ-500

新建成的水平電液伺服振動(dòng)系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)組成(見圖2)。其中機(jī)械系統(tǒng)提供負(fù)載運(yùn)動(dòng)支承及系統(tǒng)平臺(tái)安裝；電氣系統(tǒng)完成模擬輸入加載和控制;液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力；安全系統(tǒng)提供振動(dòng)系統(tǒng)自身及離心機(jī)的安全保護(hù)。振動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)為：模型振動(dòng)時(shí)最大加速度100g；振動(dòng)維數(shù)水平單向振動(dòng)；有效負(fù)載2 000 kg(含模型箱質(zhì)量)；滿載條件下最大振動(dòng)加速度30g；臺(tái)面最大振幅±5 mm；最大連續(xù)振動(dòng)時(shí)間3 s；振動(dòng)頻率范圍20～350 Hz。

圖2 水平電液伺服振動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Horizontal electro hydraulic servo vibration system

試驗(yàn)在自行研制的振動(dòng)臺(tái)模型箱中進(jìn)行(內(nèi)壁總體尺寸為長(zhǎng)×寬×高=100 cm×60 cm×70 cm)，該模型箱采用多層剪切層鋁合金框架堆疊而成，單層框架厚6 cm×6 cm，層間用鉚釘薄鐵片交替連接。試驗(yàn)過程中可通過模型箱側(cè)壁的鉚釘對(duì)鋁合金框架層進(jìn)行約束控制，以模擬不同的地震側(cè)邊界條件，極大地降低了邊界效應(yīng)的作用(見圖3)。

圖3 層狀剪切模型箱Fig.3 Laminar shear model box

2.2 試驗(yàn)原理及相似關(guān)系設(shè)計(jì)

離心振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的試驗(yàn)原理是經(jīng)由高轉(zhuǎn)速的離心機(jī)讓試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞幵谑侵亓?chǎng)(g)n倍的離心加速度(ng)場(chǎng)中，讓模型里面每一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力與原型中一樣，然后在試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖旅媸┘拥卣鸩ɑ蛘咂渌駝?dòng)荷載，經(jīng)由試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、照相觀察以及監(jiān)控設(shè)施對(duì)具體的情況進(jìn)行記錄，直觀地觀察動(dòng)力荷載作用下試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母鞣N變化，從而還原土體與土工結(jié)構(gòu)物在原本的應(yīng)力條件下的動(dòng)力響應(yīng)和破壞機(jī)理等[9]。

相似模擬試驗(yàn)是基于相似理論而建立模型與原型之間的相似關(guān)系，進(jìn)而確保模型試驗(yàn)里產(chǎn)生的物理現(xiàn)象和原型相似。試驗(yàn)采用的離心最大加速度為100g，采用模型基本控制量為幾何比尺Cl=1/100，材料彈性模量相似比CE=1/1，材料密度相似比Cρ=1/1。根據(jù)離心振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)原理和基本相似理論，推出模型試驗(yàn)的主要相似常數(shù)見表1。

表1 動(dòng)力離心模型試驗(yàn)主要相似常數(shù)Table 1 Principal similarity constants in dynamiccentrifuge model test

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)擬采用TLJ-500土工離心機(jī)開展非均質(zhì)陡傾層狀巖質(zhì)邊坡的地震響應(yīng)及破壞機(jī)理研究，重點(diǎn)研究不同坡體結(jié)構(gòu)對(duì)于地震波傳播及坡體穩(wěn)定的影響。同時(shí)考慮到硬巖邊坡對(duì)于地震波的響應(yīng)更為敏感，設(shè)置了一組相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鳛閷?duì)比工況。模型的研究工況和在模型箱中的剖面布置如表2和圖4(a)所示，模型箱中2個(gè)模型的平面布置見圖4(b)。

表2 動(dòng)力離心模型試驗(yàn)研究工況Table 2 Dynamic centrifuge model test conditions

圖4 模型布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of model layout

以M1為例對(duì)模型進(jìn)行介紹，如圖4中(a)和(b)所示。模型總高65 cm，其中斜坡高度為60 cm，下伏基礎(chǔ)墊層厚5 cm，為方便砌筑邊坡模型，模型后緣底部有一個(gè)底座。模型底面長(zhǎng)度約為62 cm，頂部寬約為27 cm。模型箱中并排對(duì)稱設(shè)置2個(gè)模型，每個(gè)模型寬30 cm，每個(gè)模型兩邊邊界采用光滑透明的有機(jī)玻璃板隔開。

