CN111896202A - 一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，包括如下步骤：计算振动台边坡模型试验的相似系数；根据原型边坡岩石的力学参数和相似系数，计算目标相似材料的力学参数；开展相似材料的正交配比试验，得到不同因素和水平下相似材料的力学参数；对相似材料各力学参数进行敏感性分析；对相似材料各力学参数进行回归分析，得到用于计算相似材料配比的回归方程；根据相似材料配比回归方程，计算相似材料各组分配比。本发明方法步骤简单，规范合理且简单易行，能有效改善边坡模型试验配比定性分析多、精确度不够的情况，可以实现振动台边坡模型试验相似材料的准确配制。

Description

一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法

技术领域

本发明属于振动台边坡模型相似材料模拟领域，涉及一种用于模拟不同岩性岩质边坡的地质力学模型技术，具体涉及一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法。

背景技术

振动台模型试验为重演地震过程中岩土体的动力响应和变形破坏提供了一种有效的技术手段，可以直观地反映边坡的渐进破坏机理和稳定程度，是研究边坡地震破坏机理、评价边坡整体抗震能力及分析边坡稳定性的重要方法，在边坡工程的理论研究和工程实践得到了广泛应用。

限于振动台台面尺寸、承载能力和经济等原因，大型建筑物只能根据相似理论采取缩尺模型，为使模型试验结果真实反映原型结构的地震动响应，必须考虑模型与原型的相似性。振动台试验不仅要求模型几何相似，而且要求材料的物理参数与动力参数与原型相似。因此，正确选择配比材料并确定满足相似关系的配比是振动台模型试验的关键。

西南地区的水电建设面临边坡失稳问题，岩质边坡的相似材料具有高容重、低强度的特性。前人在相似材料研究上成果颇丰，但少有对高容重、低强度相似材料进行深入探讨，部分研究仅给出了适用于其具体试验的配比，不适用于小比尺的边坡相似材料振动台模型试验。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的问题，提供一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，旨在模拟不同岩性的振动台边坡物理地质力学模型。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，包括如下步骤：

S1：根据原型边坡和振动台尺寸，计算振动台边坡模型试验的相似系数，所述相似系数包括几何相似系数、力学参数相似系数和物理相似系数；

S2：根据原型边坡岩石的力学参数和获取的相似系数，计算相似材料的力学参数；

S3：开展相似材料的正交配比试验，得到不同因素和水平下相似材料的力学参数；

S4：对步骤S3得到的相似材料各力学参数进行敏感性分析，用于分析各组分对相似材料力学参数的影响规律；

S5：对相似材料各力学参数进行回归分析，得到用于计算相似材料配比的回归方程；

S6：根据相似材料配比回归方程，计算相似材料各组分配比，配制相似材料，进行振动台边坡模型试验。

进一步的，所述步骤S1中相似系数的计算方法为：

在动力问题中，通过弹性力学动力基本方程和量纲分析确定各物理量之间的关系，定义C为原型与模型之间物理量的相似比，由平衡、几何、物理三大基本方程及边界条件得到线弹性范围内基本动力相似判据为：

其中C_ε、C_E、C_l、C_ρ、C_g、C_a分别为应变、变形模量、长度、密度、重力加速度和加速度相似常数；振动台边坡模型试验中，C_a＝C_g＝1，C_ρ＝1，C_E＝C_lC_ρ，C_σ＝C_EC_ε＝C_E、C_X＝C_lC_ε＝C_l、

其中C_σ、C_X、C_t分别为应力、位移、时间相似常数。

进一步的，所述步骤S2中原型边坡岩石和相似材料的力学参数包括密度、抗压强度、弹性模量和粘聚力。

进一步的，所述步骤S3中按材料质量配合比设计，选用重晶石粉、石膏、石英砂、甘油、水为原料，根据正交设计原理，设计4因素4水平的正交试验，4个影响因素分别为：因素A：重晶石粉占中骨料的比值；因素B：石膏占总量的比值；因素C：甘油占总量的比值；因素D：水占总量的比值；各因素设置4个水平，共计16组配合比方案。

