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。     

气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响

受气温变化影响,浅层冻土滑坡失稳涉及水分的固液相态转换,是一个复杂的水热力耦合过程。为揭示气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响,基于冻土水热力耦合数值模型,模拟了2020—2024年青海省多年冻土区斜坡水热力演化过程。研究结果表明:水分迁移速率呈周期性变化,每年5—10月活动层融化程度高,总体积含水率变化趋势显著;夏季多年冻土上限以下的高含冰量土层融化产生厚度约15 cm的富水层,孔隙水压难以消散;4年间多年冻土上限下移10.4 cm,导致活动层和富水层的厚度增大,上覆融土下滑力增大、抗滑力减小,土体抗剪强度进一步下降;活动层土体每年产生数厘米冻胀融沉变形,抗剪强度不断劣化,坡脚处最容易形成薄弱带。     

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。     

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。     

脉冲地震动中竖向加速度对场地液化的影响

为研究近断层脉冲地震动中竖向加速度对砂土场地液化的影响,基于有限元平台OpenSees开发的边界面塑性本构模型,建立了动单剪单元试验模型和饱和砂土三维有限元模型。选取台湾Chi-Chi地震中10条具有速度脉冲特性的地震波,对比分析了水平双向脉冲波与三向脉冲波作用下土柱竖向位移、循环应力比、孔压比及等效循环周数的差异性,继而明确了脉冲地震动中竖向加速度对砂土液化的影响规律。研究表明,三向脉冲地震波中竖向加速度分量对场地永久位移值影响较小,但使永久位移的发展持时明显增大;土柱循环应力比受竖向地震动影响较小,因此分析脉冲地震动对场地剪切特性的影响时,可将三向脉冲地震动简化为水平双向地震动;考虑竖向地震动的三向脉冲地震波引起的孔压比变化幅度较大,孔压消散时间较长;三向脉冲地震波对应的等效循环周数较大,地震动发展持时长,可认为竖向加速度对场地液化有促进作用。     

多年冻土区斜坡稳定性研究综述

全球变暖、极端天气频发,引发的地质灾害对自然生态环境和人类生产生活造成了很大的影响。尤其对气候变化较为敏感的高温（年平均地温>-1 °C）和高含冰量多年冻土区,气候变暖以及人类活动导致的冻融地质灾害日益频繁。冻土退化条件下,土体结构和物理力学性质发生改变,黏聚力和抗剪强度降低,造成多年冻土区斜坡发生滑坡、崩塌、泥流等灾害。斜坡失稳加剧了多年冻土区脆弱生态环境的恶化,同时对建（构）筑物安全运营产生威胁。与非冻土区相比,多年冻土区斜坡稳定性研究主要针对高含冰量斜坡段,斜坡失稳模式主要以热融滑塌和活动层滑脱为主。热融滑塌由斜坡段地下冰暴露融化引起,而活动层滑脱产生的原因是冻土融化导致土体孔隙水压力过大,形成的超孔隙水压力降低了土体强度,造成斜坡失稳。此外,多年冻土区斜坡失稳模式还包括融冻泥流、崩塌以及蠕变滑坡等。通过综述近期多年冻土区斜坡稳定性研究进展,概括了多年冻土区斜坡失稳的模式、特征、影响因素、失稳机理、分析方法及防治措施等,并对未来多年冻土区斜坡失稳的研究重点提出建议。     

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。     

基于冻融交界面直剪试验的冻土斜坡失稳过程研究

为了探讨多年冻土区自然斜坡失稳机制,开展了不同含水率黏土、粉土、砂土的土-冰交界面直接剪切试验和相应融土的直接剪切试验。结果表明,砂土和砂土-冰冻融交界面剪切应力-变形特性主要表现为弹性变形,且剪应力存在明显峰值;粉土、黏土及相应的冻融交界面在很小的变形范围内表现为塑性变形,且剪应力无峰值。水分对砂土活动层抗剪强度影响较弱,表现为水分增高,内摩擦角小幅降低。水分对粉黏土活动层抗剪强度影响剧烈,表现为水分增高,粉黏土黏聚力急剧减小。研究发现,冻土区斜坡失稳更易发生于细颗粒粉黏土中。相对于粉土,粉土-冰冻融交界面抵抗剪切变形的能力更强,粉土斜坡潜在滑动面更易发育在冻融交界面上层附近;相对于黏土,黏土-冰冻融交界面抵抗剪切变形的能力更弱,黏土斜坡更易在冻融交界面处发生滑动。同时,细粒土斜坡极易在达到最大融化深度前提前失稳,斜坡坡度越高,失稳时间越提前。融化期活动层水分增多导致潜在滑动面黏聚力降低是细粒土冻土斜坡失稳的最主要原因,孔隙水压对冻土斜坡具有一定影响,在稳定性评价时要考虑活动层水位的影响。     

