宝兰客专天水市王家墩滑坡地震稳定性分析

天水市秦安县王家墩滑坡为宝兰客专沿线巨型古滑坡群,宝兰客运专线秦安隧道穿其而过。以王家墩滑坡为研究对象,围绕工程中静、动力抗滑稳定性问题,通过室内试验、现场调查对影响王家墩古滑坡稳定性的地质构造、场地工程条件等内在因素进行分析评价,在此基础上通过有限元动力分析,对王家墩古滑坡在地震载荷下的动力响应进行分析,明确地震荷载作用下,王家墩古滑坡失稳影响因素、地震荷载与滑坡失稳破坏间的关系。采用动力有限元法和强度折减法相结合的方法,开展动力抗滑稳定性分析方法研究;采用位移突变的方法来确定边坡动力失稳及动力安全系数,分析结果表明：地震作用时的水平推力对王家墩古滑坡的稳定性有很大影响,表现为上部坡体的整体滑移和隧道入口段黄土堆积层局部失稳滑塌;在天然状态下坡体处于稳定状态,在遭遇未来该区域中强地震作用时,该斜坡会发生失稳,黄土斜坡的整体滑动最容易出现在第三阶坡体,沿着塑性应变最大的滑移面整体滑移;给出了坡体动力稳定性安全系数F_s=0.92。     

基于数值流形法的反倾层状岩质边坡倾倒破坏分析

边坡破坏是累积性过程，从变形到破坏的过程中会产生永久位移，如果永久位移过大，极有可能产生滑坡。因此根据不同工况下采集到的位移数据，分析地震作用下反倾层状岩质边坡在不同内摩擦角下的破坏特征。利用二维数值流形法（NMM），以青藏高原金沙江流域西藏昌都地区芒康县索多西乡贡扎倾倒滑坡为研究对象，依据实地考察数据及室内力学试验得到的物理力学参数，建立数值计算模型，模拟地震作用下反倾层状岩质边坡倾倒破坏过程，并在边坡上布置3组监测点获取位移数据。模拟结果表明:随着内摩擦角的增大，边坡坡体从开始破坏到新的平衡状态和达到最大位移所需的时间越短，同时，滑动块体最大水平位移逐渐减小；内摩擦角＜40°时，坡体在前15 s呈整体移动趋势，大部分岩块产生整体滑移，靠近坡顶处的岩块发生轻微转动，推动前面的岩块加速滑动，呈倾倒-滑移模式；内摩擦角＞40°时，靠近坡顶的岩块首先产生滑动，并转动驱使前面的岩块，推动坡脚处岩块产生滑动，最终上部岩块达到新的平衡，呈渐进式倾倒破坏，产生整体性破坏的可能性较小。     

地震黄土滑坡滑距预测的BP神经网络模型

地震滑坡的滑距与重力滑坡的滑距有着显著的不同,科学预测地震发生时黄土地区滑坡的滑动距离是合理评估黄土地区滑坡风险和减轻滑坡灾害的有效方式之一。基于海原特大地震诱发黄土滑坡的400组野外调查数据,通过引入BP神经网络算法,论证了BP神经网络模型用于预测黄土地震滑坡滑距的适宜性和可行性;建立了地震诱发黄土滑坡滑距的BP神经网络预测模型,并通过67组数据进行了验证。BP神经网络算法和传统多元线性回归、多元非线性回归结果的对比显示,BP神经网络的预测更接近真实情况,具有较为理想的预测效果,可以用于黄土地震滑坡滑距的预测,并为圈定较为可靠的致灾范围提供依据。     

