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     

多级边坡平台宽度对边坡地震动力响应 及破坏机制的影响

以典型工程边坡为原型,利用FLAC3D有限差分软件建立一个三维土坡模型,分析地震作用下多级边坡平台宽度对边坡动力响应特性和动力失稳机制的影响。计算结果表明,边坡设置平台可以有效地提高地震动力条件下边坡的稳定性,且平台宽度越大则稳定性越显著;PGA放大系数随着平台宽度的增大而减小。结合频谱分析得到第一级边坡坡顶的动力响应较第二级边坡坡脚的大,边坡岩土体剪应变增量和位移响应也减小;地震作用下边坡塑性区从坡脚部位向坡体内部发展,随地震持时的增加,坡顶出现拉张变形,坡面及其浅表层发生拉张剪切变形,坡体内部一定部位发生剪切变形;坡面监测点位移时程曲线表明,地震作用下边坡坡脚位移向上,发生剪出变形或破坏,坡脚和变坡点均为薄弱部位,应加强支护。研究结果对多级土质边坡抗震设计具有一定指导意义。     

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。     

滑坡防治格构梁锚固系统振动台模型试验

为研究地震作用下锚固系统的动力响应,采用振动台进行格构梁锚杆支护滑坡模型试验。试验分别输入汶川波、EL Centro波、正弦波作为地震激励,监测锚杆轴力、坡体加速度和位移时程,研究锚固滑坡在地震作用下的动力响应差别、不同位置锚杆在地震作用下的受力机制。结果表明：低量级地震波（0.05 g～0.40 g）作用下,坡脚相对坡体的其他部位,浅表效应表现明显,坡脚滑面由于反复的揉搓作用,更容易出现裂缝,影响整个锚固体的稳定;建议在拟静力法设计的基础上,在滑坡坡脚密集地打入短锚杆或土钉以平衡坡脚滑面处出现的不协调往复运动。高量级地震波作用（0.6 g～0.8 g）下,坡肩处坡表效应表现明显、坡顶滑面处裂缝宽度不断增长,更易出现崩裂、崩滑等现象;建议加长坡顶的第1排锚杆,以抑制坡顶滑面处裂缝的下切发展;同时在坡顶面垂直地打入短锚杆或种植根系发达的植物护坡。格构梁锚固系统不会出现素土边坡的整体性破坏,强震作用下,首先是坡脚锚杆的承载能力受到损伤,顶层锚杆的抗拉力则因坡顶面及上表面的拉裂急剧增长。研究结果为更加合理地进行锚杆抗震设计提供了良好的基础。     

三向地震作用下错距岩质边坡共振特性研究

地震引发的共振往往会对边坡造成严重的破坏,直接影响边坡的抗震性能。为研究错距岩质边坡的共振特性,通过有限元软件ANSYS建立三维边坡数值模型,分析错距对边坡固有频率的影响,并使用谐响应分析对坡面各点的共振响应规律及地震作用频率对边坡应力的影响进行探讨。结果表明：（1）在不同错距条件下均有可能出现共振现象,边坡错距越大,基频越小,坡面的水平共振位移大于竖向共振位移,前坡坡面位移峰值较大,发生共振的频率比后坡小;（2）低阶和高阶固有频率被激发都可引发共振,但高阶共振位移相对较小,前坡和后坡坡面水平位移峰值表现为：坡顶>坡中>坡脚,侧坡则是：坡中>坡顶>坡脚,在高频加载条件下,边坡会出现下部动力响应大于上部的现象;（3）坡体共振时发生的破坏主要以坡脚剪切破坏为主,最大剪切应力和最大拉应力出现的位置与加载频率范围有关,前坡更容易遭受破坏,低频地震动对前坡影响较大,而高频地震动则相反。所得结论可为错距边坡进行抗震设防时确定重点加固部位提供参考。     