进一步的，所述步骤S4中，根据相似材料正交配比试验结果，进行各因素对相似材料容重、强度、弹性模量、粘聚力的敏感性分析，得到各因素对相似材料力学参数值的影响范围。

进一步的，所述步骤S5中采用MATLAB程序对相似材料的力学参数进行二次多项式逐步回归分析，得到计算相似材料配比的回归方程，方程如下：

式中，X₁、X₂、X₃、X₄分别表示重晶石粉占骨料的比值、石膏占总量的比值、甘油占总量的比值、水占总量的比值；Y₁、Y₂、Y₃、Y₄分别表示相似材料密度、单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力。

有益效果：本发明与现有技术相比，振动台模型试验相似材料具有高容重、低强度、低弹性模量的特点，适用于模拟小比尺边坡振动台边坡模型试验，可以根据边坡的岩石力学参数和相似系数精准计算各组分的质量占比，配制不同岩质边坡振动台模型试验的相似材料；该方法步骤简单，规范合理且简单易行，能有效改善边坡模型试验配比定性分析多、精确度不够的情况，可以实现振动台边坡模型试验相似材料的准确配制。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明提供一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，包括如下步骤：

步骤S1，根据原型边坡和振动台尺寸确定振动台边坡模型试验的几何相似系数、力学参数相似系数和物理相似系数；

振动台边坡模型试验中，C_a＝C_g＝1，C_ρ＝1，C_E＝C_lC_ρ，C_σ＝C_EC_ε＝C_E、C_X＝C_lC_ε＝C_l、

C_a、C_g、C_ρ、C_E、C_l、C_σ、C_ε、C_X、C_t分别为加速度、重力加速度、密度、变形模量、相似常数、应力、应变、位移、时间相似常数。

步骤S2，根据原型边坡岩石力学参数和相似系数计算相似材料的力学参数，原型边坡岩石和相似材料力学参数包括密度、抗压强度、弹性模量和粘聚力；

步骤S3，根据正交试验设计原理，开展相似材料的正交配比称重试验、单轴压缩试验和直剪试验，得到不同因素和水平下相似材料的密度、抗压强度、弹性模量和粘聚力；

按材料质量配合比设计，选用重晶石粉、石膏、石英砂、甘油、水为原料，设计4因素4水平的正交试验，4个影响因素分别为：因素A：重晶石粉占中骨料的比值；因素B：石膏占总量的比值；因素C：甘油占总量的比值；因素D：水占总量的比值；各因素设置4个水平，具体设置见表1。

表1正交配比试验各因素水平值

本步骤中相似材料正交配比试验为标准试样的称重试验、单轴压缩试验和直剪试验，试验按照《工程岩体试验方法标准》进行，记录试验的荷载和变形位移；称重试验获得相似材料的容重，单轴压缩试验获得相似材料的强度和弹性模量，直剪试验获得相似材料的粘聚力。

步骤S4，根据正交配比试验结果，进行相似材料各力学参数的敏感性分析，分析各组分对相似材料力学参数的影响规律；

试验得到，相似材料配比试样密度分布均匀，在2.1-2.6g.cm-3之间，单轴抗压强度差异明显，在0.15-1.08MPa之间，弹性模量变化范围较大，分布在5.46-275.73MPa，各组材料内聚力变化较大，分布在8.69-218.27KPa，内摩擦角差异明显，在17.57-54.92°之间，各力学参数分布范围较宽，可满足不同岩性边坡的相似材料振动台模型试验。

步骤S5：根据正交配比试验结果，采用MATLAB程序对相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、内聚力进行二次多项式逐步回归分析，得到利用原型边坡岩石力学参数和几何相似系数计算相似材料各组分配比的回归方程：

