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。     

考虑动态临界加速度的地震边坡永久位移预测模型研究

在区域边坡地震危险性评价中主要采用永久位移预测模型进行地震边坡永久位移计算。永久位移预测模型以Newmark滑块理论为基础,通过大量实测地震时程记录统计拟合得出。针对Newmark理论中滑动面抗剪强度参数保持不变和已有位移预测模型的计算位移小于实测位移的问题,利用动态临界加速度理论,分别构建含有峰值加速度和阿里亚斯强度的两种位移预测模型。对该模型计算出的永久位移合理性进行讨论,发现永久位移计算结果符合滑坡实测位移的数量级。采用本文模型计算的永久位移更加接近地震滑坡位移实际大小,可以解决一直存在的预测位移小于实测位移的问题。在更进一步讨论发展的基础上,本文模型可满足更多的理论应用和工程实际,为区域边坡地震危险性评价提供思路。     

地震作用下黄土边坡动态滑动位移研究

提出在地震作用下黄土边坡滑动的新模型,该模型由一个四边形块体和一个扇形块体构成。根据牛顿第二定律,分析该边坡在地震作用下两滑动块体的受力状态,推导任一时刻滑动块体的加速度。从而给出该边坡模型的临界地震加速度系数表达式并计算不同参数下,临界地震加速度系数的值。对已推导边坡块体加速度积分,解得任一时刻滑动块体的位移表达式,计算此时滑动块体的位移特解,并根据给定的三种实例,计算不同参数下滑动块体的位移。结果表明：块体交界面的倾角对临界地震加速度系数和块体滑动位移有显著的影响,当块体交界面倾角为正时,滑体越大,则临界地震加速度系数越小;当块体交界面的倾角为负时,滑体越小,则临界地震加速度系数越小;当块体交界面的倾角相等、持时相同时,滑块越大,位移越小。研究结果可为相关边坡的抗震设计及地震滑坡位移计算提供新的参考。     

饱和砂土中箱型隧道的地震反应分析

饱和砂土地基在地震作用下存在液化的潜在危险,液化引起的地基失效可能会导致地下结构的严重震害。以Opensees作为计算平台,对饱和砂土中带中柱箱型隧道的地震反应进行输入不同幅值地震动时的动力数值计算,研究场地和结构的加速度反应及其频谱特性、场地的永久变形、隧道的震后位移以及隧道的内力分布。计算结果表明,饱和砂土中箱型隧道的地震附加内力仍受周围土体的相对位移控制,此外在震后隧道可能会产生侧移和上浮的永久位移,并且可能存在残余内力。     

考虑永久位移的锚索框架减震锚头弹簧组件合理刚度研究

强震作用下预应力框架锚索可能出现内锚段松脱、锚索拉断等震害,在锚头处设置弹簧是一种新型抗震措施,而弹簧刚度的合理选取对改善锚索受力至关重要。建立在锚头处设置弹簧预应力锚索框架的加固基岩-覆盖层边坡三维数值模型,研究边坡在不同峰值加速度、不同持时地震波作用下响应规律,调整锚索-弹簧串联体系等效刚度大小,分析坡体永久位移和锚索轴力减载比随弹簧刚度的非线性变化特征;以控制边坡位移及锚索减载效果为目标,提出弹簧组件的合理刚度确定方法。研究表明:随弹簧刚度降低,缓冲减震作用逐渐显著;坡顶水平加速度受刚度变化影响较小,但当弹簧刚度低于临界值后边坡位移及弹簧变形量急剧增加;以边坡永久位移实际调查经验限值为首要控制条件,结合位移、弹簧峰值行程随刚度变化拟合“直-曲分界点”曲线,以共同确定弹簧刚度下限;同理,依据减载比拟合曲线轴力削减明显区段得出刚度上限,以保证一定工程经济性。针对算例模型取永久位移10 cm、拟合曲线曲率k小于0.002k_max作为直曲分界判断依据,得0.4g~0.6g强震下弹簧刚度区间为 (2.5,3.8) kN/mm,研究方法可为边坡预应力锚固工程抗震设计提供参考。     

季节冻土区土钉支护边坡地震反应动力特性分析

为了更科学地评价地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡的抗震性能，基于热-动力理论控制方程，应用大型非线性有限元软件ABAQUS，建立带有黏弹性人工边界的地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡的数值模型，对比分析夏季和冬季这两个典型季节时的加速度响应、位移响应以及土钉轴力响应。结果表明：无论是夏季还是冬季，加速度峰值随着季节冻土边坡高程以及激振加速度峰值增加而增加，在夏季时刻的季节冻土边坡坡顶位置处达到最大。此外，在不同地震波峰值加速度作用下，相同位置处的位移响应峰值却有明显的不同，同一地震烈度地震波激震时，夏季的季节冻土边坡坡顶位移最大，表明地震荷载对夏季的季节冻土边坡坡顶破坏效应最为明显，土钉轴力具有高程放大效应和坡面放大效应，季节冻土边坡坡底至坡顶的土钉端部轴力峰值逐渐增大。文中数值模拟模型及结论可为制定地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡抗震设计提供一定的参考。     

地震作用下加筋土挡墙整体稳定性分析

为研究软土地基上加筋土挡墙在地震作用下的稳定性,通过有限差分软件建立了高度为10 m的加筋土挡墙数值模型,并对其施加坡顶超载和地震荷载,分析了回填土黏聚力（0 kPa、5 kPa、10 kPa、15 kPa、20 kPa）、内摩擦角（25°、30°、35°、40°）、底部筋材长度（6 m、8 m、10 m、11 m、12 m、14 m）以及筋材位置对加筋土挡墙地震稳定性的影响。结果表明：加筋土挡墙的地震整体稳定性系数随墙后回填土的内摩擦角及黏聚力的增大近似线性增长;地震整体稳定性系数随着筋材布置间距的增大而减小,筋材应布置在边坡位移最大点位附近;地震整体稳定性系数随底部筋材长度的增加先升高后趋于稳定。     

