張雪東，魏迎奇，張紫濤，梁建輝

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

深厚覆蓋層中地震動(dòng)傳播規(guī)律離心模擬試驗(yàn)研究

張雪東，魏迎奇，張紫濤，梁建輝

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

深厚覆蓋層上高土石壩抗震問(wèn)題一直是土石壩抗震研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，而地震動(dòng)在覆蓋層中傳播規(guī)律研究是其重要組成部分，為揭示地震在覆蓋層中的傳播機(jī)理，本文開(kāi)展了離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分別研究了輸入加速度峰值、土層特性對(duì)于地震動(dòng)在其中傳播規(guī)律的影響。研究發(fā)現(xiàn)，地震動(dòng)經(jīng)覆蓋層傳播后，低頻成分被放大，高頻被抑制，且隨著輸入地震動(dòng)峰值增加，地震動(dòng)加速度峰值放大倍數(shù)逐漸減小，而對(duì)于相同的地震動(dòng)輸入，加速度峰值放大倍數(shù)隨著土體剪切剛度的增加而逐漸變大。

深厚覆蓋層；地震動(dòng)；動(dòng)力離心模型試驗(yàn)；傳播規(guī)律

1 研究背景

高土石壩在強(qiáng)震作用下的抗震安全性，一直是業(yè)界十分關(guān)注的問(wèn)題，特別是“5.12”汶川大地震以來(lái)，對(duì)修建在高地震烈度區(qū)的新建工程與已建工程的大壩抗震安全性受到了越來(lái)越多的重視［1］。我國(guó)在深厚覆蓋層上已經(jīng)建設(shè)了大量的高土石壩，壩型包括土質(zhì)心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩和瀝青混凝土心墻堆石壩等，如小浪底、瀑布溝、長(zhǎng)河壩等［2-5］。目前我國(guó)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以擬靜力法進(jìn)行土石壩動(dòng)力抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算為主，其中如何準(zhǔn)確合理地確定地震慣性荷載沿壩體高程的分布是關(guān)鍵。目前規(guī)范規(guī)定的地震慣性力分布系數(shù)僅適合百米級(jí)坐落在基巖上的土石壩，對(duì)坐落在超深厚覆蓋層上的百米級(jí)土石壩是否適合值得商榷。深厚覆蓋層地基的存在改變了壩體振動(dòng)特性，也會(huì)影響作用于壩體和壩基的加速度響應(yīng)分布，進(jìn)而增加了壩體和壩基的抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算的不確定性。由于缺乏類(lèi)似工程實(shí)例和有關(guān)地震實(shí)測(cè)資料，現(xiàn)有理論分析手段存在局限性和缺乏驗(yàn)證，因此采用物理模型和數(shù)值模擬相結(jié)合是研究上述關(guān)鍵問(wèn)題的有效手段。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是土石壩抗震研究中常用的物理模擬手段，由于巖土材料物理力學(xué)特性與其應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，常規(guī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在揭示土石壩真實(shí)的動(dòng)力反應(yīng)特征和振動(dòng)破壞機(jī)理方面有其局限性。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)際巖土工程界對(duì)采用離心機(jī)研究巖土結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性問(wèn)題產(chǎn)生了極大的興趣，并陸續(xù)開(kāi)展了相關(guān)研究工作［6］，在此背景下，為揭示地震動(dòng)傳播機(jī)理，本文開(kāi)展了動(dòng)力離心模型試驗(yàn)，分別研究了輸入加速度峰值、土層特性對(duì)于地震動(dòng)在其中傳播規(guī)律的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 傳感器布置方案以覆蓋層中具有代表性的粗粒、細(xì)粒土層為原型進(jìn)行縮尺制作水平均質(zhì)土層模型（模型A、B），模型傳感器布置見(jiàn)圖1，每個(gè)模型由下至上布置加速度傳感器A0—A6，測(cè)量模型中不同位置處的振動(dòng)加速度，模型表面中心部位布置激光位移傳感器，用于測(cè)量每一次振動(dòng)過(guò)程中模型的沉降量；模型制作完成后，試驗(yàn)擬采用場(chǎng)地波，分別在30 g、50 g的離心力條件下，采用3種振動(dòng)幅值（0.18 g、0.36 g、0.53 g）進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，研究在不同土層厚度（不同g值）、不同地震動(dòng)幅值條件下的地震動(dòng)傳播規(guī)律。

圖1 覆蓋層中地震波傳播規(guī)律模型布置

2.2 模型制備試驗(yàn)中粗粒土模型（模型A）擬采用M工程覆蓋層第④層中取得的土料縮尺后進(jìn)行模擬，由于除第④層外其它各層取得的土料數(shù)量都十分有限，因此細(xì)粒土模型（模型B）擬以③-3層中的土料為原型進(jìn)行縮尺，使用其它工程中材料性質(zhì)相近的土料配置完成，粗、細(xì)兩種土料的縮尺計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2（因?yàn)閮煞N土中的細(xì)顆粒，即＜5 mm的土粒含量都大于20%，為保障土的工程性質(zhì)不發(fā)生改變，縮尺計(jì)算采用了等量替代法）。

