基于振动台模型试验的特大断面隧道地震动态响应研究

以福州市二环路金鸡山隧道扩建工程为背景,设计制作了特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了21种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度与接触压力的地震响应。将响应加速度峰值与输入地震波加速度峰值的比值,定义为PGA放大系数。各测点的PGA放大系数随着高程增加呈负指数型增大,其场地高程效应的表现形式与一般场地明显不同;随着地震动幅值的增大,各测点PGA放大系数逐渐减小,且不同频率特征地震波激励对高程效应形态的影响已不明显。将响应接触压力峰值与静止接触压力的比值,定义为PEP震荡系数。随着地震动幅值的增大,拱顶与拱底处的PEP震荡系数则始终保持在较小范围内,而拱脚与拱肩处的PEP震荡系数均呈近似线性增大趋势,这为隧道抗震设计中,衬砌-地层接触压力的参数取值提供了定量参考。     

地下商场结构对地面运动影响的振动台试验研究

为了研究地下空间结构对场地地震反应的影响，以一个三层地下商场结构为原型，设计并开展了土?地下空间结构动力相互作用振动台模型试验，研究了在6条不同卓越频率输入地震波在不同峰值加速度下场地地震反应的变化规律。试验研究结果表明：（1）地表水平加速度放大系数以结构中轴线为对称轴呈对称分布，地下结构显著影响上方及邻近场地的地表水平加速度。同时，由于地下空间结构的局部场地效应影响，即使在水平地震输入下也将导致场地产生竖向振动，地表竖直加速度放大系数呈M形分布。地下空间结构的影响范围可达到其两侧各一倍宽度距离。（2）地表加速度放大系数受输入地震波卓越频率的影响明显，且随着输入地震波的峰值加速度（PGA）的增大而降低，但空间放大系数随着PGA的增大而增大。（3）地表加速度Fourier谱的峰值频率受输入地震波的卓越频率、场地水平方向的固有频率和竖向固有频率的综合影响。     

地震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡动力响应的试验研究

以青藏高原金沙江流域下归洼滑坡为原型,开展了含软弱夹层的顺层岩质斜坡振动台模型试验,基于斜坡峰值加速度PGA的放大系数和Hibert-Huang变换（Hibert-Huangtransform,简称HHT）时频特征分析地震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡动力响应规律。试验结果表明：斜坡在地震作用下表现出明显“高程效应”和“趋表效应”,PGA在坡表距离坡底1/4高度处、坡顶、软弱夹层处较大。随着输入地震动强度的增加,斜坡刚度逐渐降低,自振频率逐渐减小。当输入波幅值达到0.7g之后,斜坡发生开裂和结构变形。输入波幅值相同的情况下,PGA放大系数与高程呈正相关,同一测点随着输入波幅值增加,放大系数逐渐下降,不同输入波的类型和时间压缩比对斜坡动力响应影响差异较大。Hilbert谱显示,高程和软弱夹层对地震波能量有放大作用,高频部分的能量放大尤其明显。Hilbert边际谱表明,软夹层作用下高频部分的累积能量放大明显,在坡表距离坡底1/4高度处的测点能量突然增大,与加速度放大效应部分的结论类似;Hilbert边际谱显示,随着输入地震波幅值增加,高频部分和代表斜坡自振频率部分的累积能量逐渐降低,输入地震...     

地震动强度对斜坡加速度动力响应规律的影响

依托大型振动台试验成果,采用加速度响应峰值PGA及其放大系数相结合的分析方法,系统地探讨了上硬、下软和上软、下硬两种岩性组合结构斜坡模型,分别在正弦波和天然地震波作用下坡面各高程点的水平向和竖直向加速度响应随震动强度增大的变化规律。试验结果分析表明：①在天然波作用下两斜坡模型的水平向和竖直向PGA均随震动强度增大而增大,而放大系数则随震动强度增大到一定程度时,逐渐减小并趋于稳定;②在正弦波作用下两斜坡模型的水平向和竖直向PGA亦随震动强度增大而增大,然而竖直向PGA放大系数随震动强度增大亦有所增大,说明竖直向加速度响应表现出了相对于水平向响应较弱的非线性特征;③在水平向和竖直向地震力作用下加速度响应沿高程表现出的放大效应分别体现在斜坡模型的上段和下段。此外,斜坡模型的加速度响应沿坡面在坡脚、坡中和坡肩等特殊部位出现了多个极值区;④在水平向地震力作用下低频的地震波作用要强于高频地震波,且加速度在上硬、下软岩性组合结构斜坡模型中的响应要强于上软、下硬岩性组合斜坡模型;在竖直向地震力作用下则呈现相反结果。其研究结果对高地震风险山区的防震减灾及灾后重建都具有指导和借鉴意义。     

