不同类型地震波作用下堆积体边坡动力响应及失稳特征研究

准确理解地震作用下堆积体边坡的动力响应及失稳特征,可以为边坡抗震设计及稳定性分析方法提供依据。为了探讨不同类型地震荷载作用下堆积体边坡的失稳特征及动力响应,该文开展室内振动台模型试验。分析不同加载波形条件下边坡失稳特征以及加速度放大系数随相对高程、无量纲加速度幅值和频率参数的变化规律。探讨堆积体边坡的典型失稳特征和相关的物理机制。结果表明,正弦波作用下堆积体边坡加速度放大系数沿相对高程增长而变化较小;汶川清平波和El-Centro波作用下边坡加速度放大系数沿边坡相对高程呈较明显增大趋势。无量纲参数对放大系数影响较弱。当振动荷载达到边坡破坏的临界荷载时,边坡在短时间内即出现失稳破坏,破坏具有突发性,失稳模式具有典型的震裂-溃散型滑坡模式。在地震动力荷载作用下边坡位移变形可分为两个典型阶段:微变形阶段和急速上升大变形阶段。就该文3种波而言,在相同波峰幅值条件下,相同持续时间内正弦波所携带的总能量最大,最易使边坡失稳。     

风干堆积体边坡地震响应的动力离心模型试验

 堆积体边坡在我国西南地区广泛分布,为深入研究其地震响应规律,设计完成了1∶50比尺的概化边坡离心振动台模型试验,分析4级不同强度地震连续作用下,风干堆积体边坡的加速度响应、边坡变形及其失稳模式。试验结果表明,堆积体边坡水平向PGA放大系数表现出了典型的高程放大效应与趋表放大效应。沿堆积体边坡高程方向,输入地震波频谱特性发生了明显改变,各测点加速度傅里叶谱的卓越频率随PGA增大而降低。考虑竖直向加速度放大效应的影响后,发现合放大系数与水平向夹角随高程有减小的趋势,反映了坡面处发生的波场分裂与波型转换现象。随地震波幅值的增大,水平向与竖直向PGA放大系数均先减小后增大。试验过程中观察发现在地震波加速度峰值达到0.216 g时堆积体边坡开始失稳,坡顶沉降明显,失稳模式以浅层崩滑为主。     

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。     

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。     

下伏基岩堆积体边坡抗滑桩加固前后地震响应特征离心模型试验

 为研究抗滑桩加固上覆堆积体--下伏基岩二元结构边坡的抗震机制,开展2组1∶50比尺的离心振动台模型试验,以对比分析下伏基岩堆积体边坡在抗滑排桩加固前后的地震响应特征与抗滑桩的桩身弯矩分布规律。试验时,输入4级加速度峰值连续增大的El Centro波,监测边坡模型坡面与坡体内的加速度响应、坡顶沉降变形以及抗滑桩上静、动弯矩的分布。试验结果显示由于抗滑桩抑制了上覆堆积体的下滑,坡顶的加速度峰值(PGA)放大系数、加速度反应谱以及竖向沉降变形均有不同程度的降低。抗滑桩一方面加固了上覆堆积滑体另一方面在坡体内产生了地震波的反射叠加效应,使得边坡水平响应加速度放大系数出现了桩前增大桩后减小的现象。下伏基岩堆积体边坡坡顶沉降与Arias烈度在抗滑排桩加固前后均具有良好的正相关线性关系。地震荷载作用过程中抗滑桩动力响应弯矩变化幅值明显大于地震作用后的静弯矩增量,且静弯矩与动弯矩变化幅值的分布均在基岩面附近达到峰值,易在基岩面附近造成抗滑桩的破坏,类似工况下抗滑桩的抗震配筋设计应充分考虑这一特点。     

黄土丘陵区边坡动力响应及震陷变形分析方法

黄土丘陵区易发生震陷型边坡失稳。通过动力离心模型试验和有限差分非线性动力分析方法研究地震时黄土边坡的动力响应及变形机制,探究了地震作用下概化黄土边坡的加速度及位移响应,提出了基于动单剪试验条件下黄土震陷系数经验公式及黄土场地震陷量估算方法,并应用于黄土边坡震陷变形计算。结果表明：黄土边坡对地震荷载具有放大效应,加速度放大系数沿高程呈非线性增大,且坡面动力放大效应大于坡体内部;边坡的震陷量与土层厚度关系密切,土层震陷系数随高程呈对数式增加;地震作用下黄土边坡的破坏形式是水平滑移变形与竖向震陷变形双向耦合的结果,震陷变形表现显著,边坡向临空面滑动,坡顶张拉裂隙和坡面错位裂隙大量发育,震陷沉降不均导致坡面形成错位阶梯。     