圖2 土層材料縮尺結(jié)果

模型A、B都是飽和地基，飽和流體選用甲基纖維素溶液。模型制樣時(shí)每5 cm為一填筑層，填筑同時(shí)在預(yù)定位置埋入各種傳感器。通過(guò)控制干密度來(lái)制備模型，粗粒土模型的控制干密度為2.21 g/cm3，細(xì)粒土模型的控制干密度為1.75 g/cm3。

2.3 輸入地震動(dòng)試驗(yàn)中場(chǎng)地為均勻飽和場(chǎng)地，初步擬定選擇場(chǎng)地波作為自由場(chǎng)地動(dòng)力試驗(yàn)的激勵(lì)。場(chǎng)地波以三種峰值加速度（0.18 g、0.36 g、0.53 g）在同一個(gè)模型上連續(xù)加載，米林場(chǎng)地波波形（截取81.91s）見(jiàn)圖3。

圖3 地震波時(shí)程

2.4 試驗(yàn)工況本次試驗(yàn)研究包含粗粒土和吸力土兩個(gè)模型，其試驗(yàn)過(guò)程如下：①開(kāi)動(dòng)離心機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)至30 g離心加速度；②監(jiān)控模型表面的沉降變形，當(dāng)其穩(wěn)定后，啟動(dòng)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)施加地震動(dòng)荷載；③施加的地震動(dòng)荷載峰值逐級(jí)增加，目標(biāo)峰值分別為0.18 g、0.36 g和0.53 g；④在施加每一級(jí)地震動(dòng)荷載后，監(jiān)控模型內(nèi)部的孔隙水壓力，在地震引起的超靜孔壓力完全消散后繼續(xù)施加下一級(jí)地震動(dòng)荷載，表1給出了本次研究的所有實(shí)驗(yàn)工況。

表1 試驗(yàn)工況總結(jié)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 加速度結(jié)果初步分析A0—A6是沿模型高度方向自下而上布設(shè)的加速度傳感器，其中A0安裝于模型箱外側(cè)底板的上表面，A1—A6埋置于模型內(nèi)部。在試驗(yàn)過(guò)程中，地震動(dòng)首先傳至模型箱底板，而后通過(guò)模型箱側(cè)壁的水平推動(dòng)力、底板上表面與模型之間的摩擦力傳至模型之中，這說(shuō)明A0與A1測(cè)得的地震動(dòng)差異不僅包括兩者之間土層的影響，還包括底板的摩擦以及模型箱側(cè)壁水平推動(dòng)的影響，導(dǎo)致A0與A1測(cè)量結(jié)果的差異不能真實(shí)反映地震動(dòng)在兩者之間土層的傳播規(guī)律，因此在下文的分析過(guò)程中，地震動(dòng)在土層中的傳播規(guī)律僅通過(guò)分析A1—A6的傳感器測(cè)量結(jié)果得出。本次試驗(yàn)的采樣頻率為5 000 Hz，所有試驗(yàn)曲線(xiàn)為換算為原型尺度結(jié)果的曲線(xiàn)。

3.2 典型試驗(yàn)結(jié)果圖4給出了粗粒土模型在30 g條件下，輸入地震動(dòng)峰值為0.18 g的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，從圖中曲線(xiàn)可以看出，不同傳感器給出的測(cè)量結(jié)果有較好的一致性，且此工況下地震動(dòng)隨著土層升高逐漸放大。由于篇幅所限，其他工況條件下試驗(yàn)結(jié)果在此處就不一一給出。

3.3 輸入地震波振幅對(duì)于動(dòng)力放大系數(shù)的影響圖5分別給出了粗粒土模型和細(xì)粒土模型中，地震動(dòng)由A1所在土層傳播至A6所在土層的加速度放大倍數(shù)；從圖中可以看出，隨著輸入地震動(dòng)幅值逐漸變大，粗粒土模型加速度放大倍數(shù)由小振時(shí)候1.30，變?yōu)閺?qiáng)震條件下的0.78，細(xì)粒土模型加速度放大倍數(shù)由小振時(shí)的0.65，變?yōu)閺?qiáng)震條件下的0.46，這說(shuō)明隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度的增加，地震動(dòng)加速度放大倍數(shù)都會(huì)逐漸減小。從能量角度看，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因如下：在輸入振幅小的條件下，土體處于彈性范圍，能量損失較小，因此對(duì)于輸入地震波能夠起到一定的放大作用，而隨著地震動(dòng)輸入增大，土體出現(xiàn)塑性變形，出現(xiàn)能量耗散，因此地震動(dòng)經(jīng)土層傳播后會(huì)出現(xiàn)衰減的情況。

