地震荷载下预应力锚固边坡离心振动模型试验研究

预应力锚索作为边坡支护的重要技术,已经在边坡加固中得到了广泛应用,但锚固岩质边坡在地震荷载作用下的响应机制以及锚索受力变形规律还不明确。为此,开展了预应力锚固边坡离心振动模型试验,系统介绍了模型相似设计、模型设计与制作、地震荷载施加等试验关键技术,并以紫坪铺水库泄洪洞进口岩质边坡为原型,开展了简谐地震波作用下的锚固边坡离心模型试验。对试验结果进行了分析,并对该离心振动试验的主要影响因素进行了探讨。研究结果表明:地震作用下预应力锚索发挥了较强的被动支护作用,且越靠近滑面处应力应变响应越明显;边坡竖向位移与应力应变值的响应情况随地震烈度的改变产生明显变化。研究成果可为今后离心振动模型试验的开展提供参考与借鉴。

软黏土中含桩地下结构地震响应离心试验模拟

针对大空间含桩地下结构(如地下车行系统)在地震作用下的动力响应特性以及场地震陷、结构上浮等危害展开离心振动台试验。试验采用饱和软黏土作为地基土,设计了自由场、整体浅埋地下结构以及等效单元浅埋地下结构3种试验情况,利用层状剪切箱消除边界反射效应,在50g的离心加速度下开展水平地震试验。试验结果表明,不同结构在地震过程中会产生自振在特定的频率区段放大响应,在整体质量、静态浮力及转动惯量等效的前提下,整体结构相对单元结构形式能够降低地震作用下结构的自振效应,且整体结构具有更好地震后抗浮性能。

离心机振动台模型试验验证的珊瑚礁砂液化判别方法研究

工程现场珊瑚礁砂场地主要以珊瑚砂、砾组成的宽级配珊瑚礁砂,其砾粒含量分布从20%~90%,其液化特性与普通石英砂有较大区别,如仍采用现行液化判别方法评估珊瑚礁砂场地液化潜势,则容易导致工程场地的抗液化处理设计不经济或无法满足要求。以中国南海岛礁和东帝汶珊瑚礁砂为研究对象开展了原级配大动三轴试验分析,建立了基于抗液化强度(cyclic resistance ratios,简称CRR)与相对密实度Dr关系液化判别方法,并通过离心机振动试验进行对比分析。结果表明,当采取相同地震动工况时,由动三轴试验产生的超孔压比相比模型试验超孔压比大;当持时增加到30周时(对应震级8级),土体液化深度达20m,有效证明了珊瑚礁砂场地遭遇强地震动时具有液化潜在风险。此外,通过液化判别计算,验证了基于CRR-Dr关系的液化判别方法准确率达82.5%,且判别不一致工况的判别结果偏保守,进一步验证了此方法可应用于工程抗液化设计。

软土地基深水桩基桥墩的离心机振动台试验研究

以往的研究表明桩-土相互作用和水-桥墩相互作用均会显著影响桥墩的地震响应。该文通过离心机振动台试验研究了同时考虑桩-土相互作用和水-桥墩相互作用的桩基桥墩地震响应特征,以1∶50为比例缩尺设计了试验桩基桥墩模型,模型安装在层状剪切箱中,土层为200mm厚度软土,土层上部的水深为300mm。试验考虑了小震、中震和大震三种强度地震激励,获得了模型的位移、弯矩、动土压力和动水压力试验数据。通过试验结果分析表明,桥墩的位移增长率随地震强度的增大而减小;桥墩和桩基的最大弯矩分别在墩底和桩顶位置,且桥墩水下部分沿墩身的弯矩增长率明显大于水上部分;动土压力在桩中和桩底较大,在桩顶较小;动水压力在桥墩上部变化较小,在桥墩底部和承台明显增大。