2.4 相似材料設(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)中用到的巖體主要包括硬巖和軟巖2種，其中前者主要包括灰?guī)r、砂礫巖、碳酸鹽等，后者主要包括頁(yè)巖、千枚巖和砂板巖等。結(jié)合西南山區(qū)典型巖性的地質(zhì)普查資料和工程地質(zhì)手冊(cè)，選取寒武系薄層硅質(zhì)板巖夾硅質(zhì)巖作為硬巖材料，選取千枚巖作為軟巖材料。參照以前的模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選用石英砂、重晶石粉、水泥、石膏以及水作為原材料。每種原材料的基本特征如表3所示。

表3 原材料名稱及性能Table 3 Properties of raw materials

根據(jù)前人的研究成果，結(jié)合本次模型試驗(yàn)所擬定的相似關(guān)系設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，一共做了25組試驗(yàn)，最終確定了試驗(yàn)所需的硬巖和軟巖的相似材料配比。硬巖的配比為石英砂∶重晶石粉∶水泥∶石膏∶水=8∶20∶4∶4∶9，軟巖的配比為石英砂∶重晶石粉∶石膏∶水=4∶4∶4∶3。模型材料主要物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 模型材料主要物理力學(xué)參數(shù)Table 4 Main physical and mechanical parametersof model materials

2.5 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

為了使陡傾順層斜坡的離心振動(dòng)試驗(yàn)取得成功，需在斜坡上選擇合理位置布置傳感器來獲得數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中所有的傳感器都安置在每個(gè)模型中央的縱剖面上，這是為了減小橫向兩側(cè)邊界的影響。為了記錄模型在試驗(yàn)過程中的破壞現(xiàn)象，試驗(yàn)之前在模型箱上安裝2個(gè)高速攝像機(jī)。

斜坡不同位置處一共布置了8個(gè)加速度傳感器，在坡面上從坡腳至坡頂均勻布置。在坡體里面，同樣均勻分布著一些加速度傳感器；振動(dòng)臺(tái)面上也安裝了1個(gè)加速度傳感器，用于監(jiān)測(cè)臺(tái)面實(shí)際輸入的地震波狀況；因?yàn)橥翂毫Σ⒎窃囼?yàn)關(guān)鍵的觀察對(duì)象，所以僅僅布置了2個(gè)土壓力傳感器。它的作用是測(cè)量坡體在破壞之前坡體重要部位的應(yīng)力狀況，進(jìn)而研究坡體的一些前期變化規(guī)律。為了觀測(cè)斜坡在試驗(yàn)中的破壞情況，在模型箱頂部和模型箱中斜坡正面分別安裝1個(gè)高速攝像機(jī)。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

圖5 模型測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of measurement points in model test

2.6 地震波加載方案

試驗(yàn)旨在研究強(qiáng)震作用下陡傾順層斜坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，故對(duì)地震波采用臥龍地震臺(tái)實(shí)測(cè)的“5·12”汶川地震天然波作為參考，截取20～100 s的區(qū)段作為輸入波(如圖6所示)。為了研究不同地震加速度幅值情況下坡體的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，試驗(yàn)準(zhǔn)備對(duì)模型按照由小到大的順序施加不同峰值的加速度外荷載。

圖6 四川臥龍臺(tái)加速度記錄曲線Fig.6 Record of acceleration curve of Wolong station in Sichuan

試驗(yàn)在全部激振未開始時(shí)，以及之后的不同時(shí)期都有施加白噪音掃描，以測(cè)量模型在激振以前以及之后的動(dòng)力特征和它的變化情況。常規(guī)振動(dòng)臺(tái)和離心振動(dòng)臺(tái)的地震波加載是不同的，離心振動(dòng)臺(tái)的地震波加載需經(jīng)過動(dòng)力相似系數(shù)換算。初步擬定第1步將離心機(jī)加速度設(shè)為50g，待離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，依次加載峰值為5g和峰值為7g的天然波，單次地震波加載時(shí)間為1.2 s;第2步將離心機(jī)加速度設(shè)為100g，待離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，依次加載峰值為10，15，20，25g的天然波(如未破壞，繼續(xù)加載25g天然波2次)，單次地震波加載時(shí)間為0.6 s。每級(jí)加載施加完成后觀測(cè)3 min并記錄模型的變形情況，然后再施加下一級(jí)加載(試驗(yàn)過程中在控制室內(nèi)大屏幕上觀察到顯著的裂縫或破壞現(xiàn)象即可停止加載)。由于離心機(jī)的固有頻率及加載范圍的限制，臺(tái)面實(shí)際測(cè)量的地震波和系統(tǒng)輸入的可能不完全相同，試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)以臺(tái)面實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2.7 模型制作及試驗(yàn)步驟