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。     

地震边坡失稳机理及稳定性分析

通过对汶川地震边坡调研,发现大量边坡破坏形式为坡顶拉裂、下部坡体剪切破坏。本文利用有限差分程序,从边坡土体的应力状态出发,通过监测边坡土体的状态、位移和剪应变增量变化等,分析了岩土体在静力、横向地震和耦合地震作用下的破坏过程,发现坡顶附近发生张破坏,以下部位发生剪切破坏,而非传统的地质工程观点——地震边坡破坏主要是地震惯性力造成的剪切破坏。并提出一种新方法——关键点相对位移法,来判断边坡的动力稳定性,数值模拟结果与已有研究成果及震后灾害调查结果具有良好的一致性。     

强震作用下多层土质边坡破坏规律与变形特征

通过对汶川地震受灾区北川县陈家坝地区的地质灾害调查,根据现场松散土质边坡破坏情况,由工程地质类比法选择了计算模型和地震波,采用岩土弹塑性理论和FLAC3D软件分析了多层土质边坡在动荷载作用下边坡单元的剪切拉伸破坏和剪切应变动力响应规律。研究表明,在水平和竖直地震波联合作用下,地震边坡单元首先在坡体内产生剪切破坏。随着震动时间的增加,剪切破坏单元向坡脚和坡肩处延伸,而在坡肩处主要产生拉破坏,一旦剪切破坏面和拉破坏面贯通,将导致边坡失稳。强震过后边坡坡脚鼓出,坡肩下凹,整个坡体呈弧形破坏。      

地震作用下BFRP锚固结构动力固坡效应研究

地震作用下锚杆结构动力固坡效应是以被加固岩土体为主要研究对象,研究锚固结构加固边坡所产生的动力效应是岩土锚固工程的研究重点和发展趋势。基于玄武岩纤维复合材料BFRP（basalt fiber reinforced polymer）锚索框架加固边坡与未加固边坡的振动台模型试验对比,定量地分析在鲁甸地震波加载作用下边坡坡面加速度放大系数的动力响应。结果表明,（1）随着输入地震波加速度峰值的增大,边坡坡面局部破坏有利于该位置处地震波竖直分量的放大作用,与同一位置地震波水平分量的放大效应恰好相反,可以作为判识边坡岩土体出现局部破坏的方法;（2）根据加速度峰值比K_(i)与高度关系曲线的物理意义得出,BFRP加固边坡在输入地震波加速度峰值大于等于0.4g时坡体局部才会受到较大动剪应力的影响,动剪应力的作用主要发生在坡体中下部位置,与未加固边坡有着明显差异;（3）通过分析模型试验过程中的宏观试验现象,揭示了未加固边坡的震害损伤主要发生在坡体顶部和临空面位置,变形破坏发展过程为坡顶出现张拉裂缝、临空面出现剪切裂缝→裂缝延伸扩展→裂缝交叉位置出现坡体沉陷和剥皮掉土→边坡浅表层自上而下分层破坏,BFRP锚索框架加固边坡仅在坡面局部位置产生剪切裂缝,整体性较好,可见BFRP锚索框架可以有效地适应坡面的变形,减小因坡体不同高度位置动力响应不同而产生的震害损伤破坏,具有良好的抗震性能。     

基于FLAC^3D的黄土边坡稳定性分析

根据FLAC^3D的特点和基本原理,结合黄土边坡的变形特点,研究某典型黄土-基岩边坡的变形破坏过程,分析边坡分步开挖坡体应力和位移的变化规律,研究表明：边坡坡脚开挖,对于边坡的整体稳定性影响较为严重,很有可能引发边坡破坏;随着开挖的进行,坡体主要位移逐渐转变为水平位移,且开挖后应力在坡脚处集中。依据对边坡开挖过程中位移和应力的分析,表明随着每一级土体的开挖,边坡位移迅速增大,因此控制开挖过程中坡体位移是边坡开挖工程中重要工作,应采取对边坡坡面和坡脚加固的措施,以缓解坡脚应力集中,减小和避免坡体位移。     