强震作用下陡倾顺层斜坡倾倒变形机制离心振动台试验

陡倾顺层斜坡在静力条件下的稳定性一般较好,但是在"5.12"汶川地震中该类型斜坡却发生了大量的失稳破坏现象,通过现场调查在陡倾软硬相间顺层斜坡中发现了一类特殊的动力变形破坏模式——倾倒变形。在已有认识基础上,以四川汶川县水磨沟陡倾软硬相间顺层斜坡在强震作用下的失稳案例为基础,通过离心振动台试验研究该类型斜坡在强震作用下的倾倒变形机制和动力响应规律特性。研究表明:在斜坡表面,随着高程的增加,加速度放大系数总体表现出先增大、后减小、再增大的节律性变化,在坡高1/3处和坡肩部位动力响应呈现两个峰值。在同一水平高度下,越靠近坡表,加速度放大系数越大,即斜坡岩土体临空面效应较为显著。通过试验揭示该类斜坡失稳机制为:在强震荷载反复作用下,软岩和硬岩产生差异剪切破坏,岩土体沿优势层面下滑受阻,坡脚附近岩土体弯曲隆起,斜坡深层潜在滑面未完全贯通,坡肩震裂松弛岩体在地震的巨大水平惯性力下,向临空面作悬臂梁弯曲倾倒,整个斜坡发生拉裂滑移-下部弯曲-上部倾倒式失稳破坏。

强震区隧道洞口段边坡动力响应特征离心振动台试验

强震后隧道震害调查表明,隧道洞口段的震害破坏尤其严重,需进一步加强隧道洞口段边坡动力响应方面的研究。以汶川地震灾区典型隧道洞口边坡为例,通过大型离心振动台试验,研究隧道洞口段边坡在强震作用下的动力响应特征及规律。试验研究表明:(1)在边坡坡面和坡内的加速度放大均具有显著的高程效应;隧道拱顶的加速度放大系数大于隧道其他部位;越靠近隧道洞口的加速度放大效应越明显。(2)不同振幅下坡体的加速度放大效应均十分显著,并且低振幅下的加速度响应大于高振幅下的加速度响应。(3)在维持0.25g振动加速度下不同离心荷载等级下的坡体加速度放大系数均大于2.0;但随着离心荷载的增大,加速度放大系数增长很小。(4)随着边坡高程的增大,动土压力总体呈线性降低,在相对高程为0.48时(即隧道拱顶),其动土压力响应系数最大。研究成果能为强震区隧道洞口段的抗减震设计和相关研究提供借鉴。

筒型基础–砂土地基动力响应的离心振动台试验研究

抗震规范要求对地震烈度大于Ⅷ度地区15 m以内的土层进行砂土液化判断。新型海上风电筒型基础入土深度较浅,对地震作用下砂土地基的液化较为敏感。为研究砂土中新型筒型基础与地基的地震响应规律,设计并开展了系列离心机振动台试验,监测了砂土中新型筒型基础与地基在震中和震后的加速度变化和孔压响应,分析了筒型基础影响砂土地基抗液化性能的规律性。结果表明:地震荷载作用下,砂土地基中筒型基础加速度响应系数大于1.0,且响应系数与基础重量呈正相关关系;新型筒型基础因其直径通常大于30m,质量大于2000 t,与上部荷载的联合作用显著增加了地基中的附加应力,有利于提高砂土地基的抗液化能力;基于超静孔压比建立了筒型基础影响区域地基抗液化性能的判别方法,定量分析筒型基础提高砂土抗液化能力的程度。

基于离心机振动台模型试验的面板堆石坝地震响应研究

本文开展了竣工期、蓄水期面板堆石坝地震响应的一系列离心机振动台模型试验,重点探究了地震过程中面板应力的演进规律及破坏模式。试验结果表明,面板应力的演进规律与其地震动历史有关。当作用于坝体的地震动峰值或Arias强度高于其所经历的地震动时,无论在竣工期还是蓄水期,面板外表面压应力增量随时间逐渐增大,而内表面拉应力增量逐渐发展;当作用于坝体的地震动峰值与其经历的最大地震动相比较弱时,面板应力总体趋势的变化主要体现在内表面拉应力增量的发展,而其外表面压应力增量的发展较为微弱。另外,同一高程处的面板应力响应随地震动峰值或Arias强度而增大,与地震动峰值或Arias强度对堆石区变形的影响相一致。地震过程中坝坡破坏模式以浅层滑动为主。研究成果将为完善面板堆石坝的抗震设计、优化抗震加固措施提供一定的理论基础与技术支撑。

