一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法技术

本发明专利技术提供了一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法，包括：以模型箱尺寸允许的最大粒径为上限，按比例等量替代超径部分确定模型料级配，分层击实填筑100cm高模型坝体，按坝体设计最大干密度控制，在坝轴线位置沿坝高等高布置5个加速度传感器和位移计；将离心加速度分别调整为五个阶段开展振动台模型试验，每个试验阶段均输入3次振动频率2Hz，加速度幅值为0.3g，持时20s的相应离心加速度下的正弦波；将不同高程处不同离心加速度下加速度峰值和沉降位移采用双曲线进行拟合和回归分析，将拟合曲线拓展至离心加速度100g，获得真实应力场下对应100m级高土石坝评价指标。本发明专利技术能够定量确定真实应力场下100m级高土石坝遭遇强震的动力响应加速度分布规律、幅值和坝顶震陷等核心评价指标。

A Dynamic Test Method for 100m High Earth-Rockfill Dam under Real Stress Field

【技术实现步骤摘要】
一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法
本专利技术属于土石坝强震模拟
，具体涉及一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法。
技术介绍
现阶段，100m级高土石坝遭遇强震的震害资料仍非常有限。地面大型振动台模型试验是研究100m级高土石坝动力反应特性的一种重要手段。通过对地震动作用下模型坝应力和变形的量测，以一定相似关系反推原型坝的应力和变形。但地面大型振动台模型试验无法模拟原型的真实应力场，模型与原型的应力应变相似率不为1，而高土石坝筑坝材料的强度和变形特性均与应力和应变水平密切相关，因而直接将地面振动台模型试验的结果应用于原型抗震设计存在一定的不确定性。而离心机振动台模型试验是近年得到迅速发展的一项高新技术，是研究高土石坝工程地震问题较为有效和先进的研究方法和试验技术，在高土石坝工程地震问题研究中的应用日益广泛。特别是在高土石坝地震破坏机理、数值分析模型验证和抗震加固措施验证等方面，该技术显示出巨大的优越性。然而，受离心机振动台模型尺寸和重量等因素的限制，100m级高土石坝离心机振动台模型试验仍需大比尺缩尺，大比尺缩尺后的筑坝材料动力特性与原筑坝材料存在较大差异，难以通过模型试验结果定量分析和评价100m级高土石坝加速度分布规律、幅值和坝顶震陷等核心评价指标。因此，有必要研究一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法，在保证模型和原型坝体应力和应变相似率为1的基础上，选择若干个离心加速度下输入相同的地震动得到模型坝的动力响应特性，基于相似率关系(离心加速度)即可获得相应坝高原型坝的动力响应特性，通过回归分析和曲线拟合建立离心加速度和不同坝高原型坝体动力特性的内在联系，将拟合曲线进行外延即可定量获得真实应力场下100m级原型坝(坝高100m)遭遇强震的动力响应特性。本专利技术提供了一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法，包括以下步骤：步骤1，以模型箱尺寸允许的最大粒径为上限，按比例等量替代超径部分确定模型料级配，分层击实填筑100cm高模型坝体，按坝体设计最大干密度控制，在坝轴线位置沿坝高等高布置5个加速度传感器和位移计；步骤2，将离心加速度分别调整为10g，20g，30g，40g和50g五个阶段开展振动台模型试验，每个试验阶段均输入3次振动频率2Hz，加速度幅值为0.3g，持时20s的相应离心加速度下的正弦波；步骤3，将不同高程处不同离心加速度下加速度峰值和沉降位移采用双曲线进行拟合和回归分析，在此基础上将拟合曲线拓展至离心加速度100g，获得真实应力场下对应100m级高土石坝评价指标；所述评价指标包括加速度分布规律、幅值和坝顶震陷。进一步地，该方法还包括：完成所述步骤1至步骤3后，随着模型尺寸和离心加速度的提高，将该方法直接应用于150m级及以上高土石坝离心机振动台模型试验。与现有技术相比本专利技术的有益效果是：通过现有离心机振动台试验设备和技术，定量确定真实应力场下100m级高土石坝(坝高100m)遭遇强震的动力响应加速度分布规律、幅值和坝顶震陷等核心评价指标，具有如下优点：1、可保证模型坝和原型坝应力和应变相似率为1，通过现有离心机振动台技术和设备即可完成真实应力场下100m级高土石坝(坝高100m)离心机振动台模型试验；2、通过曲线拟合和回归分析可定量确定真实应力场下100m级高土石坝遭遇强震的动力响应加速度分布规律、幅值和坝顶震陷等核心评价指标，为坝体抗震设计和抗震加固措施的制定提供科学依据；3、可有效验证现有动力计算分析模型在100m级高土石坝动力分析的适用性和准确性；4、随着离心机振动台试验设备的升级，可将该方法直接扩展至150m级及以上水工建筑物离心机振动台模型试验。