边坡动力特性与动力响应的大型振动台 模型试验研究

设计并完成了1∶10比尺的边坡大型振动台模型试验.试验模型尺寸为2.15 m×3.5 m×1.5 m(高×长×厚),坡角约为38°,采用土体材料制备.通过输入不同类型、幅值、频率的地震波和白噪声激励,探讨地震作用下模型边坡的动力特性与动力响应规律,以及地震动参数对动力特性和动力响应的影响.试验结果表明,随着振动次数的增加,模型边坡自振频率逐渐降低,阻尼比逐渐增大.自振频率降低的幅度随振幅的增大而加大.边坡土体对输入地震波具有明显的放大作用,沿坡面向上,加速度峰值放大系数呈现递增趋势,在坡肩附近急剧增大.在不同地震波作用下,坡面加速度响应具有明显的差异.当输入地震动卓越频率与模型边坡自振频率接近时,坡面加速度峰值放大效应显著增强.随着输入地震动幅值的增加,坡面加速度峰值放大系数呈现明显的递减趋势.边坡土体对输入波的低频部分存在放大作用,对高频部分存在滤波作用.随着输入地震动幅值的加大,土体表现出更强的滤波作用.试验结果有助于揭示边坡在地震作用下的失稳机制,为边坡工程的抗震设计提供有益的参考.     

边坡地震动力响应规律及地震动参数影响研究

利用FLAC3D有限差分软件建立了一个边坡动力数值分析模型,用振动台模型试验对数值模拟效果进行了验证。在此基础上,分析了地震作用下边坡的动力响应规律,以及地震动参数对边坡动力响应的影响。结果表明,边坡对输入地震波存在垂直放大和临空面放大作用,边坡土体对输入地震波低频部分存在放大作用,对高频部分存在滤波作用。坡面加速度峰值放大系数随输入地震波振幅、频率的增加而减小,持时对加速度峰值响应的影响不大;坡体位移随振幅、持时的增加而显著增大,随频率的增大而减小。强震作用下剪应变增量最大区域的位置和形状表明,单一均质土层边坡的破坏模式仍是沿着某一弧形潜在滑动面失稳。研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的失稳机制。     

地震作用下含倾斜软弱夹层斜坡场地的动力响应特性研究

以四川北部龙门山断裂带附近山区内某核废料处置场为参考原型,概化出含软弱夹层的斜坡场地模型,设计完成该特殊场地在50倍重力加速度条件下的离心振动台模型试验,监测场地在不同输入地震工况下的加速度响应,重点通过加速度放大效应和地震波波动机制探讨软弱夹层和斜坡效应对斜坡场地动力响应的影响,此外,结合传统傅里叶谱和Hilbert边际谱方法,从频域角度展示场地的频谱变化特性。试验结果表明:软弱夹层的加速度放大效应与输入地震动峰值有关,当输入地震动峰值较小时,夹层内响应加速度峰值被削弱,当输入峰值较大时,则被增强;斜坡效应对该场地中软弱夹层内的动力响应存在影响,导致斜坡下的软弱夹层内加速度放大效应增强;随着输入地震动峰值增大,软弱夹层中响应加速度的频率成分发生了变化,高频成分减少而低频成分增加。     

山岭隧道地震动力响应规律的三维振动台模型试验研究

 以国道318线黄草坪2#隧道为原型,开展大型三维振动台模型试验,重点研究隧道结构的地震动力响应规律及隧道与围岩的相互动力作用。通过对模型试验的关键技术研究,建立一套山岭隧道大型振动台模型试验设计、制作、加载及测试的工艺与方法流程。模型震害分析表明：隧道洞口边坡以开裂和滚落石震害为主,坡面加速度沿高程方向递增且具有一定的放大效应,在坡面原生裂缝和薄弱部位极易出现震害;隧道结构以衬砌开裂和掉块震害为主,初期支护和二次衬砌出现裂缝的部位不同,但钢筋网能够有效地阻止裂缝的发展。模型试验结果表明：隧道结构的加速度响应要大于周边围岩且对周边岩土体的加速度响应有一定的放大效应;对于一般的硬岩质山岭隧道来说,隧道洞口段0～50 m范围的加速度响应较大,为隧道抗减震设防的重点区域;山岭偏压隧道横向不同部位的地震动力响应存在明显差异;当地震波从隧道底部小角度入射时,隧道结构的加速度响应最强烈,对隧道结构的安全性是非常不利的;随着加载地面峰值加速度(PGA)的增大,隧道不同部位的加速度响应增大,但当隧道结构进入非线性破坏状态后,PGA呈减小趋势,地震能量逐渐被耗散。     