土石坝高聚物防渗墙离心机振动台模型试验研究

为研究高聚物防渗墙的抗震性能,开展了土石坝高聚物防渗墙和混凝土防渗墙离心机振动台模型试验研究。在调幅分别为0.2g和0.4g El-Centro地震波输入条件下,通过对墙体动应力、超孔隙水压力、动土压力、坝体加速度、坝顶沉降等数据的采集分析以及试验后的开挖验证,结果发现:强震下高聚物防渗墙的动应力远小于混凝土防渗墙,与坝体加速度响应较为一致,但对动力的传递作用使得下游坝坡承受较大的水平土压力作用。研究表明高聚物防渗墙具有较好的变形协调性及良好的抗震性能,但选用高聚物防渗墙的土石坝应注意下游坝坡的加固处理。

上覆土竖向惯性力对浅埋地下框架结构地震损伤反应影响离心机振动台模型试验研究

已有研究表明不同轴压比下中柱侧向变形能力是影响浅埋框架地铁车站结构抗震性能的关键因素。为了研究由竖向地震作用引起的柱轴压比增高对浅埋地下框架结构的地震损伤反应的影响,采取在结构上覆土中掺入钢砂的方式体现上覆土的竖向惯性力作用,开展地下结构地震破坏离心机振动台模型试验研究。试验结果表明:结构上覆土体掺钢砂的方式对土-结构体系的动力特性、地震作用下地下结构顶、底板水平相对位移反应影响不大;增加上覆土竖向惯性力较大地改变了围岩土体与地下结构的接触压力分布形式,进而改变结构各构件的内力状态,使得框架结构中的关键竖向承力柱的轴压比升高;增加上覆土竖向惯性力导致地下结构框架受力及中柱轴压比增高的后果使得地下框架结构更易发生地震破坏。

阿尔塔什面板坝抗震措施离心机振动台试验研究

采用离心机振动台模型试验技术,研究了不同抗震措施和不同地震加速度时新疆阿尔塔什面板坝的地震反应、地震变形和极限抗震能力。覆盖层加速度放大系数为1.0左右,坝体中加速度放大系数明显增大且越往坝顶就越大。随着基岩输入地震加速度的增加,坝体地震加速度放大系数呈减小趋势,坝顶沉降和坝顶沉陷率增大。抗震措施可以有效减小坝顶地震沉降和提高坝坡稳定性。地震引起坝坡变形主要是堆石料滚落、浅层滑坡和局部塌陷,且地震加速度越大,坝坡变形越剧烈,滑塌位置越低。在峰值加速度320.6 gal地震条件下,坝顶加速度放大系数约为2.6～2.8,坝顶沉降约为290～330 mm,沉陷率为0.18%～0.20%。大坝的极限抗震能力在无抗震措施时为0.45 g,3层钢筋网加固时为0.55 g,2层钢筋网加固时为0.50 g。试验结果验证了阿尔塔什面板坝抗震工程措施的有效性。

变均方根随机振动‒变加速度离心复合试验

为在地面试验中更真实地模拟再入飞行过载、振动力学环境的时变特性和复合特性,以再入飞行器子系统为对象,开展变均方根随机振动‒变加速度离心复合试验研究。设定试验条件时,对预示弹道过载数据进行平滑和重采样,得到变加速度离心试验条件;对实测振动数据频谱进行归一化和频谱加权融合,得到变均方根随机振动试验条件。复合试验结果表明,给出的试验条件控制可行,实现了再入飞行振动历程和过载历程的同时模拟。