强震区桩−土−断层耦合作用下桩基动力响应

为研究桩-土-断层耦合作用下桩基动力响应特性,利用振动台试验选取0.35g地震动峰值加速度时4种类型地震波,研究断层上下盘桩基加速度响应、桩顶相对位移、弯矩及桩基损伤情况。试验表明：断层上盘桩基各项参数明显大于断层下盘,呈现出上盘效应;桩顶峰值加速度大于桩底峰值加速度,上部土层对输入地震波具有滤波作用;桩顶加速度响应相较于桩底具有滞后性;桩顶峰值加速度与桩顶加速度放大系数α在输入El-Centro波时最大;上、下盘α 差值在输入Kobe波时最大;弯矩和桩顶相对位移峰值在输入Kobe波时最大;弯矩在土层分界面处较大,输入不同地震波时弯矩峰值均未超过桩身抗弯能力;提出了强震区近断层桩基可根据验算内容选取合理地震波进行验算的抗震设计建议。     

三向地震作用下叠交隧道地震响应振动台试验研究

叠交隧道是涉及隧道之间、隧道与土体相互作用的复杂体系,其安全性将严重影响城市轨道交通建设。目前,对于叠交隧道振动台试验的研究集中在水平平行和交叉叠交隧道、单向和双向地震动输入。鉴于此,利用自行设计的层状三向剪切模型箱,对竖直平行叠交隧道开展三向地震作用下的振动台模型试验,研究地基土−叠交隧道模型体系动力特性、地基土加速度、叠交隧道加速度、地表沉降、地基土孔压、叠交隧道动土压力及叠交隧道应变等地震响应。结果表明：随着震波峰值加速度（peak ground acceleration,简称PGA）依次增加,地基土−叠交隧道模型体系的自振频率随之减小,而阻尼比随之增大;叠交隧道周围地基土加速度和孔压的梯度差随着地震波PGA的增大而增大,且上隧道周围梯度差比下隧道更大;地基土对加速度的放大效应随着地震波PGA的增大而减弱;相同地震波作用下,相同位置处的叠交隧道加速度傅里叶谱形状相似,但幅值随着地震波PGA的增大而增大。此外,与顶部和底部位置相比,腰部位置加速度傅里叶谱频段范围变宽,幅值峰值有所降低;地表沉降峰值随着地震波PGA的增大而减小,相比地基土两侧位置,中心位置的沉降峰值明显较小;地震波的类型对叠交隧道动土压力峰值和应变峰值影响较小;对于动土压力峰值,两隧道的最大值均为腰部,而上、下隧道的最小值分别为底部、顶部;对于应变峰值,上隧道在腰部明显大于顶部和底部,而下隧道在4个位置相差不大。     

堆积层滑坡地震动力响应的物理模型试验

以玉树7.1级地震诱发的玉树机场路堆积层滑坡为对象,该滑坡坡度约为10o,长×宽×厚为317 m×482 m×19.8 m,由以碎石土为主的上覆层、卵石土为主的滑动带及基岩3层组成,开展大型振动台模型试验,探究震后边坡再次承受振动荷载的能力以及地震垂直分量对坡体稳定性的贡献,分析其动力响应特征和失稳破坏机制。结果表明,强震作用下堆积层滑坡的永久变形是造成地震地质灾害的重要因素;随着输入地震荷载增大,坡脚率先破碎沉降,坡体中部产生弧形裂隙并产生沉降,坡顶出现贯穿张裂隙和剪切裂隙并向坡腰推进,表现出典型的牵引性滑坡特征;峰值加速度(PGA)、动土压力以及加速度频谱与输入地震波的强度、滑坡高程呈正相关;PGA放大系数呈现出明显的非线性特征,其变化趋势随地震荷载强度增大而减小,地震波垂直分量对滑坡PGA放大系数影响略大于水平分量。     

