悬臂抗滑桩加固边坡地震动力响应模型试验研究_姚爱军

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图 1 工程地质剖面图(单位:m) Fig.1 Engineering geological profile(unit: m)
本试验为定性分析实验,且为了易于分析抗滑 桩的内力变化,选取松木为抗滑桩材料,底部嵌固 于粉砂质泥岩层,以模拟嵌岩悬臂抗滑桩,见图 3。 3.3 传感器的布设 振动台台面布置 1 个加速度计,记录输入到振 动台台面的地震波加速度时程,边坡坡体内共埋设 了 9 个微型加速度计,记录边坡内部不同位置的地
1 引 言
地震是边坡及其抗滑结构失稳破坏的诱发因 素,地震作用下边坡及其抗滑结构的稳定性是岩 土工程中十分关心的问题之一。我国是一个多地 震的国家,处在两大强地震带上,各类建筑工程的 工程地质条件复杂,以往的强烈地震在山区丘陵 地区的城镇居住区、道路、水工构筑物等区域产生 了大量崩塌、滑坡等次生灾害,给国家和人民的生
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3 试验模型与条件
3.1 试验条件 试验在北京工业大学结构实验室的大型振动台 上进行,振动台台面尺寸 3 m×3 m,最大承载重为 10 t,最大加速度为 1 g。本试验选取 20 m 长边坡 进行模拟试验,试验比例尺(1/n)为 1/20。试验边 坡模型高 0.685 m,长 1 m。抗滑桩截面尺寸为 75 mm×100 mm, 高 57 cm。装载边坡的模型箱选用 自行设计长×宽×高为 2 m×1 m×1 m 的有机玻璃模 型箱,可以减少岩土体与箱壁的摩擦,在试验过程 中也便于观察岩土体内部变化。在模型箱内壁涂以 润滑剂, 并在底部铺设 1 cm 厚的泡沫, 以减少反射 波的影响,将边界影响降到最低。 3.2 试验模型制备 试验用边坡模型根据相似定律进行设计,根据 相似理论可知,模型的几何相似是现象相似的先决 条件,因而在模型设计中把几何相似关系作为基本 条件。 试验中所取的相似比是, 模型︰原型=1︰20, 根据模型试验相似理论原理,计算得出边坡模型材 料的参数为,素填土:密度 = 1.89 g/cm3,c = 0.49 kPa, = 12.4°;黏土: = 2 g/cm3,c = 1.96 kPa,
DOI:10.16285/j.rsm来自百度文库2012.s2.003
第 33 卷增刊 2 2012 年 11 月
文章编号:1000-7598 (2012) 增 2-0053-06
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.33 Supp.2 Nov. 2012
悬臂抗滑桩加固边坡地震动力响应模型试验研究
姚爱军,史高平,梅 超
(北京工业大学 岩土与地下工程研究所,北京 100124)

要:为研究悬臂抗滑桩加固边坡的地震响应和抗滑桩桩身弯矩分布规律,利用北京工业大学结构实验室的大型振动台进
行悬臂抗滑桩加固边坡模型的振动试验。在试验过程中,输入汶川地震重华镇波,记录边坡不同位置加速度的时程变化,并 作对比分析,采集抗滑桩桩身的应变,用于分析桩身弯矩分布。结果表明,地震过程中边坡内部加速度自下而上逐渐放大, 边坡顶部放大效果达到最大;悬臂抗滑桩的加固效应和桩间土体成拱作用使附近土体的动力响应受到限制;抗滑桩的嵌固端 与悬臂部分分界面随着地震波的输入应变急剧增大,而悬臂部分随着高度增加应变减小,反映了悬臂抗滑桩弯矩的“凸”形分 布规律。 关 键 词:悬臂抗滑桩;边坡;模型试验;振动台;地震响应 文献标识码:A 中图分类号:TU 472
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= 12.6°;粉砂质泥岩: = 2.51 g/cm3,c = 4.42 kPa, = 30.2°。结合多组直剪试验,并通过正交试
验设计,确定边坡材料的配比(均为体积比)为① 底层粉砂质泥岩:细沙︰水泥粉︰水=15︰1︰4, ②中层黏土:粉土︰膨润土︰水=15︰2︰1,③顶 层素填土:直接选用粉土。 对于混凝土抗滑桩的模拟,若按与原型同样强 度的水泥砂浆制作,实际制作往往很困难,对于承 受以水平荷载为主的抗滑桩,应按桩身横向抗压刚 度相似要求选用模型桩。如果直接使用钢筋混凝土 来制作模型桩的话,对桩截面尺寸为 1.5 m×2 m 的 混凝土抗滑桩,设计的模型桩桩宽度只有不到 10 cm,制作将非常困难,所以需采用其他相似材料来 制作混凝土抗滑桩的模型。
Abstract: For researching seismic response and piles’ bending moment distribution regularity of the slope reinforced by cantilever stabilizing pile, some seismic response model experiments of slope reinforced by cantilever stabilizing pile were carried out by using large-scale shaking table in Beijing University of Technology’s Structures Laboratory. During the experiments, inputted earthquake motion of Chonghua town, recorded the time course of changes of the acceleration of the slope at different positions and made comparative analysis and collected strain of the pile so as to analyze the bending moment distribution of the pile. The results show that: in the process of earthquake, the slope acceleration enlarged from the bottom to the top; and the enlarged effect of slope