不同含水状态堆积体边坡地震响应特性大型振动台模型试验

堆积体边坡动力响应特性复杂,影响因素众多。已有的大型动三轴试验结果表明,含水状态对堆积体的动剪切模量比与阻尼比有重要影响。针对含水状态这一因素,开展了2组不同含水率的1:12比尺的大型振动台堆积体边坡模型试验,对比分析了其在连续地震荷载序列作用下的加速度响应特性与坡顶位移发展趋势。试验结果表明：2组边坡模型均表现出第一阶自振频率随着加载序列递减、阻尼比随着加载序列增大的现象,但含水率为6.6%时,边坡第1阶自振频率与阻尼比均大于含水率为0.7%的堆积体边坡。堆积体边坡含水率为6.6%时的输入地震动峰值加速度（PGA）放大系数大于堆积体边坡含水率为0.7%时的工况。2组模型坡顶水平响应加速度的傅里叶频谱特征相似,均表现出输入地震波的特征频率越接近模型第1阶自振频率,坡顶水平加速度放大效应越明显,而且从低频侧接近第1阶自振频率的响应比从高频侧接近的要显著。含水率为6.6%的堆积体边坡在多级地震荷载作用下的坡顶永久位移均大于含水率为0.7%的边坡,堆积体边坡含水率为6.6%,坡顶永久位移对输入地震波的频谱特性更敏感。研究结论有助于增强不同含水状态对堆积体边坡动力响应规律影响的认识。     

锚索框架梁加固平面滑动型边坡地震动力响应

设计并完成了一个缩尺比例为1:20的锚索框架梁加固平面滑动型边坡的振动台试验,通过改变输入地震波类型和峰值,研究了边坡体及支护结构的动力响应特性。试验结果表明：锚固边坡体的整体稳定性较好,地震造成的破坏主要为滑体顶部震碎和无约束坡面岩土体剥蚀、掉块;地震波在经过软弱夹层时存在能量聚集效应,不同地震波下滑体重心处加速度放大系数的差异性随输入地震波峰值的增加而减小;锚索在地震时表现出协同工作的特性,预应力损失最先发生在坡顶,然后向坡体中下部转移;在锚索框架梁的抗震设计时,应考虑边坡体上部的加速度放大效应和锚索预应力损失对边坡整体稳定性的影响。试验结果为合理考虑预应力锚索框架梁的抗震设计提供有益的参考。     

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。     

预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应特性研究

降雨、地震作用下,隧道洞口边坡易产生严重破坏,有必要研究隧道洞口边坡及支挡结构的动力响应特性。以中国西南某隧道洞口边坡为例,通过振动台模型试验,分析降雨、地震作用下预应力锚索桩板墙加固隧道洞口边坡的动力响应与破坏模式。研究结果表明：（1）隧道洞口边坡破坏过程为坡顶张拉裂缝―坡脚剪切溃裂―边坡整体滑移破坏。由于雨水入渗,坡表土体在地震作用下易产生局部浅层破坏。边坡破坏模式为张拉-剪切型。（2）随峰值加速度增加,桩身PGA放大系数显著增大,应重视该类支护结构在地震作用下的惯性放大效应。（3）桩后峰值土压力随峰值加速度增加而增大,由“S型”分布逐渐转变为倒三角形分布。峰值加速度大于0.4g时,锚索轴力逐渐增加,充分发挥张拉作用。（4）桩土压力与加速度傅里叶谱幅值集中于低频段,地震波沿高程传播存在“高频滤波效应”。（5）桩身位移谱幅值随峰值加速度增加而逐渐增大,沿桩身向上呈增加趋势;位移谱主频分布于1～4 Hz,卓越频率为2.5 Hz,与地震荷载的主频较接近。（6）桩体加速度间的关联性较好,桩体加速度、动土压力、桩体应变、锚索轴力相关性随输入峰值加速度增加而逐渐降低。     