顺层岩质边坡地震动力响应研究

地震作用下边坡的动力响应研究是边坡动力稳定分析的基础,利用FLAC3D有限差分软件建立一个顺层岩质边坡动力数值模拟模型,对其在竖向和水平向地震耦合作用下的动力响应全过程进行研究。研究表明,地震竖向和水平向耦合作用模拟比简单的模拟水平向振动更加接近实际情况,对岩土体的破坏更大;顺层岩质边坡在耦合地震作用下存在垂直放大和临空面放大作用;坡面水平向和竖向加速度均随高程增加呈增大趋势,在结构面处增大特别明显;竖向地震波产生的水平与竖向拉裂是触发斜坡体产生初期崩滑破坏的主控因素;边坡动力响应特征值的放大效应表明,其放大系数值从大到小依次是：竖向加速度＞水平加速度＞竖向速度＞水平速度;耦合地震波作用下,随着av /aH的增大,坡面监测各点横向位移基本呈增大趋势,说明竖向地震作用起了重要的破坏作用。     

黄土边坡动力响应的影响效应研究

根据随机地震荷载作用下黄土动三轴试验的动剪切模量表达式和试验参数编制子程序,采用MSC.Marc软件建立有限元模型,并基于人工合成地震动时程对黄土边坡进行动力响应分析,研究输入地震波的卓越频率、幅值以及入射角变化,对黄土边坡位移、速度、应力的动力响应,分析对响应幅值、频谱的影响效应。由研究结果可见:边坡位移、速度等响应时程的卓越频率远小于地震输入波的卓越频率,边坡岩土介质对地震波的高频成分有过滤或吸收作用; 边坡的动力响应幅值极大的受地震输入波卓越频率的影响,对于给定的边坡,它将对包含某一卓越频率成分的地震动时程的动力响应异常强烈; 输入地震波幅值的变化,只引起边坡动力响应幅值的线性变化,不改变边坡中响应时程的频谱特征; 当地震波以一定角度入射时,边坡动力应力响应时程包含了更多的高频成分,位移和速度响应幅值随入射角的增大而减小,且越靠近坡顶减速越快,而应力响应幅值在坡顶与坡腰、坡脚处具有不同的影响规律; 另外,地震荷载作用方向的改变,还对边坡动力响应放大系数有较大影响,当作用力方向非竖直时,动力响应放大系数随地震波入射角的增大而减小。     

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.      

地震与强降雨条件下云南鲁甸王家坡震裂山体稳定性分析

强震、暴雨等极端工况下的动力响应研究是震裂山体稳定性分析的关键。针对云南省鲁甸县红石岩堰塞坝水电库区边坡稳定性问题,运用三维数值模拟手段,对王家坡震裂山体在竖向和水平向地震波耦合作用下的动力响应全过程进行研究,并与暴雨工况及天然工况进行对比。研究结果表明:强震及暴雨作用下,王家坡震裂山体主要位移变形均发生在山体上部的断层影响带全强风化层表层部位,最大位移量分别为0.64 m和0.28 m;结合应力分布及剪应变增量分析可知,斜坡整体最大变形方向为N7°W。在天然状态下,坡体整体稳定性较好,但在极端工况下,坡体上部全强风化层发生坡表局部失稳的可能性较大。动力稳定性分析结果与实际监测数据较吻合,可为红石岩水电库区建设及王家坡震裂山体边坡治理提供参考依据。     

顺层岩质边坡静力开挖物理模拟试验研究

利用大型室内模型试验,开展了含软弱夹层顺层岩质边坡的静力开挖试验,试验结果表明:随着开挖角度的增大,边坡完成开挖卸荷松弛的时间大幅缩短。开挖角度为47°时,边坡位移稳定时间为214.56 h;开挖角度为60°和72°时,边坡位移稳定时间缩减为107.28 h。随着开挖角度增大,坡面位移稳定值逐渐增大,且位移稳定值随着高程的增加而增大。通过布设于坡体内部的位移传感器可以获得边坡在开挖过程中坡内及坡面的位移场,分析不同高程水平参考线处坡体位移分布曲线,并结合位移限制值可以得到边坡开挖位移松弛区范围。通过试验研究发现,含软弱夹层顺层岩质边坡开挖松弛区范围随着开挖角度的增大不断向坡脚和坡顶延伸,开挖松弛区范围增大。     

