地震作用下BFRP锚固结构动力固坡效应研究

地震作用下锚杆结构动力固坡效应是以被加固岩土体为主要研究对象,研究锚固结构加固边坡所产生的动力效应是岩土锚固工程的研究重点和发展趋势。基于玄武岩纤维复合材料BFRP（basalt fiber reinforced polymer）锚索框架加固边坡与未加固边坡的振动台模型试验对比,定量地分析在鲁甸地震波加载作用下边坡坡面加速度放大系数的动力响应。结果表明,（1）随着输入地震波加速度峰值的增大,边坡坡面局部破坏有利于该位置处地震波竖直分量的放大作用,与同一位置地震波水平分量的放大效应恰好相反,可以作为判识边坡岩土体出现局部破坏的方法;（2）根据加速度峰值比K_(i)与高度关系曲线的物理意义得出,BFRP加固边坡在输入地震波加速度峰值大于等于0.4g时坡体局部才会受到较大动剪应力的影响,动剪应力的作用主要发生在坡体中下部位置,与未加固边坡有着明显差异;（3）通过分析模型试验过程中的宏观试验现象,揭示了未加固边坡的震害损伤主要发生在坡体顶部和临空面位置,变形破坏发展过程为坡顶出现张拉裂缝、临空面出现剪切裂缝→裂缝延伸扩展→裂缝交叉位置出现坡体沉陷和剥皮掉土→边坡浅表层自上而下分层破坏,BFRP锚索框架加固边坡仅在坡面局部位置产生剪切裂缝,整体性较好,可见BFRP锚索框架可以有效地适应坡面的变形,减小因坡体不同高度位置动力响应不同而产生的震害损伤破坏,具有良好的抗震性能。     

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。     

框架锚杆支护黄土边坡大型振动台模型试验研究

设计并完成了相似比为1:10的框架锚杆支护黄土边坡的大型振动台模型试验,通过加载不同波型、加速度峰值和持时的地震波,探讨了地震作用下模型边坡的动力响应规律,并对框架锚杆支护结构的抗震性能进行了评价。试验结果表明：框架锚杆支护结构加固黄土边坡的抗震效果是显著的,在进行框架锚杆支护结构抗震设计时需要输入不同的地震波来验证其可靠性。框架锚杆支护结构作用下,黄土边坡对地震波具有明显的滤波作用和频谱放大作用,边坡加速度响应具有临空面放大作用和垂直放大作用,随着输入地震波峰值的增大,PGA放大系数呈减小趋势,在地震输入加速度峰值较小的情况下,加速度响应出现“衰减”现象;在框架锚杆支护下,黄土边坡的位移得到了有效的约束,动土压力分布曲线呈现“双曲线型”变化,动土压力大小沿高程方向从坡脚至坡顶呈倒三角形分布。试验结果可为框架锚杆支护结构加固黄土边坡的抗震设计提供一定的参考。     

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。     

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。     

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。     

锚固长度对加锚边坡地震动力特性的影响

现场调查发现,框架锚杆支护的边坡其地震稳定性要比采用挂主动网防护和锚喷支护的边坡优越.采用拟静力法对汶川震区内锚杆支护边坡的地震稳定性进行检算后得知,地震作用下边坡的安全系数随锚杆长度的增加而增大.利用FLAC3D分析了地震作用下锚杆长度对边坡动力特性的影响.结果表明:锚固措施能有效抑制坡表加速度的放大作用,且PGA放大系数随锚杆长度的增加而减小,但在锚杆长度相差不大的情况下,PGA放大系数差异很小.地震作用下锚杆支护边坡的水平峰值位移出现在边坡坡顶,随着锚杆长度的增加,边坡的水平峰值位移沿坡高明显减小.锚杆轴力在地震作用下放大显著,且锚杆的长度越长,其在地震作用下的轴力越小.     

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。     

地震作用下堆积体边坡的坡面变形与失稳机制

地震作用下堆积体边坡的动力响应特性十分复杂,单一抗震安全系数不足以评价其动力稳定性。通过大型振动台试验,研究了连续多级地震荷载作用下,地震波的类型、卓越频率及峰值加速度对堆积体边坡坡面永久位移的影响,并初步分析其失稳机制。试验结果表明,相同峰值加速度下振动型地震波比冲击型地震波更容易产生坡面永久位移,地震波卓越频率对坡面永久位移也有重要影响;堆积体边坡在峰值加速度apeak=0.2g时开始有大颗粒石砾滚落,对应的坡面永久位移在apeak=0.2g～0.3g之间开始产生并显著增大,另外利用考虑坡面几何形态变化的改进Newmark法对坡顶的永久位移进行了估算。通过坡面永久位移评价堆积体边坡的动力稳定性有一定合理性。     

滑坡对不同特性地震波的动力响应规律

地震边坡是边坡工程和地震工程的重要对象之一,而边坡在地震作用下的动力响应规律则是研究的核心内容。本文以玉树机场路滑坡群0#滑坡第七条块为研究对象,以大型有限元分析软件FLAC3D为研究工具,通过对正弦波、玉树水平波、玉树竖向波不同加速峰值作用下滑坡动力响应规律的研究,得到如下结论:(1)加速度放大系数在滑床内基本呈线性增大,但在滑面处有明显间断。(2)在正弦波、玉树水平波不同加速度峰值条件下滑带对加速度的影响规律一致。当加速度峰值较小时,滑带对加速度的影响较弱,随着加速度峰值的增大,滑带的滤波作用越来越显著。(3)相较于输入水平地震动,竖向地震动在坡体内引起的水平地震峰值加速度放大系数规律不太明显,仍需要进一步研究。     

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.      

