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。     

纵波作用下边坡动力响应规律研究

地震工程的观点认为水平地震力是引起岩土体破坏的决定性因素,竖向地震力的影响则微不足道。鉴于汶川地震中表现出竖向地震力对边坡和建筑造成极大破坏,本文利用FLAC软件对不同坡高、坡角的边坡在不同周期、振幅的纵波作用下边坡动力响应规律做了数值模拟研究。结果表明:坡高较低时,振动加速度在1/2坡高以下范围内随高程逐渐增大, 1/2坡高以上则保持不变,当坡高增大时,振动加速度变化出现律动性,坡顶附近较其他部位存在明显的放大; 坡角的增大会造成振动加速度放大幅度的增大; 振动加速度随动力振幅的增大而增大,并呈明显的线性关系; 振动加速度随地震波周期的增大逐渐减小。     

含软弱岩层反倾岩质边坡地震动力响应与破坏模式

以鲁甸地震诱发的红石岩崩塌滑坡为研究对象,通过大型振动台模型试验和3DEC数值模拟,研究了含软弱岩层的反倾岩质边坡的动力响应和破坏失稳模式.研究结果表明:水平加载下,随频率增大PGA放大系数先减小后增大,在接近坡体自振频率8Hz的波形加载下,坡体动力响应最为剧烈,软弱岩层对不同频率的横波具有放大和吸收作用,对5~10Hz的横波放大效应明显,对15~20Hz的横波则明显吸收;竖向加载下,随加载正弦波频率的增加,PGA放大系数先增大,25Hz时PGA放大系数减小,随后又继续增大,在频率为30Hz时PGA放大系数达到最大,在5~30Hz范围内软弱岩层对纵波均具有一定的放大效果;双向加载下,坡体水平和竖向PGA放大系数分布与单向加载一致,但双向加载下坡体部分位置动力响应加剧,部分位置动力响应则受到抑制.含软弱岩层的反倾岩质边坡破坏过程可以分为6个阶段:坡体内部轻微损伤-软岩挤出、软硬岩交界上方硬岩拉裂-硬岩裂纹向上延展-软弱岩层挤压滑动-层面和纵向节理贯通形成滑面-边坡破坏.在软弱岩层的反倾岩质边坡中,软弱岩层具有对地震波的放大吸收、折射反射作用,影响着边坡的动力响应特征,软弱岩层的挤出破坏导致上部岩体岩结构面松动开裂,是该类岩质边坡破坏发展的主要原因,对该类边坡需应注意对软弱岩层进行加固防护,减小边坡的动力破坏.      

含贯通性结构面岩质边坡动力演化规律

针对一种含贯通性顺倾结构面的岩质边坡,开展地震波场传播特性、动力演化规律和破坏机制研究。基于华丽高速公路金沙江大桥桥址边坡,实施了数值分析及振动台模型试验。通过地震波场数值模拟,明确了地震波场受贯通性结构面影响,在贯通性结构面和坡面之间反复叠加,加速度放大效应较均质边坡增大约1.8倍。振动台模型试验中不断增大地震输入烈度,加速度响应在烈度为Ⅷ度时发生突变,边坡由弹性响应阶段进入塑性阶段。在裂度为Ⅸ度时坡脚附近裂缝进一步扩展、贯通,直至发生整体滑动失稳,滑动面沿后缘陡倾结构面剪出、贯通性顺倾结构面滑动、下部坡脚附近剪出。强震后受扰动边坡若处在塑性阶段/不稳定阶段,在其他外力触发下有可能发生滑坡灾害。     

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。     

地震作用下黄土边坡动力响应数值分析

利用FLAC3D软件对某三级黄土边坡进行了动力反应分析。首先分析了静力作用下该黄土边坡剪应变增量和坡面、坡内、坡顶不同监测点的位移;在此基础上进行动力分析,得出黄土边坡地震动力响应规律。研究结果表明,静力作用下坡面上水平向位移明显大于垂直向位移,水平向位移从坡底向上逐渐减小;坡面处位移较大,位移在每级坡坡脚稍向上一定范围内达到最大值;地震作用下黄土边坡剪应变增量由坡脚稍向上部位开始向周围扩展,范围明显增大,且随地震持时的增加剪应变增量增幅较大;塑性区变化显示该黄土边坡坡顶以拉破坏为主,坡脚稍向上开始以剪破坏为主并伴有拉破坏。黄土边坡对地震波具有临空面放大效应,地震波在坡体内传播过程中还具有滞后效应     