地震荷载作用下顺层岩体边坡动力放大效应和破坏机制的振动台试验研究

以四川省安县干磨房滑坡为原型,设计并完成了比例为1∶100的顺层岩体边坡大型振动台试验。通过逐级加载不同峰值、频率和持时的地震波,研究了地震荷载作用下边坡的动力响应特征和变形破坏机制。试验结果表明,输入波频率和幅值对边坡加速度动力响应影响较大。当输入波频率小于边坡初始自振频率时,水平向PGA放大系数随输入波频率的增大而增大;超过边坡的初始自振频率后,水平向PGA放大系数减小,放大效应减弱;当输入波频率小于边坡初始自振频率时,水平向PGA放大系数随输入波幅值的增大而增大;当输入波频率接近和大于边坡初始自振频率时,低幅值地震波对水平向PGA放大系数影响更显著;地震荷载持时对边坡动力响应影响不明显。通过对边坡位移动力响应和试验过程拍照录像记录分析,发现与边坡其他部位相比,坡肩处的位移动力响应更为显著;边坡在输入波幅值加载至0.6 g时处于临界状态,对应的临界位移值约为7.3 cm,该值的确定是后续研究采用临界位移评价地震作用下边坡稳定性的基础与前提条件;地震荷载作用下顺层岩体边坡的破坏模式为:坡肩开裂→坡顶出现贯穿裂缝→坡脚附近的坡面隆起→坡顶贯穿裂缝与隆起部位贯通→边坡沿层面发生浅部滑动从而失稳破坏。模型试验较好地揭示了地震荷载作用下顺层岩体边坡的动力放大效应和变形破坏机制,可为工程边坡的抗震设计和防灾减灾提供有益的借鉴与参考。     

含倾斜强风化带及局部边坡复杂场地的动力响应及破坏模式研究

 基于大型振动台模型试验,研究了含倾斜强风化带及局部边坡场地在地震波作用下的动力响应特征,同时结合边际谱理论分析、土层内部应变和边坡位移规律,探究了场地内部的损伤发展过程。试验结果表明：模型加载El Centro地震波时,基岩和基覆内加速度放大系数随高程增加而增大,当加载地震波幅值大于0.33 g时,输入幅值越大,加速度放大越小;强风化带处加速度峰值削弱明显,加载幅值越大,削弱程度越大。模型加载3 Hz正弦波时,边际谱能量识别显示场地损伤从平台与局部边坡拐角下的强风化带开始,此后局部边坡底部强风化和平台中部下的强风化带出现损伤,平台与局部边坡拐角处强风化带的损伤逐渐与顶部损伤贯通;土层应变、坡面位移规律印证了场地损伤的发展过程;由破坏现象、边际谱损伤发展分析、土层应变及边坡位移规律可知,该含倾斜强风化带场地的破坏模式表现为拉裂–剪切–滑移以及拉裂–剪切–破碎2种破坏模式。     

地震荷载作用下震裂–溃滑型边坡破坏过程及动力响应振动台模型试验研究

地震引起的滑坡是我国山区最为常见的地质灾害,为了深入理解地震作用下边坡的破坏过程及动力响应特性,对震裂–溃滑型破坏模式的边坡进行了室内振动台模型试验,深入分析该类型边坡失稳破坏的物理过程,以及在地震荷载作用下边坡动力响应规律。通过分析相关边坡的现场资料,设计制作相似模型并进行多工况的模型试验。试验结果表明在地震荷载作用下,边坡加速度放大系数沿高程的变化规律受加载波的类型影响较大。在同样条件下,卧龙波诱导的边坡加速度放大系数最大,EL Centro波次之,正弦波最小。边坡加速度放大系数与输入波加速度峰值关系受输入波类型、边坡土体位置等影响较大。当激励载荷频率较低时(如小于6 Hz),整个边坡的加速度放大效应不明显;当激励载荷频率较高时(如大于10 Hz),边坡底部区域加速度放大效应不明显,但在边坡中上部位置边坡加速度放大效应显著。     

