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。     

地震作用下边坡动力系数有限元分析

地震对边坡稳定性有重要影响,地震波在坡体内会产生动力放大效应,动力系数受边坡形态的影响.采用有限元方法作边坡动力分析时,根据边坡固有频率和坡体阻尼比确定出阻尼矩阵,选取合理的计算域宽度,边界采用人工一致边界,地震加速度输到基底.动力分析结果表明,坡度越大,边坡动力系数越大,动力系数沿坡高方向是变化的,坡脚处最小,坡顶处最大,以滑裂面以上楔体重心处的动力系数作为地震作用下边坡的动力系数值较合理,对于工程上较陡的边坡来说,动力系数在1.6-1.8之间.     

考虑运行风险的某岩质边坡坡比优选分析

为了研究某水电站岩质边坡在运行期内不同坡比下的抗风险能力并优化坡比,设计了不同工况(暴雨、地震)和不同坡比下的数值模拟分析。结果表明:(1)坡比一定时,随着降雨强度增加,位移逐渐增大,拉应力则变化较小;随着地震烈度增加,位移和拉应力均逐渐增大,且趋势愈明显。(2)断层区域对坡体位移场有着明显的分割作用,顺向断层则会使应力沿断层方向发生突变。(3)暴雨和地震分别作用下,边坡越陡最大位移均出现了不同程度的减小,且地震强度越大,最大位移对坡比越敏感。(4)在考虑边坡稳定性与工程造价的前提下,对开挖坡比进行组合优化设计后在各工况下为最优选择。研究成果对该工程边坡开挖施工具有较大的参考价值。     

路堑边坡地震响应及抗震设防研究

在工程设计中,由于路堑边坡未受行车荷载作用,其重视程度不及路基边坡.然而路堑边坡在地震作用下易发生塌方,切断交通,阻碍救援,造成巨大损失.通过数值分析方法,研究路堑边坡的地震响应规律,得出：由于岩土弹塑性体的耗能作用,坡脚位移响应最大,易失稳,坡顶的稳定性相对较好;坡项速度及加速度响应较大;路堑边坡应采取缓坡设计及柔性设防措施.     

框架预应力锚杆加固多级高边坡地震响应数值分析

依托实际工程,基于Geostudio岩土分析软件,建立了框架预应力锚杆加固多级高边坡的动力分析模型。通过设置边界条件,输入水平地震作用,分析了边坡在地震作用下的位移响应、速度响应、加速度响应和锚杆轴力响应。结果表明:水平地震作用下,边坡内的位移、速度、加速度和锚杆的轴力等均随地震持时呈波动性变化。水平位移随时间变化显著且具有累积效应,边坡水平位移远大于竖直位移。坡体临空面水平加速度幅值明显增大,临空面对地震加速度具有放大效应。边坡总应力从坡底沿坡高递减,在坡底总应力最大。预应力锚杆的自由段与锚固段轴力均随地震持时波动性变化,自由段轴力较大,锚固段轴力沿远离自由段方向递减。分析结果可为框架预应力锚杆加固多级高边坡的地震响应提供一定的依据。     

地下水位变化对砂土边坡地震动力响应的影响研究

研究地下水作用下边坡的地震动力响应,对边坡的工程抗震设计具有重要的指导意义。基于边坡的有限元仿真分析和室内振动台试验,研究地下水位变化对边坡地震动力响应的影响规律,研究表明:沿着边坡高度的增加,最大水平加速度放大系数与最大水平位移随着地下水位的升高均呈现出增大的趋势,与无水时相比,地下水的存在使坡面水平位移最大增大2.35倍;水位的升高导致边坡有效应力降低,且边坡地下水位最高时在远场地震动作用下最大有效应力比无水时降低63%,近场地震动作用下降低64%,对边坡的稳定极为不利;地下水对坡脚抗剪能力的影响存在一个临界水位,超过此临界水位时其对边坡抗剪能力的影响逐渐减弱;将室内振动台试验结果与数值模拟的结果进行对比,验证文中数值模拟结果的准确性。     