3.4 地震動(dòng)傳播過(guò)程中反應(yīng)譜的變化規(guī)律從圖中6可以看出，在所有試驗(yàn)中，輸入地震動(dòng)的反應(yīng)譜在經(jīng)過(guò)土層傳播后，地震動(dòng)反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期成分增加，特征周期變大，反應(yīng)譜平臺(tái)值對(duì)應(yīng)的周期范圍增加。說(shuō)明地震動(dòng)在土層中傳播過(guò)程中，低頻（長(zhǎng)周期）的成分被放大，而高頻成分被抑制。

3.5 地震動(dòng)在粗、細(xì)粒土中傳播規(guī)律對(duì)比從圖7中可以看出，當(dāng)輸入的地震動(dòng)峰值接近時(shí)，地震波在粗粒土層中傳播后的加速度放大倍數(shù)大于相同條件下的細(xì)粒土模型。在本次試驗(yàn)中，粗、細(xì)粒土的區(qū)別本質(zhì)上是剪切模量的區(qū)別，即粗粒土的剪切模量明顯大于細(xì)粒土，說(shuō)明對(duì)于相同的地震動(dòng)輸入，地震動(dòng)的放大幅度與其自身的剪切模量正相關(guān)。

4 結(jié)論

圖4 粗粒土模型-30g-目標(biāo)峰值0.18g測(cè)試結(jié)果（左圖：時(shí)程；右圖：反應(yīng)譜）

通過(guò)開(kāi)展模擬覆蓋層中地震動(dòng)傳播規(guī)律的離心模型試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：（1）隨著輸入地震動(dòng)幅值逐漸變大，粗粒土和細(xì)粒土模型的加速度放大倍數(shù)都逐漸減小，這是由于輸入振幅小的條件下，土體處于彈性范圍，能量損失較小，因此對(duì)于輸入地震波能夠起到一定的放大作用，而隨著地震動(dòng)輸入增大，土體出現(xiàn)塑性變形，出現(xiàn)能量耗散，因此地震動(dòng)經(jīng)土層傳播后會(huì)出現(xiàn)衰減的情況。（2）輸入地震動(dòng)的反應(yīng)譜在經(jīng)過(guò)土層傳播后，地震動(dòng)反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期成分增加，特征周期變大，反應(yīng)譜平臺(tái)值對(duì)應(yīng)的周期范圍增加，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)土層的傳播，地震波低頻部分被放大，高頻部分被抑制。（3）當(dāng)輸入的地震動(dòng)峰值接近時(shí)，由于粗粒土模型的剪切剛度大于細(xì)粒土模型，因此地震波在粗粒土層中傳播后的加速度放大倍數(shù)大于相同條件下的細(xì)粒土模型。

圖5 加速度放大倍數(shù)隨輸入地震動(dòng)幅值的變化規(guī)律

圖6 輸入地震動(dòng)和地表地震動(dòng)反應(yīng)譜對(duì)比

圖7 輸入地震動(dòng)振幅相近時(shí)粗、細(xì)粒土加速度放大倍數(shù)對(duì)比

［1］ 趙劍明，劉小生，溫彥鋒，等.紫坪鋪大壩汶川地震震害分析及高土石壩抗震減災(zāi)研究設(shè)想［J］.水力發(fā)電，2009（5）：11-14.

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Abstract：The seismic behavior of high earth rockfill dams built on a deep overburden layer is one of the research hotspots in the field of anti-seismic engineering of those dams.The propagation behavior of seis?mic waves through the overburden layer is the important part of the aforementioned research.In order to ex?amine such a propagation behavior of seismic waves through the overburden layer，a series of dynamic cen?trifuge tests were carried out in this study.The influence of the peak acceleration of the input motion and the soil properties on the propagation behavior of seismic waves was explored.This study indicates that the components of seismic waves with low-frequencies become strengthened while those with high-frequencies become weakened after propagation through the soil.In addition，the amplification factor of the peak accel?eration decreases with increasing the peak acceleration of the input motion.Meanwhile，amplification factor increases with increasing the shear modulus of the soil for the same input motion.

Keywords：deep overburden layer；seismic wave；dynamic centrifuge tests；propagation behavior

（責(zé)任編輯：祁 偉）

Dynamic centrifuge modeling research on the propagation law of earthquake motion

ZHANG Xuedong，WEI Yingqi，ZHANG Zitao，LIANG Jianhui
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

TU4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.005

1672-3031（2017）04-0272-06

2016-06-15

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（GE0145B102017）

張雪東（1980-），男，河北人，博士，高級(jí)工程師，主要從事非飽和土力學(xué)、動(dòng)力離心模型試驗(yàn)研究。E-mail：zxerdo@126.com