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     

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。     

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。     

BFRP锚杆加固斜坡对地震动的响应特征——以功东高速响水河边坡为例

功东高速公路地震活动主要受小江断裂带控制,该活动断裂带曾经发生了多次破坏性强震,地震作用造成的边坡失稳以及对原有支护结构的损坏,对公路交通运营带来了极大的安全隐患,严重威胁着人民的生命和财产安全。鉴于此,本文通过振动台试验,对无支护边坡与BFRP锚固边坡在EL地震波作用下的加速度及动应力响应情况进行了研究,旨在为高速公路边坡的抗震设计提供一定的理论支撑,得到以下结论:(1)当输入地震波加速度峰值相同时,对应的高程处,无支护侧坡面的加速度放大系数比支护侧的加速度放大系数要大,表明BFRP锚固结构对边坡的加速度放大系数起到了有效地抑制作用,从而提高了边坡的整体稳定性。(2)由于地震波在坡体内传播介质不均匀的原因,使得坡面各测点加速度放大系数随输入地震波加速度峰值的增大并非呈现线性增加的关系,而是一种"锯齿状"的变化趋势。(3)BFRP锚固结构加固边坡二级坡坡面附近单元体压应力最大,坡体内部在三级坡后单元体压应力最大,而无支护边坡坡面主要承受边坡上部的拉应力,边坡体内单元受力并不均匀,表明BFRP锚固结构可以改变边坡单元体的受力状态。     

自适应锚索锚固岩质边坡地震动力响应分析

强震作用下常规锚索往往会因材料变形能力不足导致应力过载而被拉断,一旦锚索失效将直接危及整个锚固结构的安全。为研究自适应锚索的动力响应规律以及在自适应锚索支护下锚固边坡的动力特性,以新型抗震锚索为原型,设计自适应锚索锚固岩质边坡试验模型,并利用振动台试验系统对试验模型进行加载。试验中采用正弦波、天津波、EI波以及Taft波等4种地震波进行研究,监测锚索的应变和边坡动力响应。结果表明：锚索的轴力和地震波幅值、类型、地震激励频率等因素密切相关;锚固边坡坡面加速度及位移沿边坡高程均有不同程度的放大,相对于无锚索支护边坡,锚固边坡坡面加速度和位移峰值均有减小;自适应锚索随着预设滑移恒阻力的不同,锚索会产生不滑移、瞬间滑移、逐步滑移3种工况,对应的锚索应变时程曲线和锚固边坡动力安全系数时程具有显著不同的特征;自适应锚索滑移工况下,滑体的安全系数虽然有局部减小的阶段,但是锚固结构的安全储备较大,可适应边坡大变形和瞬态冲击荷载的作用。试验结果可为强震区路堑边坡的支护和自适应锚索抗震设计提供一定参考。     

Seismic stability analysis of soil nail reinforced slope using kinematic approach of limit analysis

Prediction of the critical seismic yield acceleration coefficient and the seismic permanent displacement of soil nail reinforced slope under seismic loading has been playing an important role in helping design in the earthquake-prone areas. In this paper, the seismic stability of soil nail reinforced slope is analyzed using the kinematic theorem of limit analysis. The log-spiral failure mechanism is considered and the corresponding analytical expressions are derived to calculate the critical seismic yield acceleration coefficient and the permanent displacement of slope subjected to earthquake loading. A series of calculations are carried out to illustrate the influence of inertial force on the stability of a nail-reinforced slope. Parametric studies indicate that the strength and geometry of slope as well as characteristic parameters of soil nail have a significant effect on the critical seismic yield acceleration coefficient and the permanent displacement of soil nail reinforced slope.     