埋入式抗滑桩抗震性能振动台试验与数值分析

在静力作用下,已提出的有限元强度折减法在边坡支护中已经广泛运用,并取得了良好的经济效应。但在地震作用下,如何计算还需要研究。为提出合理的计算方法,进行振动台试验与数值分析。试验时输入双向汶川卧龙(NE)波,通过不断加大输入地震波的幅值,监测桩前、后土压力、坡面位移和加速度响应,研究埋入式抗滑桩在地震作用下的边坡破坏机制,最后通过提出的完全动力有限元法进行数值模拟。试验及数值模拟结果表明两者吻合较好。在地震动作用下,边坡破坏面是张拉-剪切复合破坏;有桩时比无桩时的边坡承载力大大提高,为埋入式抗滑桩抗震设计提供合理计算方法。     

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。     

地震作用下库水位变化坝坡稳定性数值模拟

为探究地震作用下库水位变化下坝坡渗透稳定性变化规律,利用Geostudio软件对三峡库区某边坡进行了数值模拟,得到了安全系数及Newmark位移变化曲线,计算结果表明,库水位水平越高,边坡安全系数越低,Newmark位移越大,最小安全系数的出现相对与地震的峰值加速度时刻有较大的滞后性;库水位骤降下,边坡安全系数随着库水位水平的逐渐下降,呈现先增大后减小的规律,库水位下降速率越大,边坡在库水位骤降与地震耦合情况下的最小稳定系数越小,最大Newmark位移也越大;边坡安全系数随着库水位水平的逐渐上升,呈现先减小后增大的规律,边坡在地震下的最大Newmark位移在库水位高程下降至157m之前呈现不断上升趋势。     

地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数分析

结合强度折减法的思想,并考虑到地震荷载特征以及离散元法和顺层岩质边坡的特点,提出一种求解地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数的方法。采用关键点位移/速度时程曲线的变化趋势对边坡的临界状态进行判断,采用失稳状态时坡体的速度/位移矢量图来判断与安全系数对应的滑动面。将上述方法运用到钟家湾顺层边坡的稳定分析中,并将所得结果与极限平衡法计算结果进行对比,发现二者的计算数值相差较小,对比结果表明该方法是合理可行的。在此基础上,利用UDEC初步分析地震荷载作用下坡高、坡度、岩层倾角以及地震波参数包括振幅、频率等因素对顺层岩质边坡安全系数的影响规律。     

地震波频率对岩质斜坡加速度动力响应规律的影响

 斜坡在地震作用下的动力响应是地震波各频率组分与斜坡体共同作用的结果,不同的地震波频率将产生不同的斜坡响应。依托于振动台模型试验,针对均质和层状结构模型斜坡,首先分析试验不同阶段白噪声激振下的动力特性,得出两模型斜坡的共振频率呈现降低趋势,模型内部结构趋于松散,且水平向加速度的第1阶共振频率要低于竖直向加速度的第1阶共振频率。着重分析斜坡加速度动力响应规律及其与地震波频率变化的相关性,结果表明：(1) 两模型的水平向加速度响应在相对坡底高程(h/H＞1/2)时具有明显的高程放大效应,竖直向加速度响应的高程放大效应出现在h/H＜3/4的部位,且这一特征与激振频率的大小无关;(2) 在同等激振强度下,随着激振频率增大,越靠近模型斜坡的共振频率,两模型斜坡水平向加速度的响应程度也越高,而竖直向加速度响应强度与激振频率的相关性因模型斜坡结构不同而异;(3) 激振强度增加时伴随的模型结构恶化(即共振频率降低)并不一定导致加速度响应强度的减弱,相反,高频激振波由于更加接近模型的共振频率,使得响应减弱的可能性变小;(4) 层状结构模型斜坡的加速度响应强度大于均质结构模型斜坡,当激振强度较大时,这种层状结构效应与激振频率的相关性增强,表现为随着激振频率增大,该效应对水平向加速度而言逐渐明显,对竖直向加速度而言则相对减弱。     