振动离心复合环境试验下的结构响应分析

振动离心复合环境试验时,被试结构不但承受径向振动应力和离心力,还会在科氏力的作用下产生切向振动应力。在切向与径向动特性耦合情况下,被试结构在振动离心复合环境下会出现较明显的切向响应,进而形成两个正交方向高度相关的振动环境,暴露结构的潜在隐患。理论推导了被试结构的切向响应解析解,分析动特性耦合程度对径向与切向响应的影响,并通过仿真计算获得了角速度和结构动特性对结构响应的变化规律。

覆水砂土场地中桥梁群桩基础地震响应离心试验研究

为探究覆水饱和砂土场地中土-群桩基础-桥梁结构体系动力相互作用规律,自主设计并制作了直(斜)群桩基础-桥梁结构物理相似模型,开展了不同地震动强度和不同特性地震波输入下的离心机振动台试验,分析了群桩基础-桥梁结构动力特性指标,探究了覆水饱和砂土地基超孔隙水压力发展规律和桩-土相互作用动力响应特性。研究结果表明:覆水的存在对地基土-桥梁结构体系的基本周期和阻尼影响很小,但会导致直群桩基础桥梁结构的振动幅值增加20%,而斜群桩基础桥梁结构的振动幅值降低10%;斜群桩基础模型阻尼比是直群桩基础模型的2倍。上覆水导致饱和砂土地基由受低频振动液化深度更大变为受高频振动地基液化深度更大,同时导致小震作用下促进超孔隙水压力发展,而大震作用下则反之。上覆水会增大桥梁上部结构的动力响应和桩身弯矩。上述研究结果可为覆水场地中桥梁工程抗震设计提供关键参考依据。

锚索抗滑桩的离心振动台模型试验设计

本文以汉源背后山滑坡为依托(采用锚索抗滑桩加固),共设计了无加固基准边坡和锚索抗滑桩单、排桩加固边坡三组离心振动台试验,旨在研究在地震作用下,抗滑桩桩前、桩后动接触应力分布规律和锚索拉力变化情况。本文详细介绍了该离心振动台试验的设计过程,包括模型相似关系设计、试验设备装置的选用、模型材料的选取、边坡模型的制备、加载方案设计、传感器的布置和试验方案的确定及试验前各项准备工作。本文所介绍的模型设计思路、制作过程及试验方案的确定,对今后的相关试验工作具有一定的参考作用和指导意义。

基于离心机振动台试验的梯形河谷场地地震动效应研究

研究河谷场地地震效应对场地选址和抗震设计具有重要的指导意义。基于离心机振动台试验分析,研究了梯形河谷场地地震动响应规律。结果表明:基岩河谷场地对地震动有一定的放大效应,放大效应随着地形的变化而变化,但放大效应不显著,场地不同位置对反应谱的影响较小;基岩-土模型基岩面地震动放大倍数明显增大,不同输入地震动情况下放大倍数不同,各个场点对频段为0.5~2.5 s的地震动有明显的放大作用,对地震动放大频域范围明显加大,这与纯基岩场地的有明显的不同,虽然各个场点的反应谱形状有一定的差别,但是反应谱的平台值和特征周期相差不大;由于河谷场地地形效应,河谷场地地表峰值加速度随着地形的变化放大倍数随之变化,阶地级数越高放大倍数越大,谷底放大倍数最小,随着输入地震动强度的增加,阶地级数越高反应谱的平台值越高,特征周期越大。

