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。     

含软弱土层的深厚河床覆盖层坝基动力特性研究

在强震区、含软弱土层的500 m级特厚覆盖层上建坝,超出了现行设计规范的控制范围。开展了覆盖层厚度、输入地震波峰值、覆盖层中的软弱土层厚度等指标的敏感性分析,揭示了深厚覆盖层地震反应的主要特征及坝基建基面加速度放大倍数分布的规律性。研究认为：覆盖层厚度、输入加速度峰值、软弱土层厚度等指标与建基面放大倍数的衰减在变化规律上成正相关;当输入地震波峰值加速度为0.5g作用下,含软弱土层的500 m级特厚覆盖层坝基中地震波总体以衰减为主,建基面放大倍数小于1;覆盖层加速度放大倍数随高程变化的基本规律为先衰减后放大。当存在软弱土层时,由于其滤波隔震作用会在土层内发生动力反应的二次衰减。基于上述分析,进一步提出了覆盖层下部区域地震效应衰减、中部区域软弱土层二次衰减、顶部区域放大的加速度放大倍数分布模型,编制了覆盖层加速度放大倍数建议值表,研究成果可为含软弱土层的深厚河床覆盖层坝基工程设计提供重要参考。     

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。     

基于动力离心试验的软基尾矿库地震响应研究

基于离心机振动台,分别针对典型软基尾黏土尾矿库及加高扩容后的尾矿库开展了动力离心模型试验,重点探究了加速度分布规律、软土及尾矿内部孔压变化规律以及“软基?库内尾矿?尾矿坝”系统的变形规律等内容。试验结果表明：软基对地震动的放大效应较为微弱,而坝体加速度沿高程逐渐放大,高层子坝加速度响应最为强烈,加高扩容后的现坝顶加速度响应可达原坝顶的2.2倍;地震作用下软土与库内尾矿内部均会产生一定的孔压增量,但未达到液化状态。地震动强度、软基及库内尾矿的固结状态对尾矿库的变形模式影响较大。当固结不充分时,在强震作用下易发生尾矿的水平滑移,进而造成坝顶及下游软土隆起。在固结较为充分且地震动强度较弱的情况下,变形模式以震陷为主。该试验成果将为此类尾矿库的动力稳定分析及抗震加固设计提供一定参考。     

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...     

软土场地地铁车站结构地震反应特性振动台模型试验

作为地铁车站结构地震破坏机制大型振动台系列模型试验之一,开展了近、远场强地震动作用下软弱粉质黏土场地框架式地铁车站结构体系的大型振动台模型试验。测试分析了模型地基的加速度、孔压、地表震陷和模型结构的加速度、应变、水平位移反应等。结果表明：地震波在模型地基的传播过程中呈现出自下而上低频增大、高频减小的现象;强地震动作用下模型地基的基频明显降低,呈现出明显的低频聚集（放大）、高频滤波效应;模型地基的孔压比增长较小,在不同特性地震动作用下模型地基孔压比的发展过程存在较大的差异,并显示出显著的空间效应;近、远场地震动作用下模型地下结构的加速度反应存在明显差异,模型地下结构对软土地基地震动加速度反应的影响具有显著的空间效应;模型地下结构相对变形小、未出现明显上浮现象,地震动频谱特性对其侧墙的变形模式和大小存在显著的影响;模型结构中柱为地震损伤最严重部位;模型结构整体损伤情况较轻、处于非破坏状态。     

黄土塬地震动响应特征分析

2008年汶川Ms8.0级强烈地震对远离震中的黄土塬地区造成了较为严重的破坏,局部场地的震害和地震动放大效应显著。以典型黄土塬场地为对象,应用地形台阵流动观测和有限元计算方法,系统开展强震动作用下黄土塬边坡场地动力响应特征研究;应用大型振动台模拟试验和数值计算方法,重点探讨黄土塬平台场地在汶川地震作用下地表加速度响应随覆盖层厚度、地震动强度的变化规律以及对建筑结构的潜在影响。结果表明：黄土塬边坡顶部存在低频但较高放大系数的现象,可能与斜坡高差与入射波波长之比密切相关;大角度（60°～70°）黄土塬边坡对地震动的放大效应十分显著,坡顶加速度峰值（PGA）放大可达2倍,反应谱卓越周期放大可达5倍;较厚黄土塬平台场地加速度放大可达2倍以上,地震烈度增加1度,对于场地上固有周期0.7～2.0 s和周期大于3.0 s的建筑物地震反应将显著增加。     