為了真實(shí)模擬陡傾順層巖質(zhì)邊坡，按照設(shè)計(jì)好的模型尺寸，提前制作長(zhǎng)×寬×高為9 cm×9 cm×2 cm的硬巖和軟巖試塊，在模型制作時(shí)采用試塊直接砌筑。在試驗(yàn)前專門制作了可方便澆筑和拆除的模具來制作試驗(yàn)所需的試塊。模具中的材料需靜置5～8 h方可脫模，隨后把制好的試塊放在干燥、通風(fēng)的地方儲(chǔ)存1～2個(gè)月時(shí)間，待試塊強(qiáng)度達(dá)到所需強(qiáng)度后，集中堆疊在一起，供模型制作時(shí)使用，如圖7所示。

圖7 制作模型的試塊Fig.7 Test blocks for the model

離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的模型制作是一項(xiàng)非常重要的工作，它的制作工藝關(guān)系到試驗(yàn)的成敗。為了保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到設(shè)計(jì)要求，在試驗(yàn)之前做了多次預(yù)制模型試驗(yàn)來調(diào)整制作工藝。具體的模型制作及注意事項(xiàng)主要包括以下幾點(diǎn)。

(1) 邊坡基礎(chǔ)墊層和基座的澆筑：采用試驗(yàn)用的硬巖的相似材料配合比澆筑一定厚度的基礎(chǔ)墊層和與巖層傾角相同的模型基座。

(2) 模型砌筑：從模型基座開始，根據(jù)傳感器布置圖分層砌筑模型，砌筑時(shí)砌塊之間要交錯(cuò)堆砌。

(3) 層間粘接：每砌筑一層巖層后，都要鋪設(shè)層間粘接材料。層間粘接材料采用石英砂、重晶石粉、石膏和水按一定比例現(xiàn)場(chǎng)配置。

(4) 布設(shè)傳感器：分層砌筑模型的過程中，需要根據(jù)傳感器布置圖安裝傳感器并且對(duì)導(dǎo)線施加保護(hù)裝置并且讓其固定不動(dòng)。

3 離心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)誤差分析

通過以上對(duì)陡傾順層斜坡離心振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，開展了離心振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。在進(jìn)行試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，這些問題會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的誤差，比如2個(gè)模型在離心力場(chǎng)中的相互影響、巖質(zhì)邊坡中傳感器測(cè)量不準(zhǔn)確以及邊界效應(yīng)等。為了得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)這些誤差進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的減小誤差的方法。

3.1 離心力場(chǎng)引起的誤差

離心模型試驗(yàn)是通過離心慣性力和重力等效的理論讓模型的應(yīng)力大小和原型的一樣，然而離心力場(chǎng)和重力場(chǎng)還是不一樣的，繼而造成模型試驗(yàn)的近似性。離心機(jī)在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，實(shí)際上模型受到離心力和重力的共同作用，其中每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的加速度都是離心加速度以及重力加速度的矢量和。比如模型中某個(gè)質(zhì)點(diǎn)m，其半徑為r，角速度為ω，那么其加速度為am=ω2r，則合加速度為

(1)

如果ω和r都比較大，那么ω2r比g大很多，則合加速度能夠近似表示為

a≈ω2r。

(2)

所以模型中不同高度處的離心加速度不同，其隨著旋轉(zhuǎn)半徑的改變而改變。

在高度為H的模型中，模型的頂面與模型底面的加速度誤差為ω2H。如果讓模型底面的應(yīng)力水平和原型的一樣，那么頂部的應(yīng)力水平就應(yīng)該比原型的?。环催^來，如果想要保證頂面的應(yīng)力水平和原型的一樣，那么底面的應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力誤差[9]。陳叢新[10]認(rèn)為選取邊坡模型高度3/4處的應(yīng)力與原型一致時(shí)，離心力分布不均勻引起的誤差為0。Schofield等[11]表示，如果模型的高度H<0.1r，那么離心加速度的誤差不超過5%，應(yīng)力誤差不超過2%。饒錫保[12]認(rèn)為選取模型高度2/3處的應(yīng)力與原型一致時(shí)，模型和原型的應(yīng)力誤差最小，誤差為