考虑波浪与地震动力效应的曹妃甸海底斜坡稳定性探讨

波浪和地震等动力荷载容易引起斜坡海床失稳,进而引发海底滑坡,危及港口码头安全和海洋工程建设。本文以曹妃甸港南部深槽处海底斜坡为研究对象,考虑真实波浪荷载和地震荷载,采用有限元法和极限平衡法相结合的研究手段对海底斜坡的动态稳定性进行了定量化计算,探讨了动力效应对特殊环境下海底斜坡稳定性的影响机制。结果表明: (1)极端波浪荷载和地震动力荷载对海底斜坡稳定性影响很大,重现期为50a的波浪荷载和峰值加速度为0.15 g的地震动力荷载将引发海底斜坡失稳,且地震荷载将诱发海底斜坡产生较大位移; (2)动力效应会引发海床侵蚀和岩土体强度弱化,进而降低斜坡安全系数,这是稳定性分析中不可忽略的重要因素。     

充分考虑振动台实验滑移特征的地震滑坡基本单元体永久位移估算方法研究

充分考虑振动台实验揭示出来的基本地震滑坡单元体震动滑移特征,总结得到其永久位移的估算方法:（1）考虑地震动惯性力和重力的联合作用,计算相应向上和向下滑移的屈服加速度,以反应其可能向上和向下滑移的行为;（2）在适度简化斜坡岩土体动力学模型的基础上,考虑斜坡岩土体自振特性和滑体所在高度对地震波的放大效应,得到滑体附近的局部地震加速度;（3）考虑滑体附近局部加速度和滑移屈服加速度的控制作用,计算每一地震波的周期内滑体相对滑床所能达到的最大滑移速度（向上和向下）,进而得到相对动能;（4）考虑到滑体的动能基本耗散在滑带上,基于能量守恒原理,将相对动能除以滑带上的摩擦力,即可估算出每一周期内的永久位移;（5）将每一地震波周期内产生的永久位移相累加,即可得到总体的滑动位移。经与实验结果对比,本估算方法具有较高的精度与可靠性,虽只考虑了水平向地震动作用的影响,但对于存在竖向地震动的情况,其思路同样适用,只是需要计入竖向地震动惯性作用力的影响。     

Performance-based assessment of earthquake-induced catastrophic landslide hazard in liquefiable soils

This paper outlines a methodology for evaluating the likelihood of catastrophic landslide occurrence on gentle slopes in liquefiable soils during earthquake. The approach is based on a modified Newmark sliding block model of assessing the earthquake-induced undrained landslide displacements for conditions of no shear stress reversals on the sliding surface. By employing the shear resistance-displacement relationship from undrained monotonic ring shear tests, the simulation model incorporates the sensitivity of computed displacements to variations in yield acceleration. The proposed approach involves an examination of undrained seismic slope performance under various horizontal seismic waveforms scaled to different specific values of the peak earthquake acceleration. An example problem illustrates how the proposed methodology may be used to demarcate, based on the magnitude of permanent seismic displacement, the levels of low, moderate and high risk of catastrophic landslide on a gentle slope in a saturated cohesionless soil susceptible to liquefaction during earthquake.     

A simplified approach for studying the influence of vertical accelerations on seismic response of slopes

ABSTRACT

A simplified approach is presented for estimating permanent displacements in slopes as a result of both vertical and horizontal seismic accelerations. A study of 52 earthquake records showed that the time difference between maximum horizontal and vertical accelerations varied between 0 and 10.3 s. The approach is illustrated for an earth dam embankment by analysing the effects of five of the above earthquake records. The approach combines a pseudo-static slope stability analysis for estimation of the critical (or yield) horizontal-vertical acceleration combinations, and a Newmark type displacement analysis. Guidelines are presented for conservative choice of soil strength parameters of saturated clays for use in the stability analysis. While permanent displacements of up to 40 cm were predicted without considering the vertical acceleration component, no additional displacement above 3.5 cm resulted when this component was included. The predicted additional displacement was consistently less than 10%, and in 50% of the analyses, vertical acceleration led to smaller predicted displacements. The simple approach may be applied in analysis for any slope using real earthquake records. Using existing, empirical expressions for permanent displacement, based only on horizontal accelerations, the effect of the vertical accelerations may be conservatively estimated by increasing the displacement by 10%.     