地震和降雨耦合作用下黄土边坡动力响应的振动台试验研究

2013年岷漳Ms6.6级地震诱发的永光村泥流状滑坡表明,单一因素下稳定的黄土边坡在地震和降雨耦合作用下会诱发严重的岩土灾害。因此,基于防御与减轻地震灾害的现实需求,开展了地震和降雨耦合作用下黄土边坡振动台模型试验,通过加载卓越频率差异较大的原始波和压缩波,研究了地震和降雨耦合作用下黄土边坡的动力响应特征。试验结果表明:边坡动力作用过程,土体微结构不断损伤演化,土体动力参数——共振频率与阻尼比随动载强度增大不断调整变化,从而引起边坡不同部位加速度响应特征(频谱、幅度)的变化。PGA放大效应取决于边坡自振频率与荷载主频接近程度,当二者愈接近,放大效应越明显,反之放大效应越弱甚至响应衰减(放大系数小于1)。根据边坡模型宏观变形以及相关物理量的变化特征,地震和降雨耦合作用下的边坡失稳破坏过程可划分为:弹性动变形阶段、残余变形快速增加阶段、液化滑移阶段,不同阶段边坡动力响应各具特点。     

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。     

地震作用下多锚点桩加固土质边坡的抗震优化对比振动台试验研究

为了研究地震作用下多锚点桩加固边坡的加速度和动土压力响应的分布特征和空间变化规律,探讨多锚点桩优化抗震性能,利用大型振动台试验,通过多锚点桩边坡模型稳定性、加速度和动土压力时域特性初步分析得到沿桩身高程不同位置的区域性空间分布特征;基于上述分析运用傅里叶变化和统计学概率散点矩阵运算获得定量化表征多锚点桩加固边坡损伤水平的相关性;进而利用SPECTR计算取得多锚点桩边坡模型优化与否地震动变形破坏位移值Sd的区域性差异。结果表明:(1)在不同地震强度作用下,边坡模型表现出区域性损伤破坏的空间耦合变形连续效应,加速度和动土压力幅值空间分布表现出桩身结构物未优化侧幅值反响突出的特点。(2)加速度沿高程存在加速度滞后的差异主要是主震后的传播阶段造成的,桩身在同一震区发生前的各组地震动土压力和加速度响应之间的相关度极弱,前震的地震动特性亦并非各级地震动序列的简单重复叠加。(3)用聚苯乙烯泡沫(EPS板)作为减震层、消能弹簧作为改善锚头自协调装置优化的多锚点桩对地震作用下坡体变形起到缓冲和消能的作用,其优化效果与减震层的位置相关。(4)在低强和中强度地震作用下,锚头消能弹簧装置的可伸缩变形改善了多锚点桩身沿高程的变形协调性,可改善桩身的地震波传播特性。(5)高强度地震作用下,桩身滑面处对地震的敏感性强,EPS发生塑性变形,增大了优化侧相对位移值,易造成多锚点桩在滑面位置发生"鼓胀"破坏或者剪切破坏,容易成为多锚点桩的抗震薄弱环节。这些结果有助于为多锚点桩的优化抗震设计提供理论依据。     

汶川地震中国道G213左侧某典型高山河谷场地地震滑坡响应分析

 以国道G213左侧一处包含河谷地形的高陡边坡为原型,采用新型离散元计算方法--基于连续模型的离散元方法(CDEM),对高烈度地震作用下高陡边坡上的堆积体滑坡由变形累计到破坏滑动的全过程进行模拟,并结合振动台试验结果,对该高陡边坡上堆积体的地震滑坡响应进行研究。研究结果表明,在地震力和重力作用下,堆积体顶部先出现应力集中,造成堆积体沿基岩–堆积体结构面后缘产生变形,进而造成该处出现拉伸、剪切破坏点,之后随着地震动的持续,基岩–堆积体结构面上的剪切破坏点逐渐向堆积体中前部的锁固段扩展,同时伴随着堆积体表面拉伸破坏点的增加,最终造成锁固段发生渐进性破坏,堆积体从剪出口滑出形成滑坡。滑塌发生的时间与地震动峰值加速度到达的时间同步或稍微有所滞后。在高陡边坡地形中,以输入地震波为基准,不论是坡面还是坡体内,不同位置的峰值加速度沿坡高均有所放大,表现为竖向峰值加速度的放大效应＞水平峰值加速度的放大效应,坡面峰值加速度的放大效应＞坡体内峰值加速度的放大效应。在河谷地形中,以输入波为基准,不论是河床还是河岸两侧的斜坡,不同位置的峰值加速度沿高程均具有不同程度的放大;河谷对加速度放大效应的影响具有一定范围,且在该范围内水平加速度的放大效应＞竖向加速度的放大效应,与坡面处加速度的放大效应刚好相反;加速度的放大效应具有一定的方向性,且该方向性与河岸两侧斜坡的坡度有关;加速度放大效应在河谷底部的分布具有不均匀性,距离河岸越近,加速度放大效应越强烈。     