预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应特性研究

降雨、地震作用下,隧道洞口边坡易产生严重破坏,有必要研究隧道洞口边坡及支挡结构的动力响应特性。以中国西南某隧道洞口边坡为例,通过振动台模型试验,分析降雨、地震作用下预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应与破坏模式。研究结果表明：（1）隧道洞口边坡破坏过程为坡顶张拉裂缝―坡脚剪切溃裂―边坡整体滑移破坏。由于雨水入渗,坡表土体在地震作用下易产生局部浅层破坏。边坡破坏模式为张拉-剪切型。（2）随峰值加速度增加,桩身PGA放大系数显著增大,应重视该类支护结构在地震作用下的惯性放大效应。（3）桩后峰值土压力随峰值加速度增加而增大,由“S型”分布逐渐转变为倒三角形分布。峰值加速度大于0.4g时,锚索轴力逐渐增加,充分发挥张拉作用。（4）桩土压力与加速度傅里叶谱幅值集中于低频段,地震波沿高程传播存在“高频滤波效应”。（5）桩身位移谱幅值随峰值加速度增加而逐渐增大,沿桩身向上呈增加趋势;位移谱主频分布于1～4 Hz,卓越频率为2.5 Hz,与地震荷载的主频较接近。（6）桩体加速度间的关联性较好,桩体加速度、动土压力、桩体应变、锚索轴力相关性随输入峰值加速度增加而逐渐降低。     

小型土石坝加密抗液化离心机振动台试验研究

地震作用下土石坝液化易导致坝坡失稳滑移等严重后果,加密法是常用的抗液化手段之一。针对坝趾压重与坝壳翻压两种坝身加密加固方法,开展了离心机振动台试验,分析了不同加密型抗液化处理的小型土石坝坝坡地震响应规律。试验结果表明,由于高水头作用下坝坡底部土体软化,未处理坝坡加速度放大系数沿高程先减小后增大,而加密坝坡加速度放大系数沿高程逐渐增大,且坝坡表面处加速度存在表面放大现象。坝趾压重和坝壳翻压提高了坝身有效应力,降低地震产生的超静孔压比,有效防止土体液化。未处理坝坡在峰值加速度为0.24g地震作用下即发生坝趾液化现象,而加密坝坡在峰值加速度为0.24g和0.45g下均未发生液化。未处理坝坡整体侧向位移大,加密处理后,在峰值加速度为0.24g下坝坡整体表现为竖向位移。坝趾压重区坝趾水平位移明显减小,坝壳翻压区坡顶沉降减小了50%。试验结果验证了坝趾压重和坝壳翻压的抗液化效果,为小型土石坝抗震加固设计提供了参考。     

多年冻土区缓倾角土层斜坡的地震反应

进行垂直和水平动荷载下的大型振动台模型试验,研究地震作用下多年冻土缓倾角土层斜坡的地震响应、诱发滑坡破坏的主要影响因素及滑坡破坏的演化过程。结果表明,在土层坡度为8°缓斜坡振动台模型试验条件下,斜坡模型破坏后其水平方向自振频率降低较明显,而垂直方向无明显变化;坡体滑动是整体沿着冰-土界面软弱层进行的失稳滑动,沿斜面滑下的斜坡土体内部没有发生破坏;模型斜坡的峰值加速度(PGA)放大系数随着坡体高程增加而增大,破坏前坡面PGA放大系数无明显变化,破坏时和破坏后变化较明显,斜坡土体对水平方向地震波的加速度动力放大响应大于垂直方向,冰-土界面软弱层的加速度放大系数明显小于上部土体和下部冰体,在加速度达到一定数值时,冰-土界面的孔隙水压力会升高。斜坡冰-土软弱界面和超孔隙水压力升高是地震荷载下多年冻土区缓倾角土层斜坡滑动的主要内因。     