俯斜式混凝土重力挡土墙强震反应数值模拟

首先,介绍了基于OpenSees独立开发的一套用于挡土墙-土地震反应相互作用有限元分析计算软件RW_2DPS.据此建立了俯斜式混凝土重力挡土墙-土强震相互作用有限元模型.模型中,引入非线性有限元计算方法,选用多屈服面弹塑性本构模型模拟砂土的动力属性,应用零长度接触单元模拟墙与土体之间的接触特性,且采用一致耗能阻尼边界与速度边界条件.最后,输入随机地震动,进行挡土墙-土强震反应分析,并重点探讨墙背地震土压力和水平地震惯性力沿挡土墙高度分布规律.结果表明,墙背动土压力峰值出现在距挡土墙底约1/3墙高处;挡土墙背加速度具有放大效应,加速度峰值出现在挡土墙顶部;不同地震动作用下,加速度放大系数沿墙高分布规律不同,动土压力沿墙高变化规律基本一致.     

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。     

青川县桅杆梁斜坡地震动响应监测研究

本文采用941B型超低频测振仪及G01通用数采仪,自2009年5月13～27日,在青川县桅杆梁监测到4次余震。对山体斜坡高程805m和875m的余震地震动峰值加速度响应监测结果分析表明:相对于805m高程, 875m测点地震动峰值加速度在水平东西向以及垂向均呈减小趋势,而在水平南北向体现显著的放大效应,放大系数可达7～8倍,其FFT主频值主要集中为2～4Hz低频值。分析表明,所监测的微有感地震震中位于测点北侧的青川断裂上,沿地震波传播方向斜坡体具有显著放大效应作用。     

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...     

康定MS6.3级地震斜坡地震动响应监测分析

芦山MS7.0地震、鲁甸MS6.5地震诱发了大量的次生山地灾害,一些学者认为地形放大效应是其中的一个影响因素,但目前斜坡地震动响应研究仍然缺乏大量的实测数据支撑。通过在冷竹关两岸斜坡不同部位掘进平硐并放置强震监测仪器的方法,对沟谷两岸斜坡地震动响应特征进行研究,剖面较为完整地记录了康定地震两岸斜坡的地震动响应特征。监测数据揭示,(1)相对于康定姑咱参考站,位于右岸半岛状凸出山梁顶部1#监测点的水平和竖直向PGA放大系数分别达到了10.6～11.5、7.1,阿里亚斯强度最大,水平东西向比竖直向HVSR频比值达到11.1,卓越周期在低频部分;位于右岸山梁中部2#监测点水平和竖直向PGA放大系数分别达到了4.3～5.0、2.3;(2)左岸地形坡面起伏较小,记录的峰值加速度较小,仅在坡折部位5#监测点有明显的放大,水平与垂直峰值加速度放大系数分别为3.0～4.5、2.3,各监测点频比存在多个卓越周期,其放大效应在高频段更突出;(3)近直线型斜坡内(6#及7#监测点)放大效应相对较弱,且监测洞外侧放大系数大于水平深度较大的内侧。结果表明冷竹关两岸斜坡存在明显的地形放大效应,且右岸半岛状凸出山脊地形较左岸中高山斜坡地形放大效应显著。对比芦山地震该剖面放大系数,揭示了背坡面效应。     

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。     

可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构地震反应特性振动台试验研究

开展了近、远场地震动作用下可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构大型振动台模型试验。分析了模型地基的加速度、孔压、地表震陷及模型结构的加速度、应变。结果表明:模型地基的孔压累积经历了缓发展、急增长两个阶段;模型地基的加速度Arias强度释放时刻与孔压急增长阶段的起点时刻相对应,加速度Arias强度峰值较大的工况,模型地基孔压比峰值也较大;模型地基孔压场分布呈现出小震时模型结构底部液化程度较低、大震时场地底部液化程度较低的现象。强地震动作用下,模型结构发生了显著的上浮;模型地基、模型结构均表现出对低频相对发育的地震动反应更为强烈的现象。强震作用下,浅层可液化土在循环流动过程中发生了由于剪切刚度瞬态突增而导致峰值加速度瞬时急增的现象。模型结构中柱为此类型车站的最不利构件,附拱在与竖向成±(30°~60°)区域内应变反应较大,中庭上拱在45°位置处应变反应较大;随着模型结构拉应变幅值的增加,模型结构自振频率不断衰减。主观测面测点和次观测面测点的拉应变幅值均存在不同程度的差异,模型结构的应变反应存在空间效应。     