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。     

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。     

黄土斜坡坡面位移和加速度响应特性的振动台试验研究

以平凉崆峒区黄土塬斜坡为原型,开展含裂隙黄土斜坡和不含裂隙黄土斜坡的对比振动台模型试验,研究地震荷载作用下黄土斜坡坡面位移和加速度响应规律。通过三维光学测量分析系统,高精度、实时获得斜坡表面的变形量。试验表明：随着输入地震荷载的增加,含裂隙黄土斜坡和不含裂隙黄土斜坡坡面PGD均呈现出随着坡高的增加逐渐增大的变化趋势;在相同地震波输入下,水平向加载作用下坡面峰值位移略大于垂直向加载,有裂隙斜坡坡肩处位移值约为无裂隙斜坡的1.5倍。通过对比坡面不同高度处的PGA放大系数,表明两类斜坡水平向的加速度放大效应大于垂直向放大效应,并在坡肩达到最大值,呈现出高程效应与趋表效应;有裂隙斜坡坡肩处的PGA放大系数明显大于无裂隙斜坡。     

地震作用下黄土滑坡加速度深度放大效应及震后变形模式研究

基于相似比理论,设计并完成了典型黄土滑坡物理模型试验,采用先进的离心机振动台技术,实现水平+垂直振动,研究黄土滑坡的地震动放大效应及变形模式,并配合有限差分数值模拟方法相互验证。结果表明：沿滑坡体浅表层加速度放大作用具有明显的趋表效应,水平向和垂向加速度放大效应呈非线性增加,且水平向大于垂向;在滑坡体的滑动面附近加速度放大作用呈现出岩性结构效应;随高程增加加速度响应逐渐增大,表现出高程效应,滑坡后壁放大作用明显。随入射地震波强度的增加,滑坡体内部关键部位加速度放大作用基本是先增大后减小的趋势。强震作用下黄土滑坡的破坏形式为：滑坡后壁形成拉裂隙并逐渐扩展,滑坡后壁发生崩塌,滑体略有下挫,形成拉槽,坡体中部鼓胀,坡脚有大量崩积物。研究结果为探讨地震作用下黄土滑坡的加速度放大效应和变形破坏情况,以期为天水地区黄土滑坡的地震稳定性评价和抗震设计提供参考。     

反倾层状结构岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究

 采用物理模型试验,研究强震作用下反倾层状结构岩质边坡动力响应特征及破坏过程。试验结果表明：(1)加速度放大系数具有随坡高而增大,且越接近坡顶放大越明显的非线性高程效应及越接近坡表放大越强烈的非线性趋表效应。(2) 基本以3/4坡高为界,此高度以上,边坡水平加速度放大效应明显高于垂直加速度,而此高度以下,垂直加速度放大效应较明显。(3) 地震波频率对加速度放大系数影响最大,当地震波频率越接近坡体自振频率时,加速度放大越明显,且边坡出现波动特性的坡高越低。(4) 加速度峰值不改变动力加速度放大系数在坡体内的分布,但加速度峰值越高,边坡动力加速度放大系数越大。(5) 反倾层状结构边坡在地震力作用下的破坏过程主要为：地震诱发→坡顶结构面张开→坡体浅表层结构面张开→浅表层结构面张开数量增加、张开范围向深处发展,且坡体中出现块体剪断现象→边坡中、上部及表层岩体结构松动,坡体内出现顺坡向弧形贯通裂缝。试验中出现的变形分带现象进一步证明了动力加速度放大系数在坡体内分布的非线性。     

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。     

含泥化夹层顺层和反倾岩质边坡动力响应差异性研究

设计并制作了两个同尺寸的含泥化夹层顺层和反倾岩质边坡,并进行了大型振动台试验,对含泥化夹层顺层和反倾岩质边坡的动力响应差异性进行了分析,研究结果表明:顺层边坡坡体内部加速度放大系数整体上小于反倾边坡;在坡体中上部(相对高度大于0.4),顺层边坡坡面加速度放大系数大于反倾边坡,在坡体下部(相对高度小于等于0.4),顺层边坡坡面加速度放大系数与反倾边坡近似相等;顺层边坡和反倾边坡坡面位移随输入地震动强度增大而大幅度增加,顺层边坡坡面位移大于反倾边坡,且随着输入地震波幅值的增加,顺层边坡和反倾边坡坡顶位移之间的差值增大;反倾边坡较顺层边坡具有更高的地震稳定性;顺层边坡破坏形式主要表现为坡体后缘的垂直张拉裂隙、岩层沿泥化夹层的顺层滑动以及坡顶岩块崩落,而反倾边坡的破坏形式主要表现为坡面水平向和垂直向裂隙交错、泥化夹层挤出以及坡顶被震碎。