汉源县背后山滑坡动力稳定性分析

坐落于背后山古滑坡前缘堆积体之上的四川省汉源县在5.12汶川特大地震中出现了罕见的高烈度异常现象。针对此种现象,利用ANSYS有限元软件分析了汶川地震对背后山古滑坡稳定性的影响。通过有限元地震时程反应分析,计算得到了汶川地震汉源背后山滑坡的安全系数时程、速度时程及位移和应力矢量场,以此分析判断此滑坡是否发生整体滑动。在此基础上,针对坡肩附近等关键部位,分析其受力和振动速度效应,并运用4种安全系数确定方法计算了滑面和关键点的安全系数值。结果表明:背后山古滑坡在汶川地震中并未发生整体滑动,但在坡肩附近会出现局部拉张开裂,高烈度异常与滑坡滑动无关。     

汶川地震背后山滑坡稳定性与动力响应分析

2008年5月12日,四川汶川发生了8.0级特大地震,这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、诱发地质灾害最严重的一次强烈地震。此次地震震撼了整个中国,引起了全世界的关注。在距离震中约250km,坐落于背后山古滑坡体前缘堆积体之上的汉源老县城,出现了比周边地区高出两度的烈度异常现象。如此高的烈度异常现象引起了广大科研人员和政府相关部门的高度关注。为了科学合理地解释汉源老县城高烈度异常的原因是否与背后山滑坡有关,并进一步探讨地震作用下边坡的稳定性及动力响应等问题,本文对背后山滑坡开展了与地震相关的一系列研究。本文的研究对推动这一领域的研究工作具有重要的理论和工程意义。本文系统地归纳、总结和评述了边坡稳定性的研究进展,对背后山滑坡的工程地质条件进行了详细的调查,整理和分析了汶川特大地震背后山滑坡科学考察的全部资料。在此基础上,通过有限元数值模拟,对背后山滑坡的共振特性,静、动力稳定性以及动力响应等进行了计算和分析研究,得到了若干有意义的结论,主要研究成果如下:(1)对汉源县的震害及背后山古滑坡进行了科学考察。在汶川特大地震发生后,防灾科技学院科考组在中国地震局的统一指挥下,负责汉源和北川的科考工作,对汉源县城背后山滑坡进行了野外调查,获得了地形地貌、地层岩性、地质构造等详细资料,揭示了背后山有古滑坡存在,圈定了古滑坡的边界范围,明确了古滑坡的活动期次、特征及现今稳定性状况。调查分析结果显示,汉源老县城位于背后山古滑坡体的前缘,但并未发现古滑坡整体复活的迹象,只在坡体后部出现了几条张性裂缝。(2)建立了背后山滑坡的地质模型、力学模型和有限元计算模型。选取典型的地质剖面,建立滑坡的地质模型、力学模型和计算模型,并制定了计算方案。提出4种安全系数的计算方法,对背后山滑坡的静力稳定性进行了计算和分析,得到静力安全系数为4.09。结果表明,在静力条件下,背后山滑坡是稳定的,同时为滑坡的地震稳定性分析提供了初始的静应力场。(3)分析了背后山滑坡的共振特性。分别通过ANSYS有限元模态分析和谐响应分析,得到了边坡体固有频率和振型,以及位移与频率的关系(共振曲线)。对比分析汉源县附近强震台站记录到的地震动卓越周期,我们发现,滑坡的固有周期与其基本相近。现场考察发现,汉源老县城坐落于背后山滑坡体前缘之上,由此分析认为,可能是由于滑坡体发生共振而导致了汶川地震时汉源老县城的高烈度异常。(4)计算和分析了背后山滑坡的地震稳定性。分别用拟静力法和有限元动力时程分析法计算了地震作用下滑坡的安全系数,重点是运用后一种方法进行计算、分析和评价。通过有限元动力时程分析,得到滑坡在地震作用下的安全系数时程曲线,通过分析给出了滑坡最小动力安全系数值为1.1,由此判断,滑坡整体是稳定的。对于边坡稳定性评价,本文提出可以根据安全系数最小值是否大于1,边坡关键点速度时程末段是否趋于零,以及在地震动时程末段位移、应力矢量场大小几个方面来判断滑坡的稳定性。在判断滑坡整体稳定的情况下,针对坡肩、坡脚等关键部位,提出从受力情况和振动速度两方面对其进行局部稳定性的分析和判断,并计算了关键点处的安全系数。计算和分析的结果表明,汶川地震中汉源县高烈度异常现象与滑坡滑动无关,但在坡肩附近以及坡体上部小范围内有轻度的拉张开裂,这与实际调查现象基本符合。(5)分析和讨论了背后山滑坡的动力响应,以及地震动三要素对边坡动力响应的影响。具体计算分析中,本文在坡面上、滑体内、滑面上、坡体内设置了32个监测点进行计算和分析。计算结果发现:在坡面附近,动力响应加速度峰值相较于输入地震动加速度峰值达到3倍以上,即PGA放大系数达到3以上。并且边坡体各点PGA放大系数在竖向上随高程增加而增大;沿坡体坡面方向从左至右,PGA放大系数逐渐增大后缓慢减小。坡体水平位移在竖向上随高程增加而增大;沿坡体坡面方向从左至右,位移逐渐减小。坡面陡坎对加速度、位移响应的突变效应很明显。分析地震动三要素对坡体动力响应的影响可以看出,加速度、位移动力响应的绝对量随输入地震波振幅增大呈明显的线性增长关系,但位移、加速度放大系数保持不变,它们不受振幅的影响,只取决于岩土体材料以及频谱特性。随着输入地震波频率的增大,坡面上各点的PGA放大系数减小,位移峰值随输入地震波频率的增大而减小。持时对坡体加速度峰值响应的影响不明显。综上所述,本文在背后山古滑坡工程地质条件调查的基础上,建立了地质模型、力学模型和计算模型。采用有限单元法对背后山滑坡进行静、动力稳定性分析、共振特性分析、动力响应分析等方面的研究是可行并且有效的。本文研究结果表明,背后山滑坡在汶川特大地震中并没有发生整体滑动,只是在坡肩附近小范围内产生轻微的拉张开裂。汉源县老县城高两度的烈度异常现象与背后山滑坡整体稳定性无关,与滑坡体共振产生剧烈振动有关,坡面的加速度放大效应非常明显。此外,本文认为,对于避免地震作用下边坡的失稳问题,可以通过分析边坡响应变化趋势、响应最明显的位置以及产生共振反应的频率段等相关特征给出相应的抗震措施。     