桩板式抗滑挡墙地震响应的振动台试验研究

汶川地震路基震害调查表明,在顺层或堆积体边坡中的桩板式抗滑挡墙具有良好的抗震性能。为了更好地了解该结构的抗震性能和优化抗震设计方法,以大型振动台模型试验为手段对其进行研究。为明确地震作用下桩板式抗滑挡墙的地震响应特性,试验采用缩尺的卧龙台站实测地震波对模型激励。试验结果揭示了土压力沿桩身分布规律、桩体位移和边坡岩土体加速度的地震响应特征。研究表明,地震土压力沿桩身呈非线性分布,竖向地震荷载对水平加速度有放大效果。所以,双向加载时的地震土压力比水平单向加载时大,但二者差距在地震基本烈度VII、VIII度区域不显著。滑坡推力、滑床对桩的土体抗力和桩身位移均与输入地震动峰值加速度成正比,即随着地震动峰值加速度的增加,加速度放大比增大;滑动面材料剪切强度折减,滑坡推力、土体抗力和抗身位移均增大,且增大速率加快。此外,结合试验成果,建议了桩板式抗滑挡墙设计时地震综合影响系数Cz的合理取值,对应地震基本烈度VII、VIII、IX度区分别为0.2、0.35、0.4。试验结果有助于揭示该结构抗震机制,也为其抗震设计提供了可靠依据。     

考虑场地效应的高陡岩质斜坡地震失稳机制

以金沙江乌东德水电站右岸的鸡冠山梁子高陡斜坡为典型实例,在斜坡表层地震动监测基础上,通过在斜坡弹性模型底部分别输入水平、竖向Ricker子波,发现：斜坡顶部低模量岩体材料在水平Rick子波激励下,易产生放大效应;而当输入竖向Rick子波时,易在模型表层地形凸起部位产生共振放大,其顶面表层卓越频率也与现场实测值基本一致。其次,对比分析了在分别输入汶川八角什邡加速度记录、典型鲁甸地震加速度记录时的斜坡弹塑性模型的稳定性和动力响应特征,发现：（1）斜坡在静力条件下可能存在3种不同位置潜在滑面,但输入两种地震波后,变形破坏区仅发生在顶部滑面位置;（2）输入汶川地震波时,斜坡顶部滑面剪应变增量明显大于输入鲁甸地震波时对应值,且前者的滑面出现明显整体拉破坏区,滑面上部水平、竖向残余变形也不收敛,处于震后斜坡失稳状态。后者滑面底部无明显的拉破坏区,滑面上部残余变形收敛,处于震后斜坡稳定状态;（3）斜坡水平、竖向加速度都在斜坡顶部低模量材料表层出现明显的放大现象,场地效应明显。此外,表层加速度普遍大于斜坡内部相应值,尤其是地形凸起位置。输入汶川地震波时斜坡顶部水平向加速度放大系数大于鲁甸地震波相应值,但竖向加速度放大系数两者基本一致。     

考虑场地效应的高陡岩质斜坡地震失稳机制研究

以金沙江乌东德水电站右岸的鸡冠山梁子高陡斜坡为典型实例,在斜坡表层地震动监测基础上,通过在斜坡弹性模型底部分别输入水平、竖向Ricker子波,发现:斜坡顶部低模量岩体材料在水平Rick子波激励下,易产生放大效应;而当输入竖向Rick子波时,易在模型表层地形凸起部位产生共振放大,其顶面表层卓越频率也与现场实测值基本一致。其次,对比分析了在分别输入汶川八角什邡加速度记录、典型鲁甸地震加速度记录时的斜坡弹塑性模型的稳定性和动力响应特征,发现:(1)斜坡在静力条件下可能存在3种不同位置潜在滑面,但输入两种地震波后,变形破坏区仅发生在顶部滑面位置;(2)输入汶川地震波时,斜坡顶部滑面剪应变增量明显大于输入鲁甸地震波时对应值,且前者的滑面出现明显整体拉破坏区,滑面上部水平、竖向残余变形也不收敛,处于震后斜坡失稳状态。后者滑面底部无明显的拉破坏区,滑面上部残余变形收敛,处于震后斜坡稳定状态;(3)斜坡水平、竖向加速度都在斜坡顶部低模量材料表层出现明显的放大,场地效应明显。此外,表层加速度普遍大于斜坡内部相应值,尤其是地形凸起位置。输入汶川地震波时斜坡顶部水平向加速度放大系数大于鲁甸地震波相应值,但竖向加速度放大系数两者基本一致。     

