不同压实度铁路路堤边坡地震响应振动台试验研究

为研究和对比不同压实度铁路路堤边坡的地震响应,设计了路堤本体压实度分别为95%、91%、87%和83%的4组路堤边坡模型,开展了不同压实度路堤边坡的振动台试验研究。通过穿插进行白噪声激励得到不同压实度路堤边坡的动力特性参数;通过施加不同类型和不同强度的地震动激励,研究不同压实度路堤边坡加速度放大倍数分布规律及其影响因素。结果表明,随着地震动激励次数的增多,路堤边坡自振频率下降,阻尼比增大,压实度对路堤边坡动力特性变化影响显著;加速度放大倍数沿路堤边坡高度呈非线性增大,加速度放大倍数随地震动激励强度增大而减小;台面输入的地震波经路堤边坡传播后,其频谱特性发生了明显的变化,不同压实度路堤边坡对地震波频谱特性的影响不同;不同地震动激励下不同压实度路堤边坡的加速度放大倍数分布情况有所差异,这与地震动频谱特性和路堤边坡动力特性参数有关     

微型桩群桩支护均质土滑坡的振动台模型试验

为研究地震作用下微型桩群桩支护均质土滑坡的地震动力响应特性,依托大型振动台,设计完成几何相似比为8:1（原型:模型）的物理试验模型。试验以El Centro波、汶川波、Kobe波以及不同频率的正弦波为激励波,研究地震动力作用下微型桩群桩的破坏模式、加桩后土质滑坡的加速度响应规律等。试验结果表明:（1）地震激励后微型桩的破坏模式与静力情况类似,呈反"S"型变形,弯曲破坏范围主要分布在滑面上1.4~4倍桩径内和滑面下1.4~3.4倍桩径内。（2）不同频谱特性的地震波激励时,滑坡加速度响应不同。激励频率越靠近滑坡自振频率,其加速度响应越强烈。微型桩群桩支护滑坡的加速度响应具有高程放大效应,且激励频率越靠近坡体自振频率,其高程放大效应越显著。（3）微型桩群桩支护结构对地震波有一定的阻滞作用,支护部位（尤其是坡脚）坡面的加速度响应明显弱于坡内,可限制坡表效应,但伴随坡高的增大,这种阻滞作用趋于减弱,无支护部位的上部坡体仍会出现坡表效应。     

Dynamic response of a dip slope with multi-slip planes revealed by shaking table tests

This study investigated the effect of internal discontinuity on the dynamic response of a dip slope and evaluated the performance of Newmark’s theory on the sliding of a dip slope with multi-slip planes. A series of shaking table tests were performed under various geometric conditions to explore the dynamic behavior of a dip slope under different external excitations. The test results, including for deformation processes and critical accelerations, under various slope angles, slope sizes, and seismic intensities were examined and further compared with Newmark’s theory. The results of this study are summarized as follows: (1) two types of slope sliding (differential and complete) were determined. (2) Increasing the slope angle and the height of sliding mass tended to shorten the duration of slope deformation. (3) Critical acceleration of the slope increased gradually with increasing peak ground accelerations of input excitations; when the slope height and dip angle increased, the critical acceleration decreased. (4) The triggering time became earlier as the frequency of input excitation increased; the magnitude of sliding mass greatly depended on the amplitude of the input excitation. (5) By comparing critical acceleration between the experimental and theoretical results, Newmark’s theory was determined to overestimate critical acceleration during seismic-induced dip slope failure. This may cause unsafe evaluations, and sliding along existing discontinuities develops more easily in reality.     