堤坝结构模型抗震试验分析

对某堤坝结构进行了大型振动台模型试验,分析了在不同密度和不同水位条件下模型的抗震性能,研究了堤坝模型结构在微振和强振作用下的动力特性及地震响应。研究认为:微振条件下,堤坝结构处于弹性范围,具有明显的模态特性;在强振条件下堤坝结构响应加速度随输入地震加速度峰值的增加而增大;随着输入地震动强度的增加,堤坝结构卓越频率逐渐降低,加速度放大倍数逐渐减小,直至接近1。     

圆形隧道衬砌背后空洞对隧道结构影响的振动台模型试验

为研究圆形隧道背后空洞对结构抗震性能的影响,开展振动台模型试验研究。从地层参数、试验模型相似比、模型箱设计、人工边界处理、传感器布置及地震动加载制度等方面,详细介绍模型试验方案。分析模型箱的边界处理效果,重点考察了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、隧道结构的动应变规律及特征。试验结果表明:模型箱设计合理,边界的设置能够很好地模拟原型土域;随着地震波的向上传播,模型地基中的峰值加速度逐渐增大,地表处的加速度放大系数随着台面输入地震动的增大而减小;在较小地震动作用下,圆形衬砌背后空洞会缩小断面的加速度响应,而在较大地震动作用时会明显增大断面地震反应。     

隔震结构动力弹塑性分析地震记录选择的波谱分类法研究

高层隔震结构动力弹塑性时程分析地震记录选择是隔震结构地震响应分析的关键,针对地震记录选取提出基于模糊聚类算法结合地震动强度指标进行地震波子集选取的波谱分类法。首先采用动力弹塑性时程方法对隔震结构的等效单自由度简化模型和三维空间模型进行了地震加速度峰值、地震波速度峰值、地震波位移峰值、地震波速度峰值与加速度峰值之比、加速度反应谱、等效速度反应谱6类地震动强度指标与工程需求参数相关性的比较研究,确定了适合隔震结构的有效地震动强度指标。隔震整体结构工程需求参数包含上部结构层间变形、顶层加速度和隔震层位移响应。其后采用构造的地震动指标矩阵应用于地震波样本属性的表征,并基于模糊聚类算法对地震波样本进行了分类。以某15层高层钢框架-混凝土核心筒隔震结构为例,通过将未分类的地震波集合与分类地震波子集作用下结构的地震响应离散性对比研究,确认了波谱分类法在地震动筛选应用中的有效性。     

顺层岩质边坡地震动力响应及地震动参数影响研究

 利用FLAC2D建立顺层岩质边坡模型,分析其在地震作用下的动力响应规律,研究地震动参数对其动力响应的影响。结果表明：顺层岩质边坡在地震作用下失稳主要由结构面控制,位移主要发生在潜在滑移面上部岩体中;对地震波存在垂直向和临空面放大作用,其滤波作用没有土质边坡明显,不同岩层会对某一频率的波产生明显的放大效应;当振幅、卓越频率增加时,坡肩下方的加速度放大系数呈递减趋势,且在强度相对较低的岩体内较明显,但随着振幅增加,边坡动力响应增强;各处加速度放大系数受地震动持时影响较小,剪应变增量受其影响较大。当振幅、持时增加时,边坡位移呈增大趋势;当卓越频率增大时,边坡位移减小。同时,证实了地震边坡破坏由上部拉破坏与下部剪切破坏组成,研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的失稳机制。     

