玄武岩纤维增强复合材料在高边坡防护中的振动台试验研究

在地震烈度较低时,钢锚索可以很好地限制坡体变形,起到良好的边坡支护效果。但是在强震条件下,常规的锚索难以发挥其锚固作用,最终导致锚固失效破坏,常会引发边坡失稳破坏的现象,且在地下水等腐蚀性物质的作用下,常会造成钢锚索的锈蚀问题。鉴于此,通过大型振动台试验,对新型玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced plastics,简称BFRP)加固边坡及无支护边坡的动力响应进行了对比研究,旨在为高边坡加固中BFRP锚索的动力合理性设计提供科学依据。研究结果表明:相较于BFRP锚索支护边坡而言,无支护边坡在地震波加载过程中具有明显的变形阶段,主要可划分为弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段以及破坏阶段,且当输入波峰值小于0.2g时,BFRP锚索支护边坡与无支护边坡均可处于弹性状态;BFRP锚索支护边坡的加速度峰值均要大于无支护边坡的加速度峰值,表明相较于无支护边坡而言,BFRP锚索可有效提高边坡的刚度;同一工况的地震波作用下,无支护边坡中各测点位移谱值均要大于BFRP锚索支护边坡对应测点的位移谱值,表明BFRP锚索用于边坡支护工程中时,可以很好地限制坡体变形,有利于提高坡体的抗震性能。     

锚索框架梁加固平面滑动型边坡地震动力响应

设计并完成了一个缩尺比例为1:20的锚索框架梁加固平面滑动型边坡的振动台试验,通过改变输入地震波类型和峰值,研究了边坡体及支护结构的动力响应特性。试验结果表明：锚固边坡体的整体稳定性较好,地震造成的破坏主要为滑体顶部震碎和无约束坡面岩土体剥蚀、掉块;地震波在经过软弱夹层时存在能量聚集效应,不同地震波下滑体重心处加速度放大系数的差异性随输入地震波峰值的增加而减小;锚索在地震时表现出协同工作的特性,预应力损失最先发生在坡顶,然后向坡体中下部转移;在锚索框架梁的抗震设计时,应考虑边坡体上部的加速度放大效应和锚索预应力损失对边坡整体稳定性的影响。试验结果为合理考虑预应力锚索框架梁的抗震设计提供有益的参考。     

BFRP锚杆加固斜坡对地震动的响应特征——以功东高速响水河边坡为例

功东高速公路地震活动主要受小江断裂带控制,该活动断裂带曾经发生了多次破坏性强震,地震作用造成的边坡失稳以及对原有支护结构的损坏,对公路交通运营带来了极大的安全隐患,严重威胁着人民的生命和财产安全。鉴于此,本文通过振动台试验,对无支护边坡与BFRP锚固边坡在EL地震波作用下的加速度及动应力响应情况进行了研究,旨在为高速公路边坡的抗震设计提供一定的理论支撑,得到以下结论:(1)当输入地震波加速度峰值相同时,对应的高程处,无支护侧坡面的加速度放大系数比支护侧的加速度放大系数要大,表明BFRP锚固结构对边坡的加速度放大系数起到了有效地抑制作用,从而提高了边坡的整体稳定性。(2)由于地震波在坡体内传播介质不均匀的原因,使得坡面各测点加速度放大系数随输入地震波加速度峰值的增大并非呈现线性增加的关系,而是一种"锯齿状"的变化趋势。(3)BFRP锚固结构加固边坡二级坡坡面附近单元体压应力最大,坡体内部在三级坡后单元体压应力最大,而无支护边坡坡面主要承受边坡上部的拉应力,边坡体内单元受力并不均匀,表明BFRP锚固结构可以改变边坡单元体的受力状态。     

四川攀枝花机场12#滑坡动力响应数值模拟分析

本文以攀枝花机场12#滑坡Ⅱ-Ⅱ’断面治理工程为研究对象,以有限差分软件FLAC3D为研究工具,通过对坡体以及支挡结构的动力响应分析,得到如下结论:(1)坡体各测点峰值加速度出现时间稍微落后于输入地震波的峰值时间,表明由于边坡材料的阻尼作用,边坡动力响应存在滞后现象;(2)加速度放大系数总体随高程增加而增加,具有明显的高程放大效应。且突变点的存在表明支挡结构对于边坡的加速度放大效应具有一定的抑制作用;(3)外凸边坡处加速度响应较其他位置更为强烈,体现了明显的临空面放大效应;(4)地震对于抗滑桩桩身弯矩以及锚索预应力的影响不大,表明锚索抗滑桩加固边坡具有一定的抗震作用。     

