黄土离心机振动台试验方案

黄土斜坡地震动力响应及液化机制研究的离心机振动台试验方案

1、试验目的

黄土斜坡在下部充分浸水和地震作用条件下，观察坡体不同部位动孔隙水压

力的变化规律，结合坡体的变形破坏特征，研究黄土斜坡的地震动力响应特性，及地震液化对黄土斜坡稳定性的影响。 2、试验准备工作 2.1 试验模型设计

如图1所示，黄土斜坡的离心机振动台试验模型采用单面直线坡，坡角为

60°。模型总高为70cm，其中坡体高度50cm，下伏基础深度20cm。模型底部长为100cm，宽为60cm（未减去防水膜厚度）。

孔隙水压力计剪切模型箱46.9坡形设计浸水面加速度计100.046.924.2剪切模型箱坡顶坡面P2P4P5P3防水膜73.070.0防水膜60°P1A0P210P425.060.0P5P1振动台75.8100.0激振方向24.2X20.0P3激振方向X(a)侧视图(a)俯视图

图1 黄土斜坡概念模型及传感器布置图 （单位：cm）

2.2 试验相似关系设计

本试验模型采用原型材料，材料物理力学参数的相似常数均取值为1.0。离心加速度拟采用20g，即模型与原型加速度的相似系数为20。由此对应的模型与原型几何尺寸的相似系数为1/20。也就是说，本试验模型高度为0.7m，模拟的原型高度为14m。表1还列出了离心机振动台试验涉及其它关键参数的相似系数。

表1 离心机振动台试验相似系数

物理量 相似常数 通用形式 (模型/原型） 本次试验(模型/原型） 1

密度，ρ 弹性模量，E 泊松比，μ 内聚力，c 内摩擦角，φ 应变，ε 应力，σ 几何长度，l 振动时间，t 振动频率，f 位移，u 速度，v 振动加速度，a 重力加速度，g Cρ CE Cμ Cc = CE Cφ Cε= CρCg Cl CE-1 Cσ= CE Cε Cl = CεCE / CρCg Ct = Cρ0.5CE-0.5Cl Cf = Ct-1 Cu= Cl Cε Cv= Cu Ct-1 Ca= Cu Ct-2 Cg 1 1 1 1 1 1 1 1/n 1/n n 1/n 1 n n 1 1 1 1 1 1 1 1/20 1/20 20 1/20 1 20 20

2.3 试验设备及测试系统 （待补充详细）

表2 土工离心机振动台技术参数

性能指标 最大负载 /kg 最大离心加速度 /g 最大振动加速度 /g 最大振动频率 /Hz 最大振幅 /mm 最大振动历时 /s 振动波形 叠层式模型箱尺寸 （长×宽×高） /cm 参数值 2000 100 30 20~350Hz ±5 3 正弦波、任意地震波 100×60×73

2.4 试验材料

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试验模型材料均采用黄土原型材料，取样地点为甘肃省兰州市永靖县盐锅峡镇黑方台黄土地区。材料从现场取回后，在室内做了密度、孔隙比、液限和塑限以及颗粒级配分布试验，结果见表3。依据图1所示的设计模型尺寸，估算模型总质量为672kg。

表3 试验用黄土的物理力学参数

干密度 天然密度土粒相对密度 2.7 孔隙比 0.98 液限 （%） 26.5 塑限 （%） 18.3 >0.075 不同颗粒（mm）分布 （%） 0.075~0.005 0.005~0.002 88.9 11.1 0.002 8.2 （g/cm3） （g/cm3） 1.4 1.54

2.5 模型制备及饱水

斜坡模型采用现场制作，从下到上逐层均匀压实的方式。基本流程如下： （1）在模型箱内壁量好模型几何尺寸，制作一个标尺，以便建模时可以方便地控制每一层装样的高度，同时保证传感器埋设位置的精确度。

（2）将准备好的材料倒入模型箱中，采用压实工具进行人工压实。为保证压实密实度，每层碾压厚度控制在5~10cm。同时为了避免已制作的土层不均匀和传感器位置移动，工作人员尽量不在模型箱内走动。 （3）模型达到设计高度后，削坡至设计坡形。

本试验旨在研究黄土斜坡在饱水条件下的地震动力响应特性。依据黑方台台塬边黄土滑坡的发育特征，长期水力灌溉导致地表水入渗到黄土内部，转而形成地下水从台塬边渗出，以此形成了该部位黄土土层下部充分饱水的特征。因此，在本试验中，依据此特征，将使黄土斜坡下部饱水，设计饱水高度为距离坡底25cm，如图1所示。饱水方式为直接在模型箱内加水，并始终保持水面高于设计饱水高度一定距离。 2.6 传感器类型及布置方案

为了获得饱和黄土斜坡在地震作用下，动孔隙水压力的增长和消散情况，本试验在模型饱水的部位共安装了5个孔隙水压力计，如图1所示。孔隙水压力计采用陕西卫峰核电子有限公司订做的KY1002型号，每只孔隙水压力计的量程为200kPa，头部直径为8mm，精度为±1%F.S.，频响范围为1000Hz以内。在模型内布置传感器时，一方面，在同一水平高程处，从坡表到坡内布置了3个孔压计（P1~P3），以观测坡表和坡内孔压的变化特征。另一方面，在垂直方向上，沿不

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同高程也布置了3个孔压计（P2，P4，P5），以观测坡体高程对孔压响应的影响。此外，在振动台面上布置一个加速度传感器A0，用于校核台面输入的加速度激振波。

2.7 振动输入波及加载方案 2.7.1 输入波设计

本试验对振动台模型的输入波采用加速度时程曲线。在设计输入波时，需要考虑波的振幅、持时和频率特征。

（1）波型的确定：波的类型为随机波。随机波采用1995年日本Kobe地震中JMA实测的加速度记录（采样间隔为0.02s，振动持时约40s）。

（2）振幅的确定：以试验用黄土材料的取样现场黑方台为研究区，该地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为 0.15 g。结合离心机振动台设备的最大振动加速度15g和本试验设计的加速度相似系数20（模型/原型），可以确定本试验在离心加速度为20g的条件下，能够模拟的最大原型加速度为0.75g。因此，本试验拟针对Kobe波的振幅采用1.0g、3.0g、6.0g和10.0g，对应的原型加速度为0.05g、0.15g、0.3g和0.5g。而后根据模型的变形程度，可适当增加激振强度，直至模型出现大变形或破坏。

（3）波的振动频率：结合离心机振动台设备的最大振动频率范围为20~350Hz和本试验设计的频率相似系数20（模型/原型），可以确定本试验在离心加速度为20g的条件下，能够模拟的最大原型振动频率为1~17.5Hz。对Kobe波形，实测NS向主频为1.45Hz，因此，在试验时，将其主频放大至29Hz后进行加载。同时为了研究地震波频率的影响，对kobe波进行了幅值3.0g，时间压缩比分别为20,30,40，50的激震试验，对应的主频放大后依次为29hz\\43.5hz \\58hz\\和72.5hz。

（4）波的振动时间：持时有2.0s\\1.33s\\1s\\0.8s，对应的原型波持时均为40s。 （5）波的激振方向：水平单向X向激振。 2.7.2 加载方案 加载过程如下：

（1）离心机开机时不能启动过快，采用从1g，10g，20g，30g，40g直至50g的逐级加载方式。每一级施加至模型变形稳定后，再施加下一级；

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