基于颗粒流方法的黄土地震滑坡数值模拟

基于颗粒流理论研究土质边坡动力稳定性及其滑动过程是近年来滑坡研究的一个新热点。在野外调查和室内试验的基础上,通过标定土体细观参数、模型建立、动力输入、动态监测等过程,利用PFC2D程序模拟了西吉县兴平乡堡湾村下马达子滑坡的失稳破坏运动过程,得到了该滑坡的破坏运动机理。得到如下结论:① 下马达子滑坡的失稳机制是在地震作用下斜坡前缘牵引、后缘推挤,使得坡肩受拉发生破坏,失稳后坡肩位置较大的速度和位移是地震滑坡破坏力强、致灾范围大的主要原因;② 黄土地震滑坡的滑坡后壁相对平缓,这是区别于重力滑坡的重要特征之一;③ 颗粒流模拟得到的滑坡前后相对高差和长度与实际情况较为吻合,因此,颗粒流方法可以用于地震滑坡滑距的预测。      

地震诱发低角度黄土-泥岩滑坡动力响应及变形分析

基于室内试验获取黄土滑坡的静力和动力力学强度参数,建立低角度黄土滑坡破坏大型物理模拟试验模型,结合FLAC^3D有限差分软件,分析黄土滑坡的动力响应规律和宏观破坏特性,阐明在地震作用下黄土滑坡的失稳演化规律,揭示黄土滑坡滑体运动迁移路径。结果表明：低角度黄土-泥岩滑坡在地震荷载作用下地震波水平方向和垂直方向均出现明显的放大效应;在黄土层内部,随着斜坡高度增加,坡肩和斜坡后缘加速度放大效应较为明显,对比坡脚、坡腰和坡肩处剖面上加速度放大系数,下伏泥岩对地震波产生一定的放大效应。松弛拉张裂隙,土体强度降低,接触面和坡肩、斜坡后缘处的拉张裂缝形成弧形滑移面,上覆黄土层由内向外依次连带下滑,坡肩处土体的下滑力和地震力促使坡腰土体大面积长距离滑动,最大滑动涉及范围长达200 m左右,土体下滑至坡脚发生堆积并产生隆起。数值模拟结果和振动台试验结果在动力响应和宏观变形破坏特征均呈现较高的吻合度。     