近远场地震动作用下地铁车站结构地基液化效应的振动台试验

开展了近场和远场地震动作用下3跨3层地铁车站结构地基液化效应的振动台模型试验,测试了地铁车站结构的加速度、应变、水平位移反应和地基土孔隙水压力、加速度、震陷及其作用于模型结构侧墙的动土压力反应。分析和总结了地铁车站结构地基液化效应特征,结果表明：模型结构对其周围地基土孔隙水压力场的分布有明显影响,结构两侧和底部地基土中的孔压峰值小于相同深度离结构较远地基土中的孔压峰值;地基土中孔压的消散速度自下而上呈逐渐减慢的趋势;地震动作用过程中,模型结构产生向上的相对运动,强地震动作用时模型结构上浮现象明显;模型结构侧墙受到的动土压力随深度增大而减小,输入地震动特性对动土压力的大小有显著影响。     

地震作用下有砟轨道路基动力响应规律振动台试验

以京沪高铁CRH380BL高速动车组为原型,根据相似定律设计完成了1:10比尺的铁路有砟轨道路基振动台模型试验,研究分析了路基的加速度、土压力和位移响应规律。模型尺寸为9.6 m×3.5 m×1.0 m(长×宽×高),包括列车、有砟轨道和路基部分。试验结果证明:随高程增加,水平加速度峰值放大系数逐渐增大,基本上稳定在1.0～2.5,竖向加速度峰值放大系数则呈现先增加后减小的规律,基本稳定在1.5以内。随着输入地震动强度的增大,水平加速度峰值放大系数与高程成正比例关系,非线性关系逐渐增强,竖向加速度峰值放大系数最大值位于距离底部H/3处向2H/3处转移(H为路基高度),在输入峰位加速度(PGA)为0.3g时,水平、竖向加速度峰值放大性均达到最强;随着输入地震动强度的增大,填料中峰值土压力强度逐渐增大,在输入波PGA为0.4g时,土压力强度达到最大,路基中心截面土压力强度随高程增加有先增加后减小的趋势,最大土压力逐渐由距离路基底部H/3向2H/3位置转移;在输入地震波PGA为0.05g时,路基表面、路基底部的土压力强度沿着路基体水平方向呈线性分布,前者离路基越远、土压力越大,后者则是基本不变。在输入地震波PGA为0.15g、0.30g、0.40g时,土压力强度在道砟边缘处最小,在路基中心下土压力强度其次,整体沿着路基体水平方向呈三角形分布;路基坡面中部和顶部的水平位移逐渐增大,前者小于后者,呈近似线性分布,且两者差值逐渐减小。在路基顶部位置,坡面上的位移与路基中心线顶部的位移差值随着输入地震动强度的增大,两者差值逐渐增大,最后区域稳定;地震波在路堤底部时主频集中在5～15 Hz,随着高程增加,路基对30～40 Hz频段有强烈的放大效应,在其余频段的影响不明显。     

地震动场地放大效应的时频特性分析

为了详细研究均质及复杂非均质场地中地震动的放大效应,通过大型振动台试验获得原始试验数据,再采用傅立叶变换、时频分析与分段时频分析相结合的手段,对试验数据进行分析和处理。通过对试验结果的对比分析,发现当地震动沿竖直方向传播时,不仅地震动时程曲线的峰值会随场地高度的增加而逐步放大,其频率成分含量、主频段的频谱形状,以及整体地震动能量在时频平面上的分布,均会随着场地高度及各分层介质的不同而发生较大变化。与此同时,场地表面的倾斜程度、软弱夹层的厚度等因素也均对地震动的放大效应具有显著影响。通过以上研究,得到了一系列与地震动竖向传播放大效应相关的研究规律(包括PGA峰值特性、频谱特性、时频面上能量谱的分布特性等)。     

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。     

地震作用下地裂缝场地地震动参数试验研究

为研究地裂缝场地地表动力响应规律,以西安f4地裂缝场地为工程背景,采用剪切型模型箱,进行振动台模型试验。分析了地裂缝场地在地震作用下的破坏特征和动力响应,得到了地表地震动参数变化规律。试验结果表明：地震作用下,地裂缝场地的主裂缝在地表开裂、扩展,并在裂缝区产生与其45°相交的次生裂缝,次生裂缝的数量随着地震强度增大而增多;地表地震动参数峰值均表现出上、下盘效应,均在上盘裂缝处最大,逐渐向两侧递减;随着输入地震强度增大,地表加速度及Arias强度放大系数逐渐减小;上盘加速度变化频率较快,且上、下盘两侧加速度峰值存在相位差,但两侧位移及速度时程波形基本一致。该研究成果可为跨地裂缝结构抗震设计提供重要参考。     

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。