组合支挡结构加固边坡地震位移松弛区确定方法研究

利用大型振动台试验对组合支挡结构加固边坡的地震位移松弛区进行研究,提出了位移松弛区边界线的确定方法。选取位移限定值,依次连接不同高程位置处位移曲线上位移限定值对应点,构成位移松弛区的边界线。研究结果发现,随着输入地震波强度的增大,边坡的位移松弛区范围逐渐增大;组合支挡结构作用下,边坡位移响应由表及里逐渐减弱;边坡位移时程峰值出现时间稍晚于输入地震波时程的峰值出现时间;边坡相对高度0.368至坡顶具有位移协调性,表现为位移时程峰值出现时间接近,且均早于坡脚部位。其研究成果对认识边坡的地震位移松弛区及优化组合支挡结构设计具有指导意义。     

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。     

坡面形态对边坡动力变形破坏影响的模型试验研究

采用自主制作的单向振动试验台,对不同坡面形态土质边坡进行了失稳破坏过程的模型试验研究。试验设计了凹面坡、凸面坡和凹凸面组合型3类边坡共8个模型,通过单向振动试验台施加初始位移,触发模型边坡失稳破坏,利用摄像机对模型边坡破坏过程进行跟踪记录,并对变形破坏特征进行分析。试验表明：凹面坡主要由坡面上形成的横向裂隙带动整个坡体发生破坏,而凸面坡则是由于坡顶上形成的横向裂隙带动整个坡体发生变形破坏,凹凸面组合型边坡的破坏则是受坡面凸起部位所控制;进一步研究发现,凹凸程度越强的边坡越容易发生变形破坏,其变形破坏的程度越大。研究成果有助于了解不同形态坡面边坡的破坏特征,为工程边坡设计提供借鉴意义。     

基于振动台模型试验的二元结构边坡地震动力响应研究

在强震区,地震诱发边坡失稳等地质灾害的安全隐患十分突出。同时,针对由上覆松散堆积物和下卧基岩构成的土岩二元结构边坡,其地震作用下动力响应的相关研究仍较为少见。因此本文以海西福永高速ZK132+300段典型土岩二元结构边坡为原型,设计制作了1/20缩尺模型边坡,在福建省土木工程灾害防治重点实验室的双向地震模拟振动台上,完成了20种工况的模拟地震动试验。重点关注坡体高程、地震动幅值、地震动频率特征对PGA放大系数的影响,得到以下结论。坡内和坡面各测点处PGA放大系数,均呈现出明显的高程效应和鞭梢效应;但锚框支护能有效抑制坡面的趋表效应。随着输入地震动幅值的增大,土体表现出明显的塑性特征,坡内和坡面各测点处PGA放大系数,按高程依次呈线性减小或指数型减小。在相同幅值、不同频率特征的地震波作用下,坡面各测点处PGA放大系数呈现出明显的差异性;但这种因地震波频谱特性不同而产生的差异,随着高程增加而逐渐减小,并在坡顶处趋向一致。同时通过对边坡表观破坏特征的描述,发现二元结构边坡的裂缝发展仅出现在上部土质坡体的坡顶和坡肩自由面附近,未出现贯通性裂缝和整体滑移失稳,认为锚框支护结构极大提高了上部土质边坡的抗震性能。     

松散堆积体工程边坡变形机理分析及支护对策研究

合理选择开挖坡比、正确认识变形破坏机理是影响松散堆积体边坡稳定性和施工安全的前提, 本文研究了西南地区某松散堆积体工程边坡的结构特征, 根据地形条件确定了合理的开挖坡比, 采用二维有限元研究了开挖边坡的变形机理并根据模拟结果确定潜在滑动面, 在此基础上, 提出支护对策。研究结果表明, 边坡由厚度达70m 的坡洪积、泥石流块碎石堆积体组成, 斜坡下部缓中部稍陡, 开挖平台位于缓坡部位, 根据地形条件结合坡体结构特征确定边坡开挖坡比为1: 0. 75; 数值模拟结果表明, 边坡变形开挖面附近及坡顶拉应力和坡体下部最大剪应力控制, 坡顶部位将首先产生拉张裂隙, 开挖边坡内部产生从坡脚部位向上发展的剪切变形, 滑面一旦与坡顶拉裂缝贯通, 边坡将产生整体失稳; 边坡采用锚拉桩、锚索框架、锚杆框架、排水相结合的综合治理措施进行支护。