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。     

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。     

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。     

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。     

秦岭甘湫池花岗岩质崩塌振动台试验研究

地震诱发山体崩塌常形成巨大的灾害,特定地形地质条件下山体地震动力响应特性及破坏机制研究是工程地质的重要难题。本文以秦岭地区具代表性的翠华山甘湫池花岗岩崩塌为研究对象,制作有效反映花岗岩工程地质结构的试验模型,开展大型振动台试验,研究山体地震动力响应规律和崩塌变形破坏机制。试验发现,边坡内部加速度放大系数随激振强度的增加呈现出显著的三阶段变化趋势;水平加速度响应呈现出随高程的增加而单调增大的特征,而竖直加速度响应随着高程的增加出现先增加后减小再增加的波动变化特征;边坡的固有频率变化曲线可以分为3个阶段,整体呈现下降的趋势,表明边坡动力特性发生变化;破坏后的边坡可以分为2个区域:后缘启动区和崩塌堆积区。边坡在地震激振作用下的破坏过程为地震波激振输入→坡体后缘形成拉张裂缝→裂缝向下扩展贯通→不稳定坡体滑动→堆积坡脚。反演了山体破坏的4个阶段:振动致裂阶段、高速启动阶段、撞击减速阶段和堆积阶段,结果与现场工程地质调查分析十分一致。研究翠华山甘湫池花岗岩崩塌的发育特征、成因机理和演化过程,研究成果对揭示秦岭北缘乃至秦岭地区崩塌形成机制、发育规律和灾害有效防控、地质遗迹开发和保护具有重要意义。     

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。     

不同含水状态堆积体边坡地震响应特性大型振动台模型试验

堆积体边坡动力响应特性复杂,影响因素众多。已有的大型动三轴试验结果表明,含水状态对堆积体的动剪切模量比与阻尼比有重要影响。针对含水状态这一因素,开展了2组不同含水率的1:12比尺的大型振动台堆积体边坡模型试验,对比分析了其在连续地震荷载序列作用下的加速度响应特性与坡顶位移发展趋势。试验结果表明：2组边坡模型均表现出第一阶自振频率随着加载序列递减、阻尼比随着加载序列增大的现象,但含水率为6.6%时,边坡第1阶自振频率与阻尼比均大于含水率为0.7%的堆积体边坡。堆积体边坡含水率为6.6%时的输入地震动峰值加速度（PGA）放大系数大于堆积体边坡含水率为0.7%时的工况。2组模型坡顶水平响应加速度的傅里叶频谱特征相似,均表现出输入地震波的特征频率越接近模型第1阶自振频率,坡顶水平加速度放大效应越明显,而且从低频侧接近第1阶自振频率的响应比从高频侧接近的要显著。含水率为6.6%的堆积体边坡在多级地震荷载作用下的坡顶永久位移均大于含水率为0.7%的边坡,堆积体边坡含水率为6.6%,坡顶永久位移对输入地震波的频谱特性更敏感。研究结论有助于增强不同含水状态对堆积体边坡动力响应规律影响的认识。     

强震作用下均质岩质边坡动力响应的振动台模型试验研究

近年来我国地震灾害频发,强震诱发边坡失稳作为地震中最为常见的次生灾害,致使我国的地震滑坡灾害数量位居全世界之首,针对强震作用下岩质边坡动力响应问题,采用铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏、水作为相似材料,开展了均质岩质边坡振动台试验。详细分析了均质边坡模型在不同频率和幅值地震波输入下的地震动响应特征,发现当频率较低时,沿坡表水平距离方向上监测点的水平加速度放大系数是单调增大的,坡肩处水平加速度放大系数达到最大值,当频率进一步增大接近或者超过模型自振频率时,边坡模型不再呈现出典型的放大现象;相同幅值不同频率加载条件下,均质边坡模型的自振频率变化整体不太明显,而输入加速度幅值的变化对自振频率的影响更为显著,低频成分对模型损伤不明显,高频及自振频率附近频段对均质边坡的损伤更为强烈,导致模型的自振频率显著下降。该问题的研究对强震作用下岩质边坡地震动响应及变形破坏机理研究具有一定的指导意义。     

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。     

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.      

Dynamic Response to Seismic Waves at the Shallow Slope Supported by Bolts

In the soil slope supported by bolts, longitude waves instead of transverse waves, generated by earthquakes, first reach the slope surface. With the dynamic response of the P (pressure) wave along the anchorage structure, first, a theoretical study was conducted to investigate the propagation characteristics of the interference superposition, generated by the SV (shear-vertical) and the P waves. The SV wave was formed by the wave, originating from the bottom and reflected from the free surface of the slope, whereas the latter was the incident P wave, propagating in the slope. In addition, the structural measures, restraining the seismic wave, and the characteristics of the restraint effect at the free segment of the bolt were investigated. According to the wave-way difference between the incident P wave and the reflected SV wave, the minimum critical slope angle, influenced by the interference at the shallow slope, and the maximum influencing depth of the dynamic response, acting vertically to the slope surface, were obtained. The results indicate that the maximum influencing depth linearly correlated with the slope angle. Furthermore, based on the propagation characteristics of the P wave along the bolt, and the coupled relation between the wave length and the anchorage design parameters, the axial acceleration of the wave propagating along the bolt axis was obtained. Then, the theoretical length of the anti-seismic bolt, subjected to seismic waves, and the compensation force of the anchorage structure were obtained. Finally, a numerical study, based on FlAC3D, properly verified the theoretical conclusions.     