液化自由场地震响应大型振动台模型试验分析

开展了含上部黏土层、饱和砂土层、密实砂土层的可液化自由场地在水平地震动激励下的大型振动台模型试验研究,分析了地震动激励时饱和砂土液化后场地加速度、位移、孔压比时空响应等动力响应。试验结果表明：在小震激励时,场地动力反应较小,加速度反应自下而上不断放大,各深度处孔压比均较小,模型地基整体处于弹性反应阶段;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,孔压积累迅速,可液化土体最上部土层孔压比达到1,饱和土体液化,模型地基表现出明显的非线性反应特征,加速度反应在饱和砂土层中未有明显放大,土体卓越周期对应的反应加速度自下而上有不断增大趋势。该研究是土-群桩-上部结构体系大型振动台系列试验中可液化自由场动力反应部分,可供今后做对比分析和验证数值模拟参考。     

扩建城市垃圾填埋场的地震稳定性分析

结合现场剪切波速试验、室内常规及动三轴试验结果,给出了扩建城市垃圾填埋场地震稳定性的有限元分析方法,并分析了扩建垃圾填埋体沿填埋体内部圆弧滑动面、新老填埋体交界面及底部和背部衬垫系统的地震稳定性。当填埋场中渗滤液水头较低时,扩建填埋体最易发生沿新老填埋体交界面的滑动。与总应力法计算结果相比较发现,总应力法只适合分析输入地震动较小的情况,而当输入地震动较大时,由于它不能考虑动孔压上升所导致的MSW软化而使得其计算的扩建填埋体沿圆弧滑动面的安全系数偏保守。另外,采用Newmark法分析了不同输入地震动时不同横、竖向扩建方案的永久位移,分析表明：扩建填埋体沿新老填埋体交界面的地震永久位移的对数近似与屈服加速度同最大水平加速度的比值呈线性关系,并给出了其永久位移的拟合公式。     

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。     

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。     

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。     

多年冻土斜坡路基失稳变形影响因素及特征研究

从力学相似性的角度进行多年冻土斜坡路基失稳变形离心模型试验,分析最大融深状态下冻土斜坡路基土层性质、高度以及地基坡度对其稳定性的影响规律,研究冻土斜坡路基失稳变形特性、失稳机制及模式,将片石路基与普通路基进行对比分析。试验结果表明,冻土斜坡路基土层力学性质、路基高度和地基坡度对其稳定具有显著影响,路基的变形在冻融交界面发生骤变,变形主要集中在冻融交界面之上的土层;在本试验条件下,多年冻土斜坡路基合理高度约为5 m;当斜坡路基高度为5 m时,地基坡度大于1: 6,路基横向变形迅速增大;冻土斜坡路基的沉降和横向变形表现出较大的不均匀性,冻土斜坡路基变形失稳的根本原因是冻融交界附近软弱带的抗剪强度不足,阳坡冻融交界面之上的土层沿软弱带滑移破坏;路基破坏可分为浅层开裂破坏、深层开裂破坏和整体滑移破坏3种;冻土斜坡片石路基的水平位移和沉降明显小于普通路基,片石路基具有较好的整体稳定性。     

Dynamic Response of Shallow-Buried Small Spacing Tunnel with Asymmetrical Pressure: Shaking Table Testing and Numerical Simulation

A series of shaking table tests were designed and carried out to study the seismic behaviors of a shallow-buried small spacing tunnel with asymmetrical pressure. The key details to shaking table model test, including test equipment, model similarity relation, similarity constant, model box, physical model, layout of transducers, seismic waves, and loading system were presented. The numerical simulation of the shaking table test was also carried out by using a finite element simulation software. The results show that: (1) the Fourier spectrums in the vertical direction and horizontal direction are different at the same measuring point. The structure of tunnel transforms the Fourier spectrum of horizontal direction. (2) The stability of middle rock pillar is poor under seismic wave action. The anchor plays an important role in strengthening the stability of middle rock pillar. The dynamic strain of anchor has accumulative effect. (3) The numerical simulation results are in significant agreement with the shaking table test results. (4) Compared with type of seismic wave, peak seismic wave has a significant effect on acceleration response of tunnel. The peak acceleration response of the tunnel is linear with the peak seismic wave, in the horizontal direction. The peak acceleration response is nonlinear in the vertical direction. (5) The axial force of cross section at arch foot is larger than other position. The shock absorption effect of 10 cm seismic isolation layer is better than 5 and 20 cm.     