top achieved maximum. The reinforcement effect and the soil arching effect of cantilever stabilizing pile restrict the dynamic response of the soil near the pile. The strain of the interface between the mounted side and the cantilever part of the pile increases rapidly as the input of seismic wave; the strain of the cantilever part decreases with the increase in height; those reflect the convex distribution regularity of the bending moment of the cantilever sliding pile. Key words: cantilever stabilizing pile; slope; model experiment; shaking table; seismic response
图 2 边坡和加速度计示意图(单位:mm) Fig.2 Sketch of slope and accelerometer(unit:mm)
震响应过程,边坡模型的几何尺寸及加速度计位置 见图 2。
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姚爱军等:悬臂抗滑桩加固边坡地震动力响应模型试验研究
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4 试验结果及分析
试验共有 2 组,受振动台性能限制,本试验选 取最大加速度峰值附近 20 s 作为试验用波。第一组 试验过程中,将原波压缩和放大,分别将加速度最 大峰值控制在 0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g,依次在振 动台台面输入,观察不同加速度峰值边坡的破坏, 分析边坡内部加速度和桩身应变的地震响应规律。 第二组试验将抗滑桩取出,留下自然边坡,再按照 第一组试验地震波的输入顺序输入地震波,观察自 然边坡的破坏形态,和第一组试验进行对照。 4.1 边坡表观变化 第一组抗滑桩加固边坡模型依次输入地震波的 过程中, 输入加速度峰值 0.1 g 的地震波后, 边坡基 本无变化; 输入加速度峰值 0.2 g 的地震波后, 边坡 两侧斜坡部分对称出现细微裂缝;输入加速度峰值 0.3 g 的地震波后,两侧裂缝增多加长,坡体顶面出 现零散细微裂缝,少量土体下滑;输入加速度峰值 0.4 g 的地震波后,坡体顶部零散裂缝贯通在一起, 并与两侧裂缝连接,最大缝宽 5 mm。坡体有滑移 趋势,滑落土体增多,坡顶沉降明显,抗滑桩防护 范围内的边坡上部相对于两边壁土体略有凸起,表 明了抗滑桩的局部加固效果。第二组自然边坡模型 输入加速度峰值 0.1 g 的地震波后,即出现明显裂 缝,土体滑落,随着地震波峰值增大,裂缝增多加 长加宽,土体滑落明显,边坡滑移,最终边坡破坏,
命财产造成了巨大损失 [1] 。抗滑桩是边坡加固治 理中常用的技术措施, 土岩复合边坡是工程建设中 最常见的边坡结构类型之一。经灾区调查情况可 知,抗滑桩加固措施对提高边坡稳定性具有良好 效果。加强边坡及其抗滑桩地震反应研究,揭示抗 滑桩内力变化规律,探索抗滑桩抗震设计优化措 施具有重要的工程意义[2]。 对抗滑桩结构进行研究的主要方法有模型试验 和数值分析。数值分析方法简单、方便且投资少,
收稿日期:2012-07-16 基金项目:国家自然科学基金资助(No. 50978007)。 第一作者简介:姚爱军,男,1966 年生,教授,博士,博士后,主要从事岩土工程和岩土力学方面的教学和科研工作。E-mail: yaj@bjut.edu.cn
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但其精度主要依赖于桩-土相互作用参数、 土体特性 等参数的正确选取[3]。模型试验根据需要具体工程 设定,控制边界条件、桩土材料特性,信息量大, 可信度高,还可以对数值模拟进行验证分析,但模 型试验也有自身的局限性,需要与其他研究手段相 结合, 以准确地分析抗滑桩应力-应变特性及变形过 程
Experimental model study of seismic response of slope reinforced by cantilever stabilizing piles
YAO Ai-jun, SHI Gao-ping, MEI Chao
(Institute of Geotechnical and Underground Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
。在土岩复合边坡的动力响应方面,特别是
针对土岩复合边坡类型和抗滑结构的地震反应的研 究 较少 ,进行 大型 振动台 模型 试验的 报道 就 更 少
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。本文对土岩复合边坡及其抗滑桩结构进行
地震模型试验,揭示边坡及抗滑桩地震响应规律。
2 工程概况
试验工程为四川省绵阳市涪江之畔科学城的某 小区 1~6 号楼西南侧边坡,边坡长 170 m,高约 13 m,属典型的浅丘斜坡地段。据勘察资料及岩土 工程勘察报告,选具有代表性的剖面进行研究,选 取的断面包括 3 层土:层①素填土(Q4 ml) ,层② 黏土(Q3 bl) ,层③粉砂质泥岩(K1C) 。岩土工程 参数, 素填土: =18.5 kN/m , c=9.8 kPa, = 12.4°, 黏土:重度 = 19.6 kN/m3,黏聚力 c = 39.2 kPa, 内摩擦角 = 12.6°;粉砂质泥岩: = 24.6 kN/m3, c = 88.4 kPa, = 30.2°。 工程地质剖面图如 1 所示, 试验过程中将边坡模型进行简化,具体尺寸示意图 如图 2 所示。
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