斜坡加速度动力响应特性的大型振动台试验研究

以"5·12"汶川地震灾区典型斜坡为原型,采用水平层状上硬下软和上软下硬2种岩性组合概念模型,设计并完成比例1:100的大型振动台试验。在满足相似律的条件下,通过输入不同地震波类型、频率、激振方向和振幅,系统地研究模型斜坡的地震动力响应特性。以输入加速度峰值0.3g为例,分析不同岩性组合模型斜坡在单向天然地震波作用下的同向加速度动力响应规律,研究结果表明,加速度沿竖直和水平方向的响应都呈现明显的非线性特征;总体上,高程对地震波具有明显的放大效应。在水平向地震波作用下,斜坡的动力响应主要出现在斜坡的中上段,而在同等强度的激振力作用下,竖直向加速度最大放大倍数仅相当于水平向加速度最大放大倍数的1/2左右,且动力响应较强部位主要出现在斜坡的中下段。不同岩性组合结构对加速度响应规律的影响也因激振方向不同而异,在水平向地震波作用下,上硬下软组合斜坡总体上要比上软下硬组合斜坡对加速度的放大程度大,在竖直向地震波作用下则相反。通过对比坡面不同高程处的加速度傅里叶谱表明,在地震波从下往上传播过程中,上硬下软斜坡对起放大作用的频段具有明显的选择性,竖直向激振条件下对2种岩性组合斜坡加速度起放大作用的卓越频率比水平向激振条件下的卓越频率大得多。     

不同坡角斜坡动力响应频谱特征研究

 斜坡频谱特征曲线与斜坡形态密切相关,若入射地震波主频接近频谱曲线中极大谱比值所对应的卓越频率,就会放大斜坡动力响应,甚至造成斜坡失稳。以汶川极震区青川狮子梁斜坡为典型实例,根据青川3次余震作用下斜坡不同高程实测地震记录及地脉动测试结果,通过单点谱比法,获得斜坡地震动和地脉动的频谱特征曲线,通过对比分析曲线发现：坡顶卓越频率最小;同时,实测水平地震加速度峰值放大系数随高程增加表现出先减小后增加的“凹型”特征,坡顶的放大系数甚至达到坡底的1.25。如果从斜坡形态因素进行分析,坡顶存在低频但较高放大系数的现象可能与斜坡高差与入射波波长之比密切相关,在比值为0.2时,坡顶放大效应达到最大。为进一步确定斜坡形态对频谱特征影响,利用实测汶川地震卧龙波拟合成多频率地脉动作为动力输入,在FLAC有限差分软件中建立3种不同坡角均质斜坡模型,经动力计算后发现,3种模型坡顶、坡中及坡脚的卓越频率基本一致,该结果与输入单一频率Ricker子波时斜坡动力响应一致,说明斜坡角度改变不会影响斜坡的卓越频率。研究结论有助于增强斜坡自身频谱与动力响应之间关系的认识。     

地震作用下岩质边坡动力响应特性及变形破坏机制研究

 以汶川地震诱发大型岩质边坡为研究对象,基于相似理论,采用室内大型振动台模型试验,通过输入不同频率、不同持时以及不同幅值的正弦波,研究顺层及均质结构岩质边坡的动力加速度响应特征及动力输入参数对边坡动力特性的影响。试验结果表明,模型边坡动力加速度分布存在明显的而非线性高程放大特性及非线性趋表特性;且边坡对加速度的放大存在高度效应,即边坡中上部大约3/4坡高以上对水平加速度放大明显,而中下部对竖直加速度放大明显;受地形作用影响,边坡坡脚对加速度具有明显的抑制作用;地震波输入的动力参数对加速度动力特性有影响,地震波频率对加速度影响最为明显,边坡动力加速度随频率的增加而呈非线性增大的趋势,当地震波频率接近边坡模型自振频率时影响最大,且频率的增加改变坡体内加速度的分布特征;动力加速度随边坡输入加速度峰值的增加而增加,但幅值的变化并不改变加速度在坡体内的分布;地震波持时对动力加速度影响轻微。边坡坡体结构是影响其动力特性的重要因素,顺层结构边坡由于存在大量的结构面其动力加速度放大系数要高于均质结构边坡15%左右。     

基于离心振动台的堆积型滑坡加速度响应特征

 加速度响应规律是解释滑坡震害、合理确定地震影响系数的基础。为此,设计完成了50倍重力加速度条件下的堆积型滑坡离心振动台模型试验,用来研究堆积型滑坡的加速度响应特征及规律。模型滑坡放置于600 mm×400 mm×500 mm(L×W×H)的刚性模型箱内,采用汶川地震清溪台站反演的基岩波作为基底输入,调整其幅值,研究不同强度地震动作用下堆积型滑坡的加速度响应特征及规律。试验结果表明：坡面水平向和竖直向峰值加速度(PGA)放大系数随滑坡的高程增加而增大,趋于坡顶时,增速明显变大,具有明显的高程放大效应;地震动作用下坡面与坡体内部的加速度响应特征明显不同,具有坡面浅表放大效应;滑床岩体自下向上水平向加速度有放大趋势,但与滑坡浅表土体相比,放大倍数则明显减弱;坡顶附近存在显著的波型转换现象;随着输入地震波强度的增大,PGA放大系数总体上表现为递减趋势。所得到的成果初步揭示了堆积型滑坡的加速度响应特征,为解释滑坡震害、确定地震影响系数等提供较可靠的依据。     