近断层速度脉冲地震动引起的边坡永久位移预测模型

基于小波分析方法,从NGA数据库的3 551条地震记录中选取189条速度脉冲地震动,地震动均转换成发生最强脉冲的方向。基于Newmark方法,分析了近断层速度脉冲地震动作用引起的边坡永久位移值。结果表明：近断层速度脉冲地震动对边坡产生特殊的破坏作用,表现在滑动位移值大、滑动体破坏力强等方面;边坡永久位移值与速度脉冲地震动的峰值速度具有高度相关性,位移值较大时尤为明显。建立了基于单变量形式的峰值速度及双变量形式的峰值速度、峰值加速度两种边坡永久位移预测模型,模型简单实用,与回归数据具有很好的相关性,前者更适用于预测对实际工程影响较大的永久位移值,且离散性较小。提出的预测模型为考虑近断层地震动速度脉冲特性影响的边坡永久位移值的概率地震灾害分析提供了基础。     

Seismic Retrofit of Gravity Retaining Walls for Residential Fills Using Ground Anchors

Failure of several gravity retaining walls in residential areas built on reclaimed land, during the October 23, 2004 Chuetsu earthquake in Niigata Prefecture, Japan, determined the authorities to consider the seismic retrofit of the walls in order to mitigate future similar disasters in the urban environment. This study addresses the effectiveness of ground anchors in improving the seismic performance of such retaining structures through a sliding block analysis of the seismic response of an anchored gravity retaining wall supporting a dry homogeneous fill slope subject to horizontal ground shaking. Sliding failure along the base of the wall and translational failure along a planar slip surface of the active wedge within the fill material behind the wall were considered in the formulation, whereas the anchor load was taken as a line load acting on the face of the gravity retaining wall. The effects of magnitude and orientation of anchor load on the yield acceleration of the wall-backfill system and seismically induced wall displacements were examined. It was found that for the same anchor orientation, the yield acceleration increases in a quasi-linear manner with increasing the anchor load, whereas an anchor load of a given magnitude acting at various orientations produces essentially identical yield accelerations. On the other hand, the computed earthquake-induced permanent displacements of the anchored gravity retaining wall decrease exponentially with increasing magnitude of anchor load. Additionally, the influence of backfill strength properties (e.g., internal friction angle) on the seismic wall displacement appears to diminish considerably for the anchored gravity retaining wall. A dynamic displacement analysis conducted for the anchored gravity retaining wall subjected to various seismic waveforms scaled to the same peak earthquake acceleration revealed a good correlation between the calculated permanent wall displacements and the Arias intensity parameter characterizing the input accelerogram.     

既有深坑边坡、结构共同作用的动力响应研究

城市周边废弃矿坑逐渐被利用起来以建设大型公共服务项目,建筑群以边坡作为基础将引起新的技术难题。采用大型振动台试验对地震作用下既有深坑边坡、单跨和多跨框架结构的动位移及结构动内力进行了研究。研究结果表明：地震波类型、幅值和激振方向对模型动力响应均有影响,不同地震波对模型动位移和内力的影响存在差异,动位移随激振幅值的增加而增加,双向激振比单向激振引起的动位移大,与激振同方向的位移较其他方向大;单跨和多跨结构控制位移的能力在高强度地震激振下才有差异,后者比前者控制位移的能力强,但柱子内力较前者大;由于结构与地基的共同作用,整体性好、刚度大的结构可提高地基的抗震性能,多跨结构地基较自由场动峰值位移小2.5%～8.8%,永久位移小13.6%～62.1%。试验结果有助于揭示深坑边坡在地震作用下的失稳机制,为深坑边坡及构筑物的抗震设计提供有益的参考。