地震波振幅对黄土-泥岩边坡动力响应规律的影响

研究地震作用下黄土-泥岩边坡动力响应特征,对边坡的稳定性评价和抗震设计具有重要指导意义。基于边坡的离心机振动台试验和数值模拟分析,研究地震波振幅对边坡地震动响应的影响规律,结果表明：由坡体深部至浅表层,黄土-泥岩边坡的水平向和垂向加速度放大效应呈非线性增加,且水平向大于垂直向,在坡体顶部到达最大,表现为趋表效应和高程效应;在边坡内部岩性接触部位,黄土层内动力响应较大,泥岩中动力响应较小,表现为岩性效应;随着输入地震波振幅的增加,坡体动力响应表现为先增大后减小的趋势,当输入振幅达0.3g时,坡体动力响应最大。黄土-泥岩边坡的变形破坏过程为：随输入地震波振幅增加,坡顶逐渐形成拉张裂缝,不断扩展,坡体中上部溜土,产生向临空面方向的位移,坡体中部发生鼓胀隆起,局部坡体振动松散,岩土体滑落至坡脚堆积。     

多级框架锚索和抗滑桩联合作用下边坡抗震性能的振动台试验研究

基于原型边坡设计了大型振动台模型试验,通过监测锚索轴力、桩身土压力、坡体加速度和坡面位移时程,研究多级锚索框架梁与双排抗滑桩组合结构加固含软弱夹层岩质边坡的地震动力特性。试验结果表明:在0.15g El Centro地震波激振时锚索预应力产生损失,最大损失比为23%,建议对变形等级要求较高的边坡在锚索抗震设计时适当提高预应力初始值1.2~1.3倍;沿边坡不同高度布置的锚索其轴力响应峰值几乎同一时刻到达,而峰值增加比例呈现出空间非一致性,在锚索抗震设计时应以坡体中部抗滑桩为界将边坡分为上、下区分别考虑;坡脚抗滑桩受荷段、锚固段土压力均随着输入地震波峰值加速度的增加而增大,主动土压力分布规律将由"上小下大"转变成"上大下小"的形状,被动土压力Ⅰ、Ⅱ区的分界点将向桩体下部发展;锚索与抗滑桩在地震时表现为协同工作机制,工程设计中要充分考虑地震效应对桩锚下滑力分担比的影响。该研究成果可为更加合理地考虑地震区锚索框架梁与抗滑桩组合支护结构的设计提供指导。     

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。     

自适应锚索锚固岩质边坡地震动力响应分析

强震作用下常规锚索往往会因材料变形能力不足导致应力过载而被拉断,一旦锚索失效将直接危及整个锚固结构的安全。为研究自适应锚索的动力响应规律以及在自适应锚索支护下锚固边坡的动力特性,以新型抗震锚索为原型,设计自适应锚索锚固岩质边坡试验模型,并利用振动台试验系统对试验模型进行加载。试验中采用正弦波、天津波、EI波以及Taft波等4种地震波进行研究,监测锚索的应变和边坡动力响应。结果表明：锚索的轴力和地震波幅值、类型、地震激励频率等因素密切相关;锚固边坡坡面加速度及位移沿边坡高程均有不同程度的放大,相对于无锚索支护边坡,锚固边坡坡面加速度和位移峰值均有减小;自适应锚索随着预设滑移恒阻力的不同,锚索会产生不滑移、瞬间滑移、逐步滑移3种工况,对应的锚索应变时程曲线和锚固边坡动力安全系数时程具有显著不同的特征;自适应锚索滑移工况下,滑体的安全系数虽然有局部减小的阶段,但是锚固结构的安全储备较大,可适应边坡大变形和瞬态冲击荷载的作用。试验结果可为强震区路堑边坡的支护和自适应锚索抗震设计提供一定参考。     