地震作用下边坡预应力锚索振动台试验研究

为研究边坡预应力锚索在地震作用下的动力响应,采用振动台进行预应力锚索支护岩质边坡模型试验。模型试验相似关系依据重力相似律及量纲分析法推导。输入Wolong,El Centrol,TAFT三种地震波,监测锚索轴力、坡面加速度和位移时程,研究预应力锚索轴力和预应力损失在地震作用下的动力特性、边坡在锚索支护下的整体稳定性。结果表明:不同地震作用下,锚索的轴力和预应力损失动力响应不同,试验中锚索的预应力损失最大达15.7%,随着输入地震波峰值的增大,锚索预应力损失呈先增大后减小的趋势,达到临界值后,不再发生预应力损失。建议预应力锚索抗震设计时,施加的预应力应该达到预应力设计值的1.1～1.2倍,高于静力情况下的值。该研究结果可为更加合理的进行边坡预应力锚索抗震设计提供良好的基础。     

地震作用下挡土墙抗倾覆稳定安全系数研究

基于拟动力法,考虑墙背面和填土面倾斜的工况,推导出挡土墙在地震作用下的抗倾覆稳定安全系数的计算表达式。数值算例结果表明,稳定安全系数随着填土内摩擦角、墙土外摩擦角和墙背面倾角的增大而增大,随地震放大系数、水平加速度影响系数和填土面倾角的增大而减小。其中,只有在地震作用较大时,放大系数的影响才逐渐显现,同时,摩擦角的影响却相对减弱;墙背面倾角和填土面倾角不同时,稳定系数随地震作用的变化趋势基本一致。通过对比2种计算方法的结果可知,拟动力法由于考虑了地震周期和地震波效应的影响,计算得到的稳定安全系数比拟静力法大。     

近场强震作用下上海地区百米高层建筑地震动反应分析

首先,依据汶川地震中不同震中距基岩地震波记录,选取假设上海近场发生M8.0级强震时的基岩地震波.然后,对上海某百米高层建筑场地进行深覆盖土层地震反应分析,获得该场地在近场强震时的地表波.最后,以此百米高层建筑为例,分析该结构在此地表波作用下的地震动反应特点,从而评估近场强震对上海高层建筑的影响.分析结果表明:结构在双向地震动作用下的反应与单向地震动作用下的反应有明显不同.其中,地震动垂直分量对结构顶层节点竖向反应放大作用显著;地震动水平分量对结构顶层节点三个方向反应都有放大效应;地震动水平分量对结构层间位移角起决定性作用;地震动水平分量对结构底层角柱内力的影响大于地震动垂直分量对其的影响.     

格宾加筋土挡墙抗震性能及数值分析

基于有限差分程序FLAC3D动力分析模块,建立水平地震作用下格宾加筋土挡墙足尺数值模型,通过抗震模型试验结果验证数值模型的可靠性,分析不同强度地震波作用、不同竖向加筋间距时,格宾加筋土挡墙的水平位移响应、震陷、加速度响应及破坏模式,在此基础上,提出格宾加筋土挡墙抗震设计相关措施与建议。结果表明:在不同峰值加速度作用下,格宾加筋土挡墙没有出现倒塌破坏,在较大的水平位移及沉降发生后仍能继续承载,表现出良好的抗震性能;在地震波频率特性基本不变的情况下增长加速度峰值,墙面加速度放大系数有减小的趋势;格宾加筋土挡墙建造于7度及以下、8度、9度及以上抗震设防区时,格宾网竖向间距分别不宜大于1.0m、0.75m、0.5m;水平地震作用下挡墙潜在破裂面为双线段组合形式;提出格宾加筋土挡墙抗震设计位移控制标准。