(3)

對(duì)于有效半徑為4.5 m的離心機(jī)，模型總高度為65 cm，則Er<3%。

在離心力場(chǎng)里面除了具有和原型重力加速度等效的離心加速度之外，還有一種叫做科里奧加速度ac。這種加速度實(shí)際上是參照系選擇不同而產(chǎn)生，它的存在也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，其與合加速度比值大小為

(4)

由式(4)可知，當(dāng)ω和r越大，誤差就越小，因此通常在試驗(yàn)里引起較大誤差的可能性小。試驗(yàn)中，為了避免模型箱中的2個(gè)模型受到科氏效應(yīng)而產(chǎn)生相互影響，采用光滑透明的有機(jī)玻璃板將2個(gè)模型隔開。

3.2 傳感器誤差

對(duì)于傳感器而言，產(chǎn)生誤差的主要原因是傳感器的自身誤差和試驗(yàn)測(cè)量過程中的不準(zhǔn)確性。為防止傳感器的自身誤差，提升其測(cè)量準(zhǔn)確度，應(yīng)選用不會(huì)受到離心力場(chǎng)影響的傳感器。

對(duì)于測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差，是因?yàn)閹r質(zhì)邊坡與砂土質(zhì)邊坡不同，巖質(zhì)邊坡破壞后會(huì)在巖層中產(chǎn)生節(jié)理裂隙或者沿層面滑動(dòng)，可能使傳感器接觸不良或者處于臨空狀態(tài)，從而導(dǎo)致傳感器測(cè)量誤差。為此，筆者做了一個(gè)先期試驗(yàn)來評(píng)價(jià)由此帶來的誤差并提出了減小誤差的方法。采用2個(gè)邊長(zhǎng)約20 cm的正方體紙箱作為小型模型箱，分別在2個(gè)紙箱中堆砌試塊和放入砂土，在試塊中和砂土中分別安裝2個(gè)加速度傳感器，一起固定在振動(dòng)臺(tái)上。然后在20g的離心加速度下振動(dòng)，采集傳感器的數(shù)據(jù)。

由采集到的數(shù)據(jù)可知，安裝在砂土中的傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)正常，而安裝在試塊中的傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)微弱。由此可知，對(duì)于在巖質(zhì)邊坡中安裝傳感器，測(cè)量數(shù)據(jù)可能存在誤差。分析其原因，砂土邊坡在振動(dòng)過程中，即使邊坡破壞產(chǎn)生了位移等現(xiàn)象，傳感器周圍依然填滿了砂土，傳感器依然能采集到數(shù)據(jù)；而巖質(zhì)邊坡中，傳感器可能就會(huì)因?yàn)檫吰抡駝?dòng)破壞產(chǎn)生接觸不良，導(dǎo)致傳感器測(cè)量誤差。由此啟發(fā)，試驗(yàn)采用較薄的有機(jī)玻璃板制成與試塊尺寸一樣的盒子，將傳感器探頭粘貼在與探頭同樣大小的角鋁上，安裝固定在盒子中，周圍填充滿砂土，以此方法來減小誤差。

加速度傳感器在放置時(shí)確保其測(cè)量方向和地震波的振動(dòng)方向一樣就不會(huì)出現(xiàn)誤差。

3.3 邊界效應(yīng)誤差

邊坡是個(gè)半無限體，理論上沒有界限，然而離心模型試驗(yàn)中把模型放置在有范圍的模型箱里面,模型承受來自箱壁摩擦阻力的作用，可能會(huì)導(dǎo)致邊界受力條件以及變形條件的變化，假若這種作用對(duì)試驗(yàn)的最終結(jié)果產(chǎn)生了影響，那么模型所展現(xiàn)的情況和原型就存在一定的誤差[13]。試驗(yàn)中將模型兩邊提前留出適當(dāng)?shù)木嚯x，同時(shí)采用光滑的有機(jī)玻璃板隔開，并在有機(jī)玻璃板上涂抹潤(rùn)滑油，以最大程度上減小側(cè)摩阻力的影響。