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。     

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。     

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。     

陡倾层状岩质边坡动力响应大型振动台模型试验研究

结合 5·12 汶川地震诱发的大量次生地质灾害,设计并完成了比例为1 :100的边坡大型振动台模型试验,讨论了相似关系和模型的设计、传感器的布置、模型的建造过程,编制了动荷载加载制度。试验结果表明,边坡对输入动荷载具有放大作用,沿坡面向上,PGA放大系数呈上升趋势,并具有一定的节律性,其节律性变化规律受坡体岩性、结构面组合和动荷载振动方向的影响; 动荷载X向振动时的坡面峰值重力加速度(PGA)放大系数明显大于Z向振动时的坡面PGA放大系数,说明坡体在X向振动时的动力响应更为强烈; 坡体内PGA放大系数在铅直向上呈线性放大,在水平向上表现为节律性变化。试验结果有助于了解陡倾层状岩质边坡在不同动荷载作用下的响应规律,对研究其变形失稳机制和抗震结构设计提供了依据。     

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。     

压力型锚杆支护滑坡的地震动力响应特性研究

为研究地震作用下锚固滑坡的动力响应特征及压力型锚杆的受力机制,采用ABAQUS有限元软件建立了压力型锚杆联合格构梁支护的锚固滑坡模型,在此基础上,分析了锚固滑坡的加速度响应规律、地震动参数对加速度响应的影响以及压力型锚杆的受力特征等。结果表明:地震作用下锚固滑坡具有明显的高程放大效应,坡顶响应最强;不同类型的地震波作用时,由于其频谱特性的差异,锚固滑坡的加速度响应不同,锚固滑坡对输入地震波的低频段存在放大作用,对高频段具有滤波作用;随地震波幅值的增大,锚固滑坡的加速度响应呈先减小后增大的趋势。对于同一根锚杆而言,锚杆杆体轴力分布较均匀;对于同列不同排的锚杆而言,各排锚杆杆体的轴力值差异较大,自上而下呈"C"型分布,底排锚杆和顶排锚杆承担大部分荷载。研究结果对于压力型锚杆支护滑坡的抗震设计具有一定的指导意义。      

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。     

黄土边坡动力响应的影响效应研究

根据随机地震荷载作用下黄土动三轴试验的动剪切模量表达式和试验参数编制子程序,采用MSC.Marc软件建立有限元模型,并基于人工合成地震动时程对黄土边坡进行动力响应分析,研究输入地震波的卓越频率、幅值以及入射角变化,对黄土边坡位移、速度、应力的动力响应,分析对响应幅值、频谱的影响效应。由研究结果可见:边坡位移、速度等响应时程的卓越频率远小于地震输入波的卓越频率,边坡岩土介质对地震波的高频成分有过滤或吸收作用; 边坡的动力响应幅值极大的受地震输入波卓越频率的影响,对于给定的边坡,它将对包含某一卓越频率成分的地震动时程的动力响应异常强烈; 输入地震波幅值的变化,只引起边坡动力响应幅值的线性变化,不改变边坡中响应时程的频谱特征; 当地震波以一定角度入射时,边坡动力应力响应时程包含了更多的高频成分,位移和速度响应幅值随入射角的增大而减小,且越靠近坡顶减速越快,而应力响应幅值在坡顶与坡腰、坡脚处具有不同的影响规律; 另外,地震荷载作用方向的改变,还对边坡动力响应放大系数有较大影响,当作用力方向非竖直时,动力响应放大系数随地震波入射角的增大而减小。     

隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道仰坡的动力响应特性及仰坡坡体和衬砌结构的相互作用,设计并完成了隧道洞口段大型振动台模型试验。试验结果表明,地震作用下仰坡的加速度反应存在显著的非线性放大效应和趋表效应;当输入地震波幅值超过0.6g时,土体的非线性反应明显增强,加速度放大系数显著降低,表现出放大效应饱和的特性,且沿坡体竖直向上,加速度分布逐渐表现出平均化的趋势;隧道洞口段仰坡水平向动力反应受隧道结构存在的影响较小,可简化为自然边坡进行分析;仰坡的动力失稳是影响衬砌结构安全性的重要因素,当输入地震波幅值较小时,竖直向地震作用下衬砌主要受力部位受力要大于水平向地震作用,当幅值较大时,水平向地震动对衬砌结构的影响则明显大于竖向地震动;均质仰坡的破坏部位主要位于仰坡坡肩至坡面上部,破坏过程表现为地震力诱发-坡肩土体拉裂张开-坡肩土体倾倒崩塌-崩塌的土体沿坡面滑落碰撞-形成碎屑流堆积于坡脚。模型试验的结果能为山岭隧道洞口段的理论分析、计算和设计提供指导和依据。