附图说明图1是本专利技术离心机振动台模型试验布置示意图；图2是堆石料颗粒级配曲线图；图3是不同离心加速度下坝轴线处动力响应加速度沿坝高分布图；图4是不同离心加速度坝顶峰值加速度分布趋势及拟合曲线图；图5是不同离心加速度坝顶震陷幅值分布趋势及拟合曲线图。具体实施方式下面结合附图所示的各实施方式对本专利技术进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本专利技术的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本专利技术的保护范围之内。本实施例通过现有离心机振动台试验设备和技术，在保证模型坝和原型坝应力和应变相似率为1的基础上，定量确定真实应力场下100m级高土石坝遭遇强震的动力响应加速度分布规律、幅值和坝顶震陷等核心评价指标。本专利技术即一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法，在保证模型和原型坝体应力和应变相似率为1的基础上，选择若干个离心加速度并输入相同的地震动得到模型坝的动力响应特性，基于相似率关系(离心加速度)即可获得不同坝高原型坝的动力响应特性，通过回归分析和曲线拟合建立离心加速度和不同坝高原型坝体动力特性的内在联系，将拟合曲线进行外延即可定量获得真实应力场下100m级原型坝(坝高100m)遭遇强震的动力响应特性的离心机振动台模型试验方法。基于上述原理本专利技术方法包括以下步骤：a)以模型箱尺寸允许的最大粒径为上限，按比例等量替代超径部分确定模型料级配，分层击实填筑100cm高模型坝体，按坝体设计最大干密度控制，在坝轴线位置沿坝高等高布置5个加速度传感器和位移计；b)将离心加速度分别调整为10g，20g，30g，40g和50g五个阶段开展振动台模型试验，每个试验阶段均输入3次振动频率2Hz，加速度幅值为0.3g，持时20s的相应离心加速度下的正弦波；c)将不同高程处不同离心加速度下加速度峰值和坝顶沉降位移采用双曲线进行拟合和回归分析，在此基础上将拟合曲线拓展至离心加速度100g，即可获得真实应力场下对应100m级高土石坝加速度分布规律、幅值和坝顶震陷等核心评价指标；以上工作完成后，随着模型尺寸和离心加速度的提高，可将该方法直接应用于150m级及以上高土石坝离心机振动台模型试验。实施例1模型布置示意图如图1所示。筑坝材料为花岗岩堆石料，模型坝底宽200cm，高100cm，上、下游坝坡均为1:1。图中，1为土石坝；2为加速度传感器；3为激光位移传感器。图2实线为某堆石坝堆石料设计级配曲线。采用文中所述方法缩尺后进行离心机振动台模型试验，最大粒径为20mm，图2虚线为确定的模型试验级配。离心加速度上升到10g时，沿顺河向输入地震波，波形为正弦波，频率为20Hz，振动3次，峰值加速度为4g，每次振动历时2s；离心加速度上升到20g时，沿顺河向输入地震波，波形为正弦波，频率为40Hz，振动3次，峰值加速度为8g，每次振动历时1s；离心加速度上升到30g时，沿顺河向输入地震波，波形为正弦波，频率为60Hz，振动3次，峰值加速度分别为12g，每次振动历时2/3s；离心加速度上升到40g时，沿顺河向输入地震波，波形为正弦波，频率为80Hz，振动3次，峰值加速度分别为16g，每次振动历时0.5s；离心加速度上升到50g时，沿顺河向输入地震波，波形为正弦波，频率为100Hz，振动3次，峰值加速度分别为20g，每次振动历时0.4s。在坝轴线上沿高度布置5个加速度传感器，坝顶布置1个沉降传感器，测定大坝动力反应和地震变形。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以模型箱尺寸允许的最大粒径为上限，按比例等量替代超径部分确定模型料级配，分层击实填筑100cm高模型坝体，按坝体设计最大干密度控制，在坝轴线位置沿坝高等高布置5个加速度传感器和位移计；步骤2，将离心加速度分别调整为10g，20g，30g，40g和50g五个阶段开展振动台模型试验，每个试验阶段均输入3次振动频率2Hz，加速度幅值为0.3g，持时20s的相应离心加速度下的正弦波；步骤3，将不同高程处不同离心加速度下加速度峰值和沉降位移采用双曲线进行拟合和回归分析，在此基础上将拟合曲线拓展至离心加速度100g，获得真实应力场下对应100m级高土石坝评价指标；所述评价指标包括加速度分布规律、幅值和坝顶震陷。

【技术特征摘要】
1.一种真实应力场下百米级高土石坝动力试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以模型箱尺寸允许的最大粒径为上限，按比例等量替代超径部分确定模型料级配，分层击实填筑100cm高模型坝体，按坝体设计最大干密度控制，在坝轴线位置沿坝高等高布置5个加速度传感器和位移计；步骤2，将离心加速度分别调整为10g，20g，30g，40g和50g五个阶段开展振动台模型试验，每个试验阶段均输入3次振动频率2Hz，加速度幅值为0.3g，持时20s的相应离心加速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：严祖文，李红军，徐泽平，钟红，朱凯斌，赵剑明，杨正权，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11