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。     

锚杆格构支护边坡振动台模型试验研究

 以锚杆格构支护的均值土坡为研究对象,设计并完成了几何相似常数为15的硅胶边坡模型振动台试验,研究了支护结构的动力地震响应特征。通过试验,得出如下结论：(1) 在同一正弦波激励下,格构同一测点的动应变值的变化范围是基本保持不变的,与正弦波激励的变化规律一致。但在破坏阶段,测点的动应变值表现为无规律的变化且应变值均较大。(2) 同一激励下,横、纵格构梁的受力水平是基本相平的;对于同一行格构,中间应变值较大;同一列格构,由上到下呈“大→小→大→小”的变化特征,说明边坡竖向变形变化很大且受锚杆约束的影响;格构梁的不同部位受力不同,需要对薄弱部位进行补强。(3) 相同频率下,格构测点的动应变值随着加速度的增大,整体上表现为递增趋势。(4) 低频正弦波的频率较接近边坡的自振频率,坡体加速的动力响应就明显,边坡的相对位移则越大,因此,格构的动应变相应增大。试验结果表明,试验采用的硅胶边坡模型可用于边坡支护结构的动力响应分析,且模型可以重复使用,极大地降低了试验成本。     

含软弱夹层岩质边坡在爆破地震波下的试验研究

为探求地质工程中爆破地震波作用下含软弱夹层边坡的动力响应特性,设计由混凝土基座和边坡模型组成的物理模拟试验,采用雷管和乳化炸药施加爆破地震波,开展考虑爆破孔位置和炸药量影响的多次爆破试验.首先,对速度、加速度响应分别进行快速傅里叶变换(FFT)、希尔伯特—黄变换(HHT),两者的频谱结果均表明符合爆破地震波的特征;然后...     

铰链式护坡及其地震反应特性分析

考虑土与结构动力相互作用的影响,建立了铰链式护坡的非线性动力相互作用的有限元分析模型,对其进行了地震反应数值模拟,分析了在不同地震动作用下的应力、加速度和相对水平位移反应特性,结果表明：在相同强度和频谱的地震动作用下,护坡中上部和底部的最大动应力幅值较大,护坡顶部和底部的加速度和水平位移较大;在相同强度和不同频谱的地震动作用下,在Loma Prieta波作用下护坡的动力反应比Kobe波作用下护坡的动力反应大。从护坡的地震反应特性考虑,护坡顶部和底部是地震动作用下的薄弱区域,在抗震设计中应引起重视。另外,对于护坡的中上部也应引起相应的重视。     

设置水平接地构件的掉层RC框架#br# 结构振动台试验研究

在山地掉层结构的实际设计中是否应建议设置水平接地构件是一个具有争议的问题。基于岩质地基的前提,设计和制作设置水平接地楼盖与未设置水平接地楼盖的6层1/8掉层RC框架结构模型各一个并进行振动台试验。对两模型的试验宏观现象及频率、振型曲线、阻尼比、加速度响应、位移响应、扭转响应等进行对比研究。结果表明：水平接地构件的设置加强结构顺、横坡向的刚度,显著改变结构的振型曲线;水平接地构件所在楼层的加速度放大系数受到限制,且相邻下层的加速度放大系数随地震强度增加而增大;两模型顺、横坡向变形规律不同且水平接地构件的设置大大减弱结构的扭转效应;设置水平接地构件的模型整体破坏相对轻些,且未发生显著的损伤转移。     