云南鲁甸M_S6.5地震红石岩滑坡稳定性的数值模拟

2014年8月3日鲁甸MS6.5地震触发了大量的滑坡崩塌,其中,位于鲁甸县李家山村和巧家县红石岩村交界处的牛栏江干流北岸的红石岩滑坡规模巨大,与此处位于左岸的红石岩古滑坡体的前缘部分一起堵塞了牛栏江而形成高达120m、体积达1 200×104m3的大型堰塞体。通过震后开展的野外实地调查,获得了红石岩滑坡发生处的地形地貌、地质构造、岩体结构及物质组成等资料。以这些第一手资料为基础,构建了红石岩滑坡的边坡模型,并应用边坡稳定性分析软件Geo Studio中Slope/W模块分别计算了红石岩滑坡体震前坡体安全系数和地震作用下的坡体安全系数。结果表明,红石岩滑坡体发生处的坡体安全系数在地震前为1.450,处于相对稳定状态,而鲁甸地震的地震动作用则使坡体的安全系数降低至0.962,直接导致红石岩坡体的失稳。文中进一步讨论了坡体滑动面的存在与否对坡体稳定性的影响:安全系数计算的结果表明,在中强地震作用下,先存滑动面的存在是导致大型滑坡形成的重要条件;对于高陡岩质边坡,如果没有先存滑动面,只可能形成浅表性滑坡。     

青藏高原东南三江流域黄土类堆积体斜坡地震作用下的动力响应试验研究——以四川巴塘下归洼滑坡为例

青藏高原东南三江流域广泛存在堆积体斜坡,该类斜坡极易演化为滑坡灾害。以四川巴塘下归洼斜坡为例,通过振动台模型试验研究地震诱发的堆积体滑坡动力响应特征与破坏模式。试验结果表明,在地震作用初期,由于孔隙被挤密,斜坡的自振频率增大;在茂县波激励下,斜坡肩部动力响应最强烈。高幅值茂县波激励下,因斜坡整体刚度降低,放大效应减弱。Hibert谱描述了地震波在斜坡中的传播特征,向斜坡顶部传播时,地震波高频能量显著增强,地震波经过堆积层后,放大效应减弱。在足以致使堆积层滑动的强震作用下,坡表一定深度下动力响应呈现一致剧烈现象,斜坡上部会形成“脱离体”,“脱离体”在地震作用下上下颠簸运动;在临滑时,坡表出现最强烈的动力响应。斜坡的破坏模式为：地震初期,在重力和地震耦合作用下,坡表土体剥落;随地震幅值增加,坡肩与堆积层发生明显相对位移,堆积层表面出现裂缝;最终,坡脚发生明显相对位移,随后堆积层偏离基岩加速滑塌。基于地震信号特征的斜坡堆积层滑落过程可分为三阶段：(1)稳定阶段;(2)临滑阶段;(3)滑移阶段。     

黄土高原地震作用下黄土滑坡滑距预测方法

为评估黄土高原地区地震滑坡致灾区域,提出一种基于模糊信息优化处理的地震滑坡滑距预测方法。在野外调查、室内试验和分析的基础上,对黄土高原的地震滑坡类型、性质和影响因素进行分析。以摩根斯坦-普莱斯法计算黄土边坡的稳定性,建立边坡最小安全系数与影响因素的关系,其影响因素主要包括地震烈度、比高、坡角、容重、内黏聚力、内摩擦角等,并在此基础上得到纯黄土地震滑坡滑距的影响关系。将黄土高原地区数次大震中采集到的93个样本数据进行归纳分析,建立模糊信息优化处理模型。所得的计算结果通过误差校验和与其他滑坡滑距预测方法进行对比,来证明本模型有较高的准确性。最后对天水市22个潜在滑坡的边坡进行滑距预测。     