黄土基覆层边坡动力破坏特征的大型振动台试验研究

为了探讨黄土基覆层边坡动力破坏特征与加速度的响应关系,采用1∶20振动台试验,设置输入地震波幅值逐级增大,实时监测边坡裂缝试验全周期内发育规律,应用MATLAB动力破坏特征检测系统获取地表裂缝的基本信息,提出边坡表面动力破坏特征,并结合各工况监测点加速度峰值变化规律进行分析。得到如下结论:(1)输入加速度峰值0.6g时,坡顶和坡脚的裂缝宽度、裂缝面积均有跳跃性增长,表明土岩接触面部位土体已发生累进剪切破坏,滑面和坡面上的加速度峰值响应突变,振幅突变较大,表明边坡已经发生破坏。(2)沿坡面和滑面加速度放大系数均呈非线性增加,而沿坡面的放大系数在各工况下明显比沿滑面的大,说明加速度沿高程放大效应明显。(3)拉裂缝和剪切裂缝面积突增是边坡破坏的重要特征,贯通裂缝产生和加速度响应突变可以作为边坡动力破坏的依据。     

路堤震害模式及路堤动力特性研究

为研究强震区路堤的震害模式及动力特性,对汶川地震近场区路堤震害进行了调查,发现路堤震害以边坡上部拉裂、下部鼓张变形破坏模式为主,路堤震害严重程度与地震烈度、护坡措施和路堤本体加固措施关系密切,与路堤高度和地面横坡坡度关系不明显。利用振动台模型试验及数值模拟发现：加速度和动剪应力在路堤中上部增量最大、数值最大,且其最大值所在部位与拉裂缝出现部位基本一致;动土压力和位移在护坡道上方达到最大值,最大值部位与鼓张裂缝出现部位基本一致;张拉裂缝、鼓张裂缝均出现在距坡面3 m深度范围内,表明路堤损害是一种浅表层震害模式。通过动力数值计算,发现不同高度的路堤地面峰值加速度（PGA）放大系数形态呈现3种类型：沿程单调递增形态（h <10 m）、随高程增加而增加→衰减→增加的“三段形态”（h >20 m）以及介于前二者之间的过渡形态（10 m< h <20 m）。利用地震波传播理论对高路堤加速度反应机制进行了解释。     

地震作用下顺层岩质边坡动力响应和破坏模式大型振动台试验研究

5•12汶川大地震触发了大量的顺层岩质滑坡,对其进行研究很有必要。根据动力模型试验的相似关系,设计制作了1个坡角大于岩层倾角的尺寸(高×长×宽)为1.6 m×1.75 m×0.8 m的顺层模型边坡,并完成了大型振动台试验。试验结果表明,在坡体表面和内部竖直方向上,加速度放大系数随着坡体高程增加而增大,并且随着高程增加,加速度放大系数增大的速度加快;在坡体内同一高程上,坡面处的加速度放大系数大于一定水平深度坡体内部的加速度放大系数,表现出趋表效应;地震波输入频率对坡体动力响应有明显影响,随着频率的增加,越接近坡体的自振频率,加速度放大效应越显著;加速度放大系数随着输入波振幅的增加,总体上表现为递减趋势;通过和均质边坡振动台试验加速度监测数据对比,发现坡体结构对坡体加速度放大系数也有一定的影响,结构面对地震波的反射和折射作用加大了坡体加速度的放大效应。,对试验过程中坡体破坏特征的描述和分析发现,边坡的破坏模式为地震诱发－坡肩拉裂张开－坡面中部出现裂缝－裂缝贯通－发生高位滑坡－转化为碎屑流－堆积坡脚。研究成果对地震灾区滑坡形成机制的认识和减灾防灾有一定的价值。     