三段式锁固型岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究

设计和制作了三段式锁固型岩质边坡模型,并进行了大型振动台试验,对三段式锁固型岩质边坡在地震作用下的动力响应和变形破坏模式进行了分析.研究结果表明:三段式锁固型边坡模型的自振频率随振动次数的增加而逐渐降低,阻尼比则随振动次数的增加而逐渐增大;边坡模型水平加速度放大系数表现出明显的高程放大效应和趋表效应;在不同类型输入波的作用下,边坡加速度响应存在着明显的差异;加速度放大系数随着输入波频率的增加表现出先增加后减小的变化规律,且在频率为15 Hz时峰值加速度放大系数达到最大值;随着输入波振幅的增加,坡体加速度放大系数总体上表现为先增加后减小的变化趋势;在地震波的作用下,位于坡体顶部裂缝和底部软弱夹层之间的锁固段出现多条裂缝,并不断发展呈X型贯通,最终在坡体内部形成3级滑面,并在持续的振动作用下,边坡沿着3级滑面发生滑动破坏.      

基于振动台模型试验的二元结构边坡地震动力响应研究

在强震区,地震诱发边坡失稳等地质灾害的安全隐患十分突出。同时,针对由上覆松散堆积物和下卧基岩构成的土岩二元结构边坡,其地震作用下动力响应的相关研究仍较为少见。因此本文以海西福永高速ZK132+300段典型土岩二元结构边坡为原型,设计制作了1/20缩尺模型边坡,在福建省土木工程灾害防治重点实验室的双向地震模拟振动台上,完成了20种工况的模拟地震动试验。重点关注坡体高程、地震动幅值、地震动频率特征对PGA放大系数的影响,得到以下结论。坡内和坡面各测点处PGA放大系数,均呈现出明显的高程效应和鞭梢效应;但锚框支护能有效抑制坡面的趋表效应。随着输入地震动幅值的增大,土体表现出明显的塑性特征,坡内和坡面各测点处PGA放大系数,按高程依次呈线性减小或指数型减小。在相同幅值、不同频率特征的地震波作用下,坡面各测点处PGA放大系数呈现出明显的差异性;但这种因地震波频谱特性不同而产生的差异,随着高程增加而逐渐减小,并在坡顶处趋向一致。同时通过对边坡表观破坏特征的描述,发现二元结构边坡的裂缝发展仅出现在上部土质坡体的坡顶和坡肩自由面附近,未出现贯通性裂缝和整体滑移失稳,认为锚框支护结构极大提高了上部土质边坡的抗震性能。     

地震荷载下风积沙路堤动力响应规律

为了研究风积沙路堤在地震动荷载下的动力响应规律,设计和制作了模型路堤并进行振动台试验,通过对模型中埋设的多个加速度传感器和位移传感器记录的数据进行分析,得出风积沙路堤模型在动荷载作用下的动力响应规律。得出如下结论:模型路堤对输入的地震波具有明显的放大作用,加速度反应放大系数PGA随着竖直高度的增加显著增大;在路堤内同一高度沿水平坐标的增大放大效应变化不明显或稍有增加;当控制地震波波形和强度相同时,边坡坡率越大PGA放大效应越明显;另外,风积沙路堤的阻尼比、自震频率、动模量等参数随着动荷载作用历史的变化而变化,从而进一步影响风积沙路堤加速度响应的频谱特性。研究风积沙路堤在动荷载作用下的动力响应,可以为沙漠地区高填方路堤抗震设计提供技术支持。     