Seismic behaviors of soil slope in permafrost regions using a large-scale shaking table

Large-scale shaking table model tests were carried out to study the dynamic behaviors of slopes and failure mechanism of landslide in permafrost regions. The model slope was constituted of silty clay layer stacked on an ice layer with 8° surface slope. Acceleration, displacement, and pore pressure were measured subjected to vertical and horizontal seismic loadings. The horizontal wave has a stronger influence on the failure of the model than the vertical wave motion, and the natural frequency of vibration in the horizontal direction decreased obviously at the failure state. The model slope has three components of different nonlinear mechanical properties, which are the soil layer, soil-ice interface, and ice layer. The amplification factor of peak ground acceleration is obviously smaller at the soil-ice interface than that at the soil and ice layer. The acceleration responses are nonlinear because of the nonlinear soil properties and degradation of modulus with increasing horizontal acceleration. Especially, excess pore pressure generation was observed near the soil-ice interface of the slope subjected to higher input acceleration, which resulted in the decrease of the effective stress. Failure surface appeared to be the soil-ice interface, which was consistent with the field observations of landslides in permafrost regions. Slope failure could be defined based on the massive movement of the slope, characterized by integral sliding pattern along the soil-ice interface without the distinct deformation inside the sliding body. The results show that the sliding of the slope with soil layer at gentle gradient is mainly triggered by the combined action of horizontal seismic wave, existence of soil-ice interface, and pore pressure generation in permafrost regions.     

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。     

高陡边坡组合式支挡结构大型振动台试验研究

为研究上部采用锚索框架结构、下部设置为桩板墙的组合式支挡结构的抗震性能,开展了大型振动台模型试验。通过输入不同强度大瑞波测试了组合结构的加速度响应和动土压力响应,同时将动土压力的实测值与规范法、Mononobe-Okabe法（M-O法）的计算值进行了对比研究。研究表明：（1）组合式支挡结构在不同强度地震动激励下水平向和竖直向加速度沿坡高有不同程度的放大,且输入的激振加速度幅值越大,放大效应越明显;（2）组合式支挡结构下部桩板墙墙后的动土压力强度随激振加速度幅值的增大而增大,沿着墙高呈现出上部小、下部大的分布特性;（3）动土压力强度的计算,在低烈度区使用规范法和M-O法是合理的,但在高烈度区需要对规范法和M-O法进行修正。     

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。     

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。     

碎石土路堑高边坡地震动力响应过程分析

以功东高速大营盘碎石土深路堑高边坡为研究对象,对其用有限差分软件FLAC3D模拟分析,在低频高幅的地震波作用下,深入考虑网格划分和输入波以保证模拟的准确性,以此来研究高烈度地区地震作用下高边坡开挖及时支护的工序下的自然和降雨工况不同的变形和动力响应规律。结果表明:（1）在静力开挖支护阶段,开挖主要影响范围为开挖面附近的土体,位移主要为回弹变形,随着开挖深度的增加,回弹位移增加变缓。向下坡方向的位移趋势从坡脚开始产生,在降雨工况下所有坡面测点均产生向下坡方向位移。（2）地震作用下,坡体会产生多条剪切带倾泄能量,而地震降雨工况下产生坡顶到坡脚的贯通剪切带,成整体失稳趋势。（3）输入地震波峰值及其在此峰值点的位移响应存在时间差,且此点位移也不是位移最大值,降雨对中上部坡体位移影响较大,会使位移较自然工况下几乎成倍增加。（4）在地震中下坡方向的水平位移越大,其加速度响应越有降低的趋势,且越往坡体内部,降雨对加速度响应影响越不明显。