区域边坡地震危险性评价理论研究进展

地震滑坡会对自然环境和人民生活带来极大破坏,在大区域范围内对边坡遭受地震影响的程度进行评价判断,主要采用具有预测性质的潜在地震诱发滑坡危险性评估的方法。因此,深入研究边坡地震危险性分析的基本理论并作出符合实际的危险性分布图对工程建设和灾害防治具有较大意义。梳理并阐述具有预测性质的边坡地震危险性分析所需数据资料及各类数据的研究进展,将利用永久位移法进行边坡地震危险性评价所需数据归纳为三种：(1)边坡在地震影响下破坏程度的判定依据;(2)区域地震动参数如峰值加速度、阿里亚斯强度;(3)边坡坡体基本参数如黏聚力、摩擦角、重度、滑块厚度、坡角等。边坡地震危险性评价的准确程度与这三类数据的研究程度与准确性有关。文章对三类数据分别详细阐述各自的研究现状与成果应用,最后分析理论存在的部分问题以及以后的研究方向。     

加筋土边坡临界滑动场

在分析加筋土边坡稳定性时,将加筋材料的作用视为施加于滑面上的等效力,建立了满足力平衡的加筋土边坡安全系数的计算格式;将边坡临界滑动场数值模拟方法进行推广,提出了基于力平衡的加筋土边坡临界滑动场计算方法,可以得到形状任意的临界滑动面及边坡最小安全系数。通过算例,比较加筋前后临界滑动面和安全系数的变化,并探讨了加筋水平间距、强度、长度对加筋土边坡稳定性的影响。     

地震和降雨对乌鲁木齐大学路泥岩边坡影响

利用有限元ABAQUS软件,模拟了人工开挖边坡,研究了降雨和地震对三叠系强风化泥岩边坡稳定性的影响。结果表明:降雨会使滑体的内摩擦角和黏聚力减小,从而使边坡安全系数急剧降低。地震对边坡的影响最大,由于边坡存在与地震波传播方向相垂直的竖向结构面,很容易发生拉裂破坏。通过设置抗滑桩支护边坡可以提高边坡的稳定性,并且在桩间距一定的条件下,随着桩径的增加,边坡安全系数稳步增长。     

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.     

Regional seismic slope failure probability matrices

A method for constructing seismic slope failure probability matrices is presented. The core of the method is a probabilistic sliding block model which allows for systematic incorporation of the uncertainties associated with both the ground excitation and the strength of the slope materials. The extent of damage to a slope is defined in terms of the magnitude of the earthquake-induced permanent displacement. The intensity of the ground shaking is characterized by a peak ground acceleration as well as an earthquake magnitude, and the possible scatter in the ground motion details is included through the use of an equivalent stationary motion model. After the effects of essential contributing factors are discussed, regional seismic slope failure probability matrices are presented for general applications.     

Deterministic sliding block methods for estimating seismic displacements of earth structures

A review and quantitative comparison of existing deterministic sliding block methods for predicting permanent displacements of earth structures subjected to seismic loading is presented. The reviewed sliding block methods are divided into two main groups based on the characteristic earthquake parameters referenced in each method. One group uses the maximum horizontal ground acceleration and velocity, and the other uses the maximum horizontal ground acceleration and the predominant period of the acceleration spectrum. Displacement functions published by previous authors are reformulated to give common non-dimensionalized displacement functions of the critical acceleration ratio which are then used to compare the different methods for the estimate of permanent seismic displacement of soil structures. The results show that despite the fact that the different methods were formulated using a wide range of earthquake records and different characteristic seismic parameters, permanent displacement values predicted using these methods fall within a reasonably narrow band. Selected acceleration data from three recent earthquakes that occurred in California are used to evaluate and compare the accuracy of the reviewed displacement methods for practical applications.     

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.     

考虑支座摩擦滑移及结构碰撞的非规则人字形桥梁地震响应分析

针对非规则人字形桥梁在地震作用下灾变严重的问题,以一座非规则人字形桥梁为研究对象,建立其空间分析模型,研究综合考虑支座摩擦滑移、结构碰撞对非规则人字形桥梁地震响应的影响。结果表明:邻梁间的碰撞作用可使得桥梁墩顶位移及内力相比不考虑时有所减小,但同时也使梁体产生了较大的加速度脉冲效应;当考虑支座摩擦滑移和结构碰撞时,固定墩墩顶位移和邻梁相对位移峰值有一定程度增大,然而对梁体加速度脉冲效应结果影响并无统一规律;纵向地震波作用下,非规则人字形桥梁不仅存在顺桥向的碰撞,横桥向的碰撞响应也不容忽视。非规则人字形桥梁进行抗震设计计算时应选取符合实际情况的计算模型,考虑支座摩擦滑移及结构间的碰撞。     

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。     

Soil slopes under combined horizontal and vertical seismic accelerations

Conventional methods of designing earth structures are based on pseudo-static stability analysis employing a horizontal seismic coefficient. This paper discusses the stability and permanent displacement of a slope subject to combined horizontal and vertical accelerations. A log-spiral failure mechanism is used. It is shown that seismic force has a significant effect on stability and permanent displacement of slopes. The parametric study reveals that vertical acceleration may play an important role on stability and permanent displacement if the corresponding horizontal acceleration is large. © 1997 John Wiley & Sons Ltd.