强震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡动力响应规律试验研究

青藏高原东南三江流域沿江分布着数以万计的古滑坡和潜在滑坡,对在建的川藏铁路构成严重的威胁。通过振动台模型试验研究了强震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡的动力响应规律。分析不同地震动参数、输入波类型和软弱结构面对斜坡动力响应规律的影响。试验结果表明：斜坡的自振频率随着输入地震波次数的增加而逐渐降低,振动强度为0.3g和0.6g是斜坡启裂和失稳的临界动力条件。斜坡具有明显的高程效应,加速度放大系数沿坡表呈现先增加、后减小、再增加的趋势,在1/4坡高和坡顶处较大。坡内竖直向加速度放大系数随高程增加呈现线性增加的趋势。频率对斜坡动力放大响应影响较大。斜坡对低频地震波的放大效应不明显,甚至有抑制作用。随着频率的增加,斜坡的动力放大效应越来越明显。随着幅值的增加,斜坡加速度放大系数呈现先增大后减小的趋势,在振动强度为0.3g～0.4g时达到最大值。不同类型地震波作用下,斜坡对天然波的放大作用高于人工合成波。软弱夹层的存在使输入的地震波出现了明显的放大,并通过快速傅里叶变换（fast Fourier transform,简称FFT）发现,软弱夹层的位置对输入地震波的频段的敏感程度不同。该试验揭示了含软弱...     

上海软土场地三维非线性地震反应分析

考虑土的非线性,采用弹塑性边界面模型,对上海软土场地进行三维地震反应分析。利用多维地震动作用下的水平地层弹塑性动力反应分析程序,以具有水平和垂直三向完整加速度记录的Taft波作为地震输入,对比分析单向和多向地震输入场地水平和竖向地震反应特征,并分析不同强度地震动输入下竖向和水平加速度峰值比特征及地下水位变化对场地土层地震反应特征的影响。计算分析表明,竖向与水平向地震反应特征有较大差异;与水平单向地震输入相比,三向地震输入场地土层放大效应明显增大;地下水位上升对水平向和竖向峰值加速度的放大效应影响差异显著,地下水位上升,地表水平峰值加速度放大效应增大,竖向峰值加速度放大效应减小,研究结果对上海地区的工程抗震设计具有参考作用。     

含软弱夹层锚框支护边坡的地震响应研究

以漳州招银高速MK10+250段含软弱夹层岩质边坡的锚框支护工程为原型,设计了1/30缩尺模型边坡,开展了20种工况的模拟地震动试验,重点关注坡体高程、地震动幅值对PGA放大系数和PEP震荡系数的影响。坡内和坡面各测点处PGA放大系数,均呈现出明显的高程效应;但由于软弱夹层的隔震作用和锚框支护的加固作用,使得边坡加速度响应更趋于整体性,不表现出明显的鞭梢效应。坡内和坡面各测点处PGA放大系数,随着输入地震动幅值的增大呈线性减小或指数型减小。各测点处PEP震荡系数随埋深增大呈近似线性增加,随地震动幅值增大呈非线性增加;并且在高烈度工况下,指向坡外方向的附加水平压力大于指向坡内方向。通过对边坡表观破坏特征的描述,发现表观破坏主要集中在软弱夹层上部坡体中,尤其是坡顶表层出现了贯通裂缝;但由于锚索-框架支护的加固作用,其边坡并未沿软弱夹层发生整体性失稳。     

软弱场地的地震动效应研究

软弱场地的地震动效应问题一直是工程地震学的研究重点。本文所说的软弱场地主要对应场地分类中的Ⅳ类场地,覆盖层较厚并含有软弱土夹层,以天津滨海地区为主要代表。研究表明,场地土本身对地震动具有放大作用,而软夹层具有减震作用,含软夹层的软弱场地对地震动参数的影响可以认为是场地土和软夹层对地震动参数的影响共同叠加的结果。叠加的结果将使其具有不同于其他场地的特点。本文选取了天津滨海地区不同地点的钻孔实例来进行计算,说明这类场地对地震动参数的影响。从计算的结果看,对地表峰值加速度而言,含软夹层的软弱场地的放大系数要小于其他类别场地的放大系数,而且在输入地震动较小时相对于地震动输入是放大作用;在输入地震动峰值较大时,表现为减震作用。对反应谱的特征周期而言,场地越软,反应谱越宽,特征周期值越大,而且随着输入峰值加速度的增加,特征周期也增加。对反应谱平台值来说,场地的影响并不显著。