基于离心机振动台试验的地震液化中砂土细观结构的演化机理分析

已有研究表明地震液化历史是影响砂土抗液化能力的重要因素,相关研究学者认为这种影响的内在机理是砂土颗粒在前次地震液化后形成了稳定或者不稳定的细观结构,但是目前针对地震液化全过程中砂土细观结构演化行为的直接试验数据还很少。通过离心机振动台试验模拟了一个饱和砂土地基的地震液化现象,在试验过程中测试模型不同埋深处的加速度、孔压以及地表沉降,并基于细观图像获取设备记录了地震液化全过程中砂土细观数字图像。试验结果表明微振动会增加颗粒接触、减小颗粒间孔隙,随着振动强度增加,颗粒重新建立接触,颗粒间孔隙重新分布。受孔隙流体向上渗流作用,颗粒形成偏竖向和偏横向联通的大孔隙,偏竖向大孔隙周围的颗粒在渗流作用下长轴偏向竖直。

基于动力离心试验的锚拉桩加固滑坡时程响应分析

时程响应是发展锚索抗滑桩抗震技术和改进抗震设计方法的基础。基于离心模型试验平台,设计完成了50g离心加速度条件下锚索抗滑桩加固滑坡体的振动台模型试验。输入了4种不同强度的Taft地震波,利用布设在不同位置的微型传感器,记录了桩身和滑坡体的动态时程数据,并以此为基础分析了桩身和滑坡体不同位置的时程响应规律。结果表明,锚索抗滑桩和坡体的时程响应均受输入地震动控制,其动态变化形式与输入地震动基本一致;峰值加速度在基岩内部变化不大,在坡体内部从外向内呈现先减小后增大的趋势;不同高程的PGA放大系数呈现高程效应,坡面存在浅表动力效应;坡体内部PGA放大系数总体上随输入地震动的增大而增加,但在基岩面附近放大效应不明显;锚索的加设有效降低了坡体内部中心位置的加速度放大效应。研究成果可为开发科学合理的锚索抗滑桩抗震设计方法和验证数值模拟成果提供参考依据。

地震作用下各向异性地基的动力响应--离心机模型试验研究

砂土颗粒之间接触的法向分布和颗粒形状所引起的内在各向异性会对地基的地震响应有明显的影响。为了深入认识砂土内在各向异性对地层动力响应的影响,制作了专门的离心机模型箱以控制砂土的不同沉积方向模拟砂土的内在各向异性,并且通过一系列离心机振动模型试验再现了砂土内在各向异性对砂土动力学特性的影响,包括对地层加速度、位移和超孔隙水压力的影响。研究发现,尤其在饱和情况下,砂土的内在各向异性对砂土的动力学特性影响非常大,沉积方向为90度的砂样模型抗液化能力明显较差,导致较大的沉降。为了更加准确的预测结构物在地震区的动力特性,建议在工程设计中应考虑砂土内在各向异性的影响。

局部冲刷场地桩基桥梁地震响应简化分析及离心振动台验证

冲刷导致桩周土体流失,改变了场地的地震动特性,同时影响了桥梁的抗震性能。为研究局部冲刷下桩基桥梁动力特性及潜在破坏风险,探讨了冲刷场地的地震动特性,给出局部冲刷场地的地震动快速计算方法;并在此基础上提出局部冲刷后桩基桥梁地震分析简化模型,通过振型叠加法计算桥梁的墩底、桩身剪力和最大位移,用以快速评估局部冲刷后桩基桥梁的破坏风险,进而确定临界破坏冲刷深度;为验证模型的正确性,开展了50g重力下桩基桥梁离心振动台试验,桥梁上部结构简化为质量块,基础采用3×3群桩。按照冲刷深度分为3个工况,每个工况下输入白噪声和El-Centro波。研究表明,一般冲刷使得场地周期减小,但局部冲刷对场地周期影响不明显,局部冲刷坑坡角对场地的地震动几乎没有影响;局部冲刷场地与一般冲刷场地的地震动差别较大,但与原场地的地震响应基本相似;桥梁响应最大时的冲刷深度取决于桥梁频率与地震波主要波频的关系。该简化方法计算的桥梁反应与试验结果相近,因此,可用于局部冲刷条件下桥梁的地震反应快速计算、震害风险评估和临界破坏冲刷深度确定。