地震效应和坡顶超载对均质土坡稳定性影响的拟静力分析

基于强度折减技术和极限分析上限定理,假定机动容许的速度场破坏面,考虑坡顶超载、水平和竖向地震效应影响推导了边坡稳定性安全系数的计算表达式。采用序列二次规划迭代方法（和内点迭代方法）对边坡安全系数目标函数进行能量耗散最小化意义上的优化计算,与多个算例的对比验证了其方法和程序计算的正确性;对影响土质边坡动态稳定性的一些因素进行了参数分析,分析表明：随着边坡倾角?、坡顶超载q、水平和竖向地震效应影响系数的增大,边坡稳定性安全系数显著下降;随着坡顶超载q、水平地震效应影响系数kh的增大、竖向地震效应影响系数kv的减小,边坡的潜在滑动面越来越深,潜在破坏范围越来越大。竖向地震效应对边坡稳定性也有一定影响,强震条件下的设计计算必须考虑竖向地震效应的影响。     

Computations of Seismic Passive Resistance and Uplift Capacity of Horizontal Strip Anchors in Sand

In this paper, the limit equilibrium method is used to compute seismic passive earth pressure coefficients and the vertical uplift capacity of horizontal strip anchors in presence of both horizontal and vertical pseudo-static earthquake forces. By considering a simple planar failure surface, distribution of soil reaction is obtained through the use of Kötter’s equation. Presence of pseudo-static seismic forces induces a considerable reduction in the seismic passive earth pressure coefficients. The reduction in seismic passive earth pressure coefficients increases with increase in magnitude of the earthquake accelerations in both horizontal and vertical directions and with increase in wall friction angle. The vertical uplift capacity of horizontal strip anchor is obtained for various values of soil friction angle, embedment ratio and seismic acceleration coefficients in both horizontal and vertical directions by using rigorous computational optimization. Proper justification for selected value of wall friction angle is established. Results are presented in the form of non-dimensional breakout factor for anchor. A significant reduction in breakout factor is observed in presence of both the seismic acceleration coefficients whereas breakout factor increases with increase in soil friction angle and embedment ratio even under the seismic condition. Angles of failure planes keep changing with change in seismic acceleration coefficients and failure zone shifts towards the critical direction of seismic acceleration coefficients. Present results are compared and found in good agreement with some specific available results in literature.     

基于不同地质要素土质边坡的地震变形破坏颗粒流模拟

为探讨地震作用下松散堆积体边坡的变形破坏特征,采用颗粒流模拟程序（PFC2D）输入水平向汶川地震波,对不同坡度及不同细观参数的土质边坡进行动力作用下变形破坏的全过程模拟。研究表明,相同地震力作用下坡度主要影响土质边坡的破坏范围,边坡越陡,破坏深度越大,破坏边界越靠后;而细观参数则影响边坡的破坏形式,黏性土边坡的滑体保持了较好的整体性,滑面呈弧形;而砂性土边坡的破坏具有流变性且滑面呈上陡下缓的折线形。     

桩板式抗滑挡墙地震响应的振动台试验研究

汶川地震路基震害调查表明,在顺层或堆积体边坡中的桩板式抗滑挡墙具有良好的抗震性能。为了更好地了解该结构的抗震性能和优化抗震设计方法,以大型振动台模型试验为手段对其进行研究。为明确地震作用下桩板式抗滑挡墙的地震响应特性,试验采用缩尺的卧龙台站实测地震波对模型激励。试验结果揭示了土压力沿桩身分布规律、桩体位移和边坡岩土体加速度的地震响应特征。研究表明,地震土压力沿桩身呈非线性分布,竖向地震荷载对水平加速度有放大效果。所以,双向加载时的地震土压力比水平单向加载时大,但二者差距在地震基本烈度VII、VIII度区域不显著。滑坡推力、滑床对桩的土体抗力和桩身位移均与输入地震动峰值加速度成正比,即随着地震动峰值加速度的增加,加速度放大比增大;滑动面材料剪切强度折减,滑坡推力、土体抗力和抗身位移均增大,且增大速率加快。此外,结合试验成果,建议了桩板式抗滑挡墙设计时地震综合影响系数Cz的合理取值,对应地震基本烈度VII、VIII、IX度区分别为0.2、0.35、0.4。试验结果有助于揭示该结构抗震机制,也为其抗震设计提供了可靠依据。     

Experimental soft‐sediment deformation caused by fluidization and intrusive ice melt in sand

Identifying the driving mechanisms of soft‐sediment deformation in the geological record is the subject of debate. Thawing of ice‐rich clayey silt above permafrost was proved experimentally to be among the processes capable of triggering deformation. However, previous work has failed so far to reproduce similar structures in sand. This study investigates fluidization and intrusive ice formation from soil models in the laboratory. Experimental conditions reproduce the growth of ice‐cored mounds caused by pore water pressure increase during freeze‐back of sand in a permafrost context. Excess pore water pressure causes hydraulic fracturing and the development of water lenses beneath the freezing front. Later freezing of the water lenses generates intrusive ice. The main structures consist of sand dykes and sills formed when the increase in pore water pressure exceeds a critical threshold, and soft‐sediment deformations induced by subsidence during ice melt. The combination of processes has resulted in diapir‐like structures. The experimental structures are similar to those described in Pleistocene sites from France. These processes constitute a credible alternative to the seismic hypothesis evoked to explain soft‐sediment deformation structures in other European regions subjected to Pleistocene cold climates.