纵横波时差耦合作用的斜坡崩滑效应离散元分析——以北川唐家山滑坡为例

 运用离散元数值模拟技术,对北川唐家山斜坡体在具地域性和空间非均质性的地震纵横波时差耦合作用(同时考虑水平和竖向地震力作用)下产生崩滑破坏的动力全过程进行研究,确定该斜坡体在强震动力作用下产生崩滑破坏的形成机制及主控因素。研究表明：(1) 该斜坡体的初期崩滑破坏是受到地震纵波产生的水平与竖向拉裂耦合作用所致,并以竖向拉裂作用占优,而后期的抛射及运动过程则是受到地震纵横波的耦合作用所致;(2) 地震纵波产生的水平与竖向拉裂耦合作用是触发斜坡体产生初期崩滑破坏的主控因素,而斜坡所处地形(如高程差、沟谷延伸方向)则是促使破坏后的斜坡体形成后续碰撞解体及碎屑流等运动过程的控制诱发因素;(3) 该斜坡体动力响应特征值的放大效应表明,其放大系数值从大到小依次是：竖向加速度＞水平加速度＞竖向速度＞水平速度,该结果与斜坡体发生先期崩滑破坏的形成机制及主控因素相符合,即地震纵波产生的竖向加速度起到了优势破坏作用。以上结论对研究动力耦合条件下的斜坡崩滑效应具有较高的理论和现实价值。     

Centrifuge model test and numerical interpretation of seismic responses of a partially submerged deposit slope

Partially submerged deposit slopes are o ften encountered in practical engineering applications.Howeve r,studies on evaluating their stability under seismic loading are still rare.In order to understand the seismic behavior of partially submerged deposit slopes,centrifuge shaking table model tests(50 g) were employed.The responses of horizontal accelerations,accumulated excess pore pressures,deformation mode,and failure mode of the partially submerged deposit slope model were analyzed.In dynamic centrifuge model tests,EQ5 shaking event was applied numerically.The results indicated that in the saturated zone of the deposit slope,liquefaction did not occur,and the measured horizontal accelerations near the water table were amplified as a layer-magnification effect.It was also shown that the liquefaction-resistance of the deposit slope increased under multiple sequential ground motions,and the deformation depth of the deposit slope induced by earthquake increased gradually with increasing dynamic Ioad amplitude.Except for the excessive crest settlement generated by strong shaking,an additional vertical permanent displacement was initiated at the slope crest due to the dissipation of excess pore pressure under seismic loading.The result of particle image velocimetry(PIV) analysis showed that an obvious internal arc-slip was generated around the water table of the partially submerged deposit slope under seismic loading.     

基于静力模型试验的华丽高速公路金沙江桥华坪岸顺层边坡安全性评估

 顺层边坡的破坏范围及稳定性一般受工程扰动影响较大。以华丽金沙江桥华坪岸顺层边坡为研究对象,利用现场调查、地质力学方法和数值分析,综合确定华坪岸边坡破坏模式主要为后缘陡倾结构面控制剪入+T2凝灰岩软弱夹层主滑+前缘缓倾结构面剪出破坏控制。基于此,制作考虑后缘陡倾结构面和顺层软弱夹层边坡模型,设计了不同桥基荷载和水平荷载组合工况,分析余推力、位移、应力和应变发现：不同工况临界水平荷载为1.89～3.15 kN,临界水平地震加速度值为0.134 g～0.208 g,除100 a设防自然工况不满足外,其余条件下华坪岸边坡均满足工程区修正后地震设防标准0.105 g(50 a)和0.144 g(100 a)的要求。在模型试验过程中,数据的灵敏度和稳定性排序为表观应力和位移＞内部应力＞应变;传感器的费效比排序为量力环＞百分表＞土压力盒＞应变片。     

综合考虑水平和竖向地震作用的边坡稳定数方法

基于泰勒稳定数方法的拟静力分析是土坡地震稳定分析方法之一,该方法可以考虑水平地震作用得出地震作用下土坡的安全系数,但忽略了竖向地震作用的影响。为同时考虑水平和竖向地震作用,在前人工作的基础上,通过理论分析和公式推导,本文建立了一个能够同时考虑水平地震作用和竖向地震作用的解析公式,形成了改进的泰勒稳定图方法和计算流程。本文采用一个简单算例,通过与有限元计算结果的对比,验证了改进边坡稳定图方法的有效性。该方法能够方便地估算简单均质黏性土坡的稳定安全系数,为边坡工程抗震设计验算提供了参考。