福堂水电站震后厂房边坡锚索加固及应力监测与分析

“5·12”汶川大地震后,震区边坡稳定性受到严重破坏,出现多种破坏形式,如崩塌、滑坡、变形等等。不稳定边坡存在巨大的安全隐患,所以对边坡进行加固势在必行。预应力锚索是高边坡危害防治的主要手段,将大吨位的预应力锚索锚固于边坡体内稳固的岩层中,通过施加预应力,可抵抗边坡体深层破坏和变形。锚索预应力变化监测对于岩土锚固工程具有重要意义,它通过监控施工过程中及工后的预应力状态,检验加固工程是否达到预期效果,根据长期的监测结果对坡体稳定状态做出评价,并决定是否需要采取适当的补救措施。结合福堂水电站震后厂房边坡锚索加固及其应力监测,探讨了压力分散型锚索应力损失及变化规律,对岩土锚固工程设计、施工提供技术支持。     

基于失稳状态耗能最小原理的预应力锚索加固边坡稳定性上限解析

基于岩土塑性极限分析上限理论的基本原理,考虑预应力锚索的加固效应,分析了单预应力锚索加固措施条件下边坡的稳定性特性,并由此探讨了多预应力锚索共同加固边坡的稳定性能量分析方法。结合强度折减技术,采用内点迭代方法和序列二次规划优化迭代法对锚固边坡安全系数目标函数进行了能量耗散最小化意义上的优化计算。典型算例的分析计算表明：锚索加固效应可以有效地提高边坡的稳定性,预应力锚索设置位置对边坡安全系数、临界滑裂面位置和锚索长度有显著影响。综合考虑锚索设置位置对边坡安全系数和锚索长度的影响,单锚索的最优设置位置应位于边坡中下部区域。采用多排锚索加固既可以保证边坡的安全储备,也可有效避免局部稳定性问题。     

强震作用下陡倾顺层岩质边坡动力响应与破坏模式研究

以陡倾顺层岩质边坡为研究对象,采用振动台模型试验与FLAC^3D数值模拟方法,对强震作用下陡倾顺层岩质边坡的动力响应规律和变形破坏模式进行了研究。研究结果表明：陡倾顺层岩质边坡在坡表及坡内竖直方向的加速度响应均表现出高程放大效应,而水平方向上的加速度响应则表现为趋表效应;输入波类型对边坡模型加速度响应有显著影响,正弦波作用下的加速度响应明显强于天然地震波;加速度放大系数随地震波振幅的增大,呈现先增大后减小的变化规律;地震波加载持续时间对陡倾顺层岩质边坡加速度响应的影响较小。对模型试验和数值模拟中边坡变形破坏特征的分析,得到陡倾顺层岩质边坡在强震作用下的破坏模式为：地震诱发-坡表岩层出露处岩块松弛张裂-坡肩岩层处拉裂张开-坡面中部出现剪切裂缝-裂缝逐渐贯通-发生多级高位滑坡。     

顺层岩质边坡地震动力响应研究

地震作用下边坡的动力响应研究是边坡动力稳定分析的基础,利用FLAC3D有限差分软件建立一个顺层岩质边坡动力数值模拟模型,对其在竖向和水平向地震耦合作用下的动力响应全过程进行研究。研究表明,地震竖向和水平向耦合作用模拟比简单的模拟水平向振动更加接近实际情况,对岩土体的破坏更大;顺层岩质边坡在耦合地震作用下存在垂直放大和临空面放大作用;坡面水平向和竖向加速度均随高程增加呈增大趋势,在结构面处增大特别明显;竖向地震波产生的水平与竖向拉裂是触发斜坡体产生初期崩滑破坏的主控因素;边坡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;耦合地震波作用下,随着av /aH的增大,坡面监测各点横向位移基本呈增大趋势,说明竖向地震作用起了重要的破坏作用。     

地形地貌对地震波放大效应数值模拟研究

采用FLAC3D 软件进行大量数值模拟,研究了地形地貌对地震波放大效应规律。结果表明:对于单面坡模型,斜坡较低时,坡体对天然地震波和简谐波的峰值加速度在竖直向和顺坡面向产生线性放大效应。斜坡较高时,若坡角低,两种波形的加速度等值线近似平行于坡面,天然地震波坡顶正下方极值性不明显,但随坡角增大而明显,坡面正下方可见若干条与坡面相平行具节律性的极小值条带,随坡角增大向一条极值带转化,简谐波在高低坡脚时坡顶面正下方区域内都出现等间距相间分布具节律性的极值条带,坡面正下方的极值带状性不如天然地震波明显,随坡角增大而消失; 若坡角高,两波形加速度放大系数顺坡面呈相间的极值圈分布。双面坡坡顶宽度越小,山脊越单薄,加速度放大效应越强烈,随坡顶宽度增大,坡肩加速度放大系数趋于稳定,双面坡对加速度放大效应强于单面坡。对加速度放大效应,多峰形双峰形单峰形,坡顶越不规则,加速度放大效应越强烈。V形河谷坡面上半部分加速度放大效应要强于U形河谷,U形河谷的谷底中部对地震波动力响应要强于V形谷。坡面局部不规则性只影响到坡面局部范围内的峰值加速度分布,坡高、坡角、坡顶几何特征为整个峰值加速度分布的控制因素。     