地面振動(dòng)臺(tái)一般采用固壁式模型箱，在模型箱內(nèi)襯采用較厚的柔性材料來減小邊界效應(yīng)，但此方法并不適用于離心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。Schofield和Zeng[14]總結(jié)了離心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)理想模型箱應(yīng)該具備的條件：

(1) 振動(dòng)時(shí)不對(duì)剪切波或者剪切應(yīng)力的傳遞產(chǎn)生影響，盡可能讓水平剪切的剛度為0，不對(duì)土的變形產(chǎn)生作用。

(2) 振動(dòng)時(shí)模型箱水平斷面的尺寸應(yīng)保持不變。

(3) 模型箱側(cè)壁具有較高的剛度。

(4) 盡可能減輕模型箱壁的重量，進(jìn)而降低邊界側(cè)向的動(dòng)土壓力。

振動(dòng)過程中地震波在模型箱側(cè)壁的反射作用將會(huì)給試驗(yàn)結(jié)果帶來一定的誤差，將模型箱沿振動(dòng)方向的側(cè)壁設(shè)計(jì)成柔性可以減小此誤差。成都理工大學(xué)自主研發(fā)的多層剪切層鋁合金框架模型箱能夠符合上述條件，其能夠自由地產(chǎn)生沿著振動(dòng)方向的水平剪切變形，對(duì)巖土體的剪切變形的限制很小，模型箱的阻尼不足以對(duì)模型動(dòng)力響應(yīng)造成不好的影響，模擬得到的結(jié)果可信度比較高。所以試驗(yàn)使用這種模型箱能夠盡可能地消除邊界條件的影響。

4 結(jié) 論

土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)是研究振動(dòng)問題比較先進(jìn)和有效的技術(shù)手段。本文對(duì)離心場(chǎng)中陡傾順層巖質(zhì)邊坡振動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，得出了如下結(jié)論。

(1) 土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)能用于巖土工程的地震問題研究，它能模擬原型的應(yīng)力情況，對(duì)于研究巖土工程的地震問題可優(yōu)先選用此方法。

(2) 離心振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)要選用合適的動(dòng)力相似關(guān)系和相似材料。

(3) 離心力場(chǎng)中的誤差主要都是系統(tǒng)誤差，可通過設(shè)計(jì)模型尺寸大小和選擇模擬模型和原型應(yīng)力保持一致的高度來減小誤差。

(4) 巖質(zhì)邊坡中安裝傳感器會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，采用較薄的有機(jī)玻璃板制成與試塊尺寸一樣的盒子，將傳感器探頭粘貼在與探頭同樣大小的角鋁上，安裝固定在盒子中，周圍填充滿砂土來減小此誤差。

(5) 多層剪切層鋁合金框架模型箱能夠自由地產(chǎn)生沿著振動(dòng)方向的水平剪切變形，對(duì)巖土體的剪切變形的限制很小，模型箱的阻尼不足以對(duì)模型動(dòng)力響應(yīng)造成不好的影響，模擬得到的結(jié)果可信度比較高。

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(編輯：陳 敏)

Key Technologies of the Vibration Test of SteepBedding Rock Slope in Centrifugal Field

ZHANG Chen-yang，JU Neng-pan，LI Long-qi，JIANG Jin-yang，DENG Tian-xin
(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection， Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

Through the design of centrifugal vibration table model test of steep dip bedding rock slope, the key technical parameters of test apparatus, the dynamic similarity relations, the selection of similar materials and the installation and arrangement of sensors are discussed. The loading scheme of seismic wave is also determined. Moreover, through analyzing the errors in centrifugal field and sensors installation as well as boundary conditions, corresponding measures of reducing the errors are put forward based on comparison with previous experiences. Results suggest that centrifugal shaker table test should be designed rationally; system error in the centrifugal force field could be diminished as the model size and stress are consistent with those of the prototype; error of sensors could be reduced by filling sand around sensors; aluminum-alloy frame model box with multiple shear layers could reduce boundary effect to the largest extent.

steep bedding rock slope; centrifugal field; vibration test; acceleration sensor; error analysis

2016-05-29；

：2016-07-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372306，41502299)；四川省教育廳科研項(xiàng)目(16ZB0105)

張陳羊(1991-)，男，四川成都人，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究，(電話)18583272717(電子信箱)410680714@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160537

2017,34(9):104-109

TU45

：A

：1001-5485(2017)09-0104-06