式中，X₁、X₂、X₃、X₄分别表示重晶石粉占骨料的比值、石膏占总量的比值、甘油占总量的比值、水占总量的比值；Y₁、Y₂、Y₃、Y₄分别表示材料密度、单轴抗压强度、弹性模量、内聚力。

步骤S6：根据相似材料配比回归方程，计算相似材料中重晶石粉、石膏、石英砂、甘油和水的比重，配制相似材料，进行振动台边坡模型试验。

本实施例中将上述方法进行实际应用，具体为：

某在建水电站右岸边坡由于地震诱发山体崩塌，形成长度超过1000m，顶部宽度约300m，高度约100m，方量约1.2×10⁷m³的堰塞坝。振动台模型试验为模拟边坡失稳崩塌形成堰塞坝的运动过程与堆积形态，根据模拟边坡范围、振动台台面尺寸与承载能力等控制因素，确定几何相似常数C_l＝300，根据相似关系，确定密度相似常数C_ρ＝1，弹性模量相似常数C_E＝300，强度和粘聚力相似常数C_σ＝C_c＝300。原型物理力学指标和由相似关系求得的模型相似材料应满足的物理力学指标见表2。

表2原型和模型材料物理力学参数

根据表2中模型相似材料物理力学参数，将目标参数密度2.60g.cm-3、单轴抗压强度0.267MPa、弹性模量50MPa、内聚力17.63KPa带入回归方程，计算模型相似材料配比。获得相似材料配比为：重晶石粉占骨料的比值为46.01％，石膏占材料总量的比值为4.79％，甘油占材料总量的比值为4.72％，水占材料总量的比值为5.54％。

根据上述配比配制相似材料，进行振动台边坡模型试验。

根据上述试验可见，本发明方法采用重晶石粉、石膏、石英砂、甘油和水配制的振动台边坡模型相似材料，各力学参数分布范围较宽，可满足不同岩性边坡的相似材料振动台模型试验。该方法步骤简单，规范合理且简单易行，可以实现振动台边坡模型试验相似材料的准确配制。

Claims (5)

1.一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：根据原型边坡和振动台尺寸，计算振动台边坡模型试验的相似系数；

S2：根据原型边坡岩石的力学参数和获取的相似系数，计算相似材料的力学参数；

S3：开展相似材料的正交配比试验，得到不同因素和水平下相似材料的力学参数；

S4：对步骤S3得到的相似材料各力学参数进行敏感性分析，分析各组分对相似材料力学参数的影响规律；

S5：对相似材料各力学参数进行回归分析，得到用于计算相似材料配比的回归方程；

S6：根据相似材料配比回归方程，计算相似材料各组分配比，配制相似材料，进行振动台边坡模型试验。

2.根据权利要求1所述的一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，其特征在于：所述步骤S1中相似系数包括几何相似系数、力学参数相似系数和物理相似系数。

3.根据权利要求1所述的一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，其特征在于：所述步骤S2中原型边坡岩石和相似材料的力学参数包括密度、抗压强度、弹性模量和粘聚力。

4.根据权利要求1所述的一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，其特征在于：所述步骤S3中选用重晶石粉、石膏、石英砂、甘油、水为原料，根据正交设计原理，设计4因素4水平的正交试验，4个影响因素分别为：因素A：重晶石粉占中骨料的比值；因素B：石膏占总量的比值；因素C：甘油占总量的比值；因素D：水占总量的比值。

5.根据权利要求4所述的一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法，其特征在于：所述步骤S5中采用MATLAB程序对相似材料的力学参数进行二次多项式逐步回归分析，得到计算相似材料配比的回归方程，方程如下：

式中，X₁、X₂、X₃、X₄分别表示重晶石粉占骨料的比值、石膏占总量的比值、甘油占总量的比值、水占总量的比值；Y₁、Y₂、Y₃、Y₄分别表示相似材料密度、单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力。

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