A GLE-based model for seismic displacement analysis of slopes including strength degradation and geometry rearrangement

Seismic performance of natural slopes, earth structures and solid-waste landfills can be evaluated through displacement-based methods in which permanent displacements induced by earthquake loading are assumed to progressively develop along the critical sliding surface as a result of transient activation of plastic mechanisms within the soil mass. For sliding mechanisms of general shape the earthquake-induced displacements should be computed using a model that provides a closer approximation of sliding surface. When large permanent displacement are induced by seismic actions, due to substantial shear strength reduction, and significant changes in ground surface occur, an improved estimate of permanent displacement can be obtained using a model which accounts for shear strength reduction and mass transfer between adjacent portions of the slope resulting from geometry changes of ground surface during the seismic event.In this paper, a GLE-based model is proposed for seismic displacement analysis of slopes that accounts for shear strength degradation and for geometry rearrangement. Model accuracy is validated against experimental results obtained from shaking table tests carried out on small scale model slopes. Comparison of computed and experimental results demonstrates the capability of the proposed approach in capturing the main features of the observed seismic response of the model slopes.     

Recent applications of sliding block theory to geotechnical design

The sliding block theory was proposed by Newmark for determining the permanent displacement of embankments and dams under earthquake loading. This paper highlights recent applications of sliding block theory to different geotechnical structures. The equations to determine seismic factor of safety, yield acceleration and permanent displacement are given for rock block, soil slope, landfill cover, geosynthetic-reinforced soil retaining wall, and composite breakwater. The presented equations for seismic stability degenerate to that of static stability in the absence of earthquake. The permanent displacement for various structures can be obtained from that of a horizontal sliding block through a correction factor. A simplified procedure is included for the permanent displacement under vertical acceleration. The sliding block approach is rational for design under high seismic load.     

Characterizing friction in sliding isolation bearings

The force–displacement behavior of the Friction Pendulum? (FP) bearing is a function of the coefficient of sliding friction, axial load on the bearing and effective radius of the sliding surface. The coefficient of friction varies during the course of an earthquake with sliding velocity, axial pressure and temperature at the sliding surface. The velocity and axial pressure on the bearing depend on the response of the superstructure to the earthquake shaking. The temperature at an instant in time during earthquake shaking is a function of the histories of the coefficient of friction, sliding velocity and axial pressure, and the travel path of the slider on the sliding surface. A unified framework accommodating the complex interdependence of the coefficient of friction, sliding velocity, axial pressure and temperature is presented for implementation in nonlinear response‐history analysis. Expressions to define the relationship between the coefficient of friction and sliding velocity, axial pressure, and temperature are proposed, based on available experimental data. Response‐history analyses are performed on FP bearings with a range of geometrical and liner mechanical properties and static axial pressure. Friction is described using five different models that consider the dependence of the coefficient of friction on axial pressure, sliding velocity and temperature. Frictional heating is the most important factor that influences the maximum displacement of the isolation system and floor spectral demands if the static axial pressure is high. Isolation system displacements are not significantly affected by considerations of the influence of axial pressure and velocity on the coefficient of friction. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑动态临界加速度的地震边坡永久位移研究