滑坡防治格构梁锚固系统振动台模型试验

为研究地震作用下锚固系统的动力响应,采用振动台进行格构梁锚杆支护滑坡模型试验。试验分别输入汶川波、EL Centro波、正弦波作为地震激励,监测锚杆轴力、坡体加速度和位移时程,研究锚固滑坡在地震作用下的动力响应差别、不同位置锚杆在地震作用下的受力机制。结果表明：低量级地震波（0.05 g～0.40 g）作用下,坡脚相对坡体的其他部位,浅表效应表现明显,坡脚滑面由于反复的揉搓作用,更容易出现裂缝,影响整个锚固体的稳定;建议在拟静力法设计的基础上,在滑坡坡脚密集地打入短锚杆或土钉以平衡坡脚滑面处出现的不协调往复运动。高量级地震波作用（0.6 g～0.8 g）下,坡肩处坡表效应表现明显、坡顶滑面处裂缝宽度不断增长,更易出现崩裂、崩滑等现象;建议加长坡顶的第1排锚杆,以抑制坡顶滑面处裂缝的下切发展;同时在坡顶面垂直地打入短锚杆或种植根系发达的植物护坡。格构梁锚固系统不会出现素土边坡的整体性破坏,强震作用下,首先是坡脚锚杆的承载能力受到损伤,顶层锚杆的抗拉力则因坡顶面及上表面的拉裂急剧增长。研究结果为更加合理地进行锚杆抗震设计提供了良好的基础。     

不同地质条件下隧道洞口仰坡地震破坏特性研究

针对洞口段均质围岩仰坡、含软弱夹层仰坡和桁架梁加固仰坡围岩3种工况,开展大型振动台模型试验,分析隧道洞口段仰坡模型土破坏形态。试验结果表明,均质边坡洞口段模型土在动力作用下坡肩土体先出现张拉裂缝,随着激振加速度增加,坡肩土体局部出现倾倒崩塌,最后沿坡面滑落堆积;含软弱夹层边坡在地震力作用下,仰坡坡脚部位土体挤压破碎,坡顶表面沿软弱夹层位置出现张拉裂缝,上覆土体沿软弱夹层滑动,最后土体大规模崩塌、滑落;洞口段加固边坡在动力作用下基本保持整体稳定,只部分梁格出现了局部的掉块,模型土顶部出现沿隧道轴向的细微裂缝。分析了隧道洞口段衬砌结构破坏形态,试验结果表明均质边坡洞口段AB两段衬砌模型裂缝分布较CD段复杂,认为洞口段地震影响深度为AB两段衬砌的长度,对应于实际工程中40 m;受软弱夹层影响,跨软弱夹层部衬砌模型裂缝形态较复杂;仰坡加固后,洞口段衬砌模型受力改善。研究结果可为山岭隧道洞口段边坡抗减震研究和设计提供参考。     

边坡锚固工程中广义Burgers模型的应用研究

流变是岩土材料的基本力学特性,流变效应是影响边坡变形及稳定性的重要因素。边坡锚固工程中,坡体介质应力调整和锚固力松弛直接影响加固坡体工程的稳定性,对工程安全性起着制约作用。考虑到坡体蠕变影响与锚固应力松弛的相互作用,结合工程实践,采用弹簧和Burgers并联模型进行锚索加固坡体的耦合蠕变分析,探讨其理论模型,获得了蠕变耦合模型的黏弹性流变参数。流变模型与试验结果的比较,显示了所建模型的正确性与合理性。     

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.