隧道口顺层斜坡地震动力响应特征振动台试验

为研究地震作用下隧道洞口段顺层边坡的动力响应特征及动力破坏模式,基于动力模型试验的相似关系,设计完成了隧道洞口段顺层边坡振动台缩尺模型试验.试验结果表明,地震作用下模型边坡具有典型的地形放大效应,模型边坡具有明显的坡表动力放大效应,相同条件下与坡内相比坡表的动力放大效应较大;地震动输入方向及强度对模型边坡的动力响应特征具有影响,相同条件下与输入垂直地震动相比输入水平地震动时模型边坡的动力放大效应较大;隧道结构改变了模型边坡的局部动力响应特征,对坡体的动力放大效应具有放大作用;地震作用下模型边坡的动力破坏模式为地震诱发-最上层结构面逐渐形成滑带-最上层结构面以上滑体滑动破坏-滑体堆积坡脚.      

含贯通性结构面岩质边坡动力演化规律研究

针对一种含贯通性顺倾结构面的岩质边坡,开展地震波场传播特性、动力演化规律和破坏机理研究。基于华丽高速公路金沙江大桥桥址边坡,实施了数值分析及振动台模型试验。通过地震波场数值模拟,明确了地震波场受贯通性结构面影响,在贯通性结构面和坡面之间反复叠加,加速度放大效应较均质边坡增大约1.8倍。振动台模型试验中不断增大地震输入烈度,加速度响应在Ⅷ度时发生突变,边坡由弹性响应阶段进入塑性阶段。在Ⅸ度时坡脚附近裂缝进一步扩展、贯通,直至发生整体滑动失稳,滑动面沿后缘陡倾结构面剪出、贯通性顺倾结构面滑动、下部坡脚附近剪出。强震后受扰动边坡若处在塑性阶段/不稳定阶段,在其他外力触发下有可能发生滑坡灾害。     

含贯通性结构面岩质边坡动力演化规律研究

针对一种含贯通性顺倾结构面的岩质边坡,开展地震波场传播特性、动力演化规律和破坏机理研究。基于华丽高速公路金沙江大桥桥址边坡,实施了数值分析及振动台模型试验。通过地震波场数值模拟,明确了地震波场受贯通性结构面影响,在贯通性结构面和坡面之间反复叠加,加速度放大效应较均质边坡增大约1.8倍。振动台模型试验中不断增大地震输入烈度,加速度响应在Ⅷ度时发生突变,边坡由弹性响应阶段进入塑性阶段。在Ⅸ度时坡脚附近裂缝进一步扩展、贯通,直至发生整体滑动失稳,滑动面沿后缘陡倾结构面剪出、贯通性顺倾结构面滑动、下部坡脚附近剪出。强震后受扰动边坡若处在塑性阶段/不稳定阶段,在其他外力触发下有可能发生滑坡灾害。     

地震作用下顺倾多弱层岩质边坡动力响应

抚顺西露天矿由于长期开采造成地底岩层出露,形成众多顺倾多弱层岩质边坡。鉴于目前对于地震作用下顺倾多弱层岩质边坡的研究较少,选择抚顺西露天矿南帮E1000处顺倾多弱层岩质边坡,分析地震作用下多弱层对边坡动力响应的影响。利用有限差分软件对边坡进行数值建模,分析真实地震动作用下边坡不同弱层的动力响应变化规律,并将双弱层、单一弱层和无弱层四种情况进行对比,发现不同弱层的动力响应和对边坡的影响程度不同,位于边坡下部的弱层无高程放大效应但对边坡起主导作用,与坡面共线的弱层存在趋表放大效应和高程放大效应但对边坡无明显影响。双向地震动对顺倾多弱层边坡的弱层和坡面放大效应不受影响,Z（垂直）方向的加速度和速度显著增加,双向地震动作用下边坡的速度分布差异明显,但位移分布无显著变化。地震作用下顺倾多弱层边坡的动力响应规律与弱层的分布位置和作用机理有关,在边坡的防护和治理过程中应充分考虑弱层对边坡的影响。     