Newmark永久位移是评价边坡在地震时稳定性的一个重要指标,近年来广泛应用于地震边坡危险性评价中。传统Newmark永久位移法在计算临界加速度时假定其为常数,未考虑滑动面上抗剪强度参数的变化,过低估计了边坡的永久位移。为了解决这一问题,本文从岩土结构理论获得思路,详细分析滑块底面抗剪强度参数在地震中的变化过程,以边坡震动过程中黏聚力逐步丧失为基本思路,在黏聚力符合一定概率分布的基础上,提出了一种利用蒙特卡罗法模拟其动态减小过程从而实现临界加速度动态变化的计算方法。经过算例计算,黏聚力和临界加速度体现了地震过程中边坡滑块黏聚力和临界加速度的动态变化,位移大小符合地震边坡实际位移的常规数值。本文提出的蒙特卡罗法实现动态黏聚力和动态临界加速度的计算过程与地震时程相对应,不仅在一定程度上解决了抗剪强度参数的动态变化问题,还解决了传统Newmark位移计算中永久位移比实际位移偏小的问题。     

Earthquake analysis of concrete gravity dams including base sliding

A numerical method, the hybrid frequency-time domain (HFTD) procedure, is used to compute the earthquake response of concrete gravity dams, including sliding along the interface between the dam base and the foundation rock. The solution procedure accounts for the non-linear base sliding behaviour and the frequency-dependent response of the impounded water and flexible foundation rock. A Coulomb friction model represents the force-displacement relationship for sliding at the base interface. Using the solution procedure, an analysis of a typical dam (122 m high) shows that base sliding will occur during a moderate earthquake but the sliding displacement will be a tolerable amount when dam-foundation rock interaction is considered.     

Response of sliding structures to earthquake support motion

To study the effectiveness of sliding supports in isolating structures from damaging earthquake ground motions, a mathematical model of a single degree of freedom structure supported on a sliding foundation and subjected to the N-S component of the El Centro 1940 earthquake is considered. Spectra for absolute accelerations, relative displacements, relative-to-ground displacements, sliding displacements and residual sliding displacements are evaluated for three mass ratios, four coefficients of friction and a damping of 5 per cent critical. It is observed that, for structures with periods less than 1-8 s, for the coefficients of friction considered, the suprema of relative-to-ground displacements, sliding displacements and residual sliding displacements are only of the order of 1–25 times the peak ground displacement. To study the response sensitivities, the spectra for absolute acceleration and sliding displacement of the 1949 Olympia earthquake (S86E component) are also presented. It is concluded that sliding supports can be quite effective in isolating structures from support excitations.     

Energy approach for earthquake induced slope failure evaluation

Earthquake-induced slope stability is evaluated by the force-equilibrium method in engineering practice. This method provides a safety factor against initiating failure or displacement according to the Newmark model along a fixed slip surface but it cannot evaluate failure deformations after failure occurs. An energy approach is proposed as an alternative means for evaluating slope failures and subsequent flow deformations. The driving energy for slope displacement is considered to be the earthquake energy and the gravitational potential energy. As a first step in the research, an energy balance is formulated for the model of a rigid block resting on an inclined plane. Then, an innovative model test is developed, in which the energy balance in a sliding slope is measured on a shake table. The earthquake energy used for the slope failure can be successfully quantified in the test and its contribution to displacement is discussed in the light of the energy balance established for the block model.     

海原大地震诱发石碑塬黄土滑坡机制探讨

1920年海原8.5级大地震诱发的石碑黄土塬滑坡,因其规模大、坡度小、滑距远的特点成为业界关注焦点,目前对该滑坡的物理力学过程仍无统一认识。基于此,文章通过理论分析和数值计算方法研究该滑坡初始状态、地震动力响应和流滑发展过程。为分析震前斜坡初始状态,建立考虑斜坡表面拉裂缝中侧向水压力作用的力学计算模型。结果表明,拉裂缝中侧向水压力削弱了斜坡整体稳定状态;为研究地震时斜坡动力响应过程,建立数值计算模型,获得地震时斜坡饱和土层的孔隙水压力比和斜坡位移的变化特性;为解释远程滑坡,将液化后土层等效为流体,借鉴泥流滑距估算理论,求算石碑塬滑坡的滑距,计算结果与前人现场考察结果吻合。