含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究

基于二维颗粒流软件PFC2D的人工合成岩体技术（SRM）,研究了岩桥倾角和节理间距不同组合形式的含顺层断续节理岩质边坡在地震作用下的破坏模式与动力响应规律。研究结果显示：在地震动力作用下,含单潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡呈现出滑移-倾倒的混合破坏特征,含多潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡则主要发生倾倒破坏;由顺层断续节理以及岩桥交替连接所组成的潜在滑动面是控制边坡动力稳定性的关键因素。在地震动力作用下,最靠近坡脚的岩桥段首先萌生翼裂纹,使得拉应力得到释放,随后各节理相继萌生裂纹并扩展、贯通,最终导致坡体发生阶梯状整体失稳。裂纹扩展受顺层断续节理控制,萌生裂纹中以张拉裂纹为主,且裂纹数量与输入地震波的加速度曲线具有同步性。另一方面,节理面的存在对边坡动力响应产生明显影响,沿坡表以及沿水平方向上的峰值速度、峰值位移随着岩桥倾角的增大、节理间距的减小而增大,同时节理间距和岩桥倾角对于峰值加速度（PGA）放大系数的影响范围主要集中在坡表、坡肩;沿竖直方向上,峰值位移随着岩桥倾角、节理间距的增大而减小,PGA放大系数曲线随高程变化总体呈现U型分布特征。     

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。     

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。     

纵横波时差耦合作用下地铁车站地震响应分析

以北京实测地震波作为输入,运用二维显示有限差分程序对北京地区常见的3层3跨矩形断面结构地铁车站进行了动力模拟分析,探讨了纵横波时差耦合作用下车站结构加速度、位移放大效应及动应力变化规律。计算结果表明地震纵横波时差耦合作用导致浅埋地铁车站结构受力变形过程为:首先纵波作用使得结构产生较大的竖向加速度,导致结构产生一定的正应力;继而纵横波时差耦合作用使得结构产生较大的水平加速度,此时结构内力达到最大,容易使得结构产生较大的拉应力;最终随着地震动力作用逐渐减小至消失,结构内力减小,恢复稳定。在地震动力作用下,地铁车站侧墙、中柱等结构的加速度自下而上均发生放大效应,且竖向加速度的放大程度远高于水平加速度。因地震纵波产生较大的竖向加速度,并且具有较强的放大效应,需重视距离震源较近地区的地下结构竖向抗震性能;而纵横波时差耦合作用下,结构的内力往往能达到最大值,是地下结构发生破坏的主控因素。      

地震作用下裂隙对岩质边坡稳定性影响分析

在地震作用下岩质边坡内部裂隙可能开裂扩展,对边坡稳定造成不利影响。利用扩展有限元法模拟岩质边坡内部裂隙在地震作用下的开裂扩展,根据扩展后的裂隙分析边坡潜在滑面,采用矢量和法计算边坡在震前、地震过程及震后的安全系数。结果表明：在汶川地震波作用下LLT1与LLT2裂隙均开裂扩展,开裂方向与水平方向夹角近45°,其中LLT1裂隙顶部开裂至边坡面。震前安全系数为1.75,地震过程中最小安全系数为1.01,震后安全系数为1.05。说明了即便是边坡在震前稳定性较好,但由于地震作用使得裂隙扩展贯通至边坡表面,导致滑体抗滑力降低,边坡震后稳定性显著降低。虽然地震过程中边坡并未失稳破坏,若在震后受到其他外部作用则可能失稳破坏,引发次生灾害。     

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。     

水平地震力作用下顺倾结构面对岩质边坡破坏影响分析

基于断裂理论和波动理论对水平地震力作用下对岩质边坡顺倾结构面的破坏建立了数学模型,在不考虑结构面填充物的影响下分析了结构面的长度、埋深及倾角在水平地震动力作用下对边坡破坏的影响。分析结果表明,当结构面埋深与长度h/L相差不大时,对于一定的水平地震加速度a,结构面埋深和长度越大,边坡在地震作用下越容易破坏;当结构面埋深和长度一定时,边坡破坏随着水平地震加速度的增大而增强。另外,结构面的倾角在增大过程中,岩体所受的拉应力逐渐增大,剪应力则表现为先增大,后减小。这是由于当结构面的埋深与长度一定时,随着倾角的增大,地震作用下边坡是从剪切破坏逐渐向拉张破坏过渡。该模型对地震作用时边坡稳定性分析具有一定的参考意义。     

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。