玄武岩纤维增强复合材料在高边坡防护中的振动台试验研究

在地震烈度较低时,钢锚索可以很好地限制坡体变形,起到良好的边坡支护效果。但是在强震条件下,常规的锚索难以发挥其锚固作用,最终导致锚固失效破坏,常会引发边坡失稳破坏的现象,且在地下水等腐蚀性物质的作用下,常会造成钢锚索的锈蚀问题。鉴于此,通过大型振动台试验,对新型玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced plastics,简称BFRP)加固边坡及无支护边坡的动力响应进行了对比研究,旨在为高边坡加固中BFRP锚索的动力合理性设计提供科学依据。研究结果表明:相较于BFRP锚索支护边坡而言,无支护边坡在地震波加载过程中具有明显的变形阶段,主要可划分为弹性阶段、塑性阶段、塑性增强阶段以及破坏阶段,且当输入波峰值小于0.2g时,BFRP锚索支护边坡与无支护边坡均可处于弹性状态;BFRP锚索支护边坡的加速度峰值均要大于无支护边坡的加速度峰值,表明相较于无支护边坡而言,BFRP锚索可有效提高边坡的刚度;同一工况的地震波作用下,无支护边坡中各测点位移谱值均要大于BFRP锚索支护边坡对应测点的位移谱值,表明BFRP锚索用于边坡支护工程中时,可以很好地限制坡体变形,有利于提高坡体的抗震性能。     

多级框架锚索和抗滑桩联合作用下边坡抗震性能的振动台试验研究

基于原型边坡设计了大型振动台模型试验,通过监测锚索轴力、桩身土压力、坡体加速度和坡面位移时程,研究多级锚索框架梁与双排抗滑桩组合结构加固含软弱夹层岩质边坡的地震动力特性。试验结果表明:在0.15g El Centro地震波激振时锚索预应力产生损失,最大损失比为23%,建议对变形等级要求较高的边坡在锚索抗震设计时适当提高预应力初始值1.2~1.3倍;沿边坡不同高度布置的锚索其轴力响应峰值几乎同一时刻到达,而峰值增加比例呈现出空间非一致性,在锚索抗震设计时应以坡体中部抗滑桩为界将边坡分为上、下区分别考虑;坡脚抗滑桩受荷段、锚固段土压力均随着输入地震波峰值加速度的增加而增大,主动土压力分布规律将由"上小下大"转变成"上大下小"的形状,被动土压力Ⅰ、Ⅱ区的分界点将向桩体下部发展;锚索与抗滑桩在地震时表现为协同工作机制,工程设计中要充分考虑地震效应对桩锚下滑力分担比的影响。该研究成果可为更加合理地考虑地震区锚索框架梁与抗滑桩组合支护结构的设计提供指导。     

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。     

地震作用下预应力锚索边坡的稳定性分析

稳定性分析对边坡工程具有重要的意义。为探究地震对预应力锚固边坡的影响，基于预应力锚索具有安全储备的特点，分析了地震作用下边坡的分阶段模型。在传统Newmark法的基础上，采用拟动力计算，推导了顺层岩质边坡的位移、锚固力和安全系数计算公式。结合工程两个算例，探究了不同锚索模型和地震累积作用下的边坡变形规律。由结果可知，当锚索锚固力取固定值时，边坡计算位移偏大，随时间呈线性增长。当考虑锚索的安全储备时，位移增长速率随时间逐渐减小，最后趋近于定值。不同锚索模型对位移影响较大，锚索储备作用不可忽略。同时地震会对预应力锚固边坡产生永久性影响。当再次发生扰动时，其表现为临界滑动阈值的提升，位移增长率与受震经历的加速度幅值呈反指数变化。以露天矿区边坡为背景，在抗震设防标准下确定最佳支护方案。     

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。     

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。     

强震作用下复杂边坡块体破坏模式和破坏特征研究

设计了白鹤滩水电站复杂结构面组合块体边坡的比尺为1:200的大型三维动力模型试验,通过输入不同幅值的地震波,研究地震作用下块体位移时程的响应规律、残余变形的分布规律,揭示边坡块体的破坏模式,评判边坡块体的破坏类别和特征。试验结果表明,工程边坡块体在设计条件下的抗震稳定性较好;在地震超载过程中,残余变形首先发生于后缘裂隙,各超载工况残余变形量由两个三角部位向坡内逐渐减小,三角部位为地震作用下易首先破坏的区域;该边坡块体地震破坏模式为沿底面与侧面的双滑失稳破坏模式。由残余变形量变化过程及地震灾后统计成果分析得出工程边坡的破坏特征:残余变形量小于15 cm且初次出现较明显突变可作为抗震设计允许变形限值;残余变形量大于30 cm后位移突变加强,边坡块体即可能整体失稳。边坡锚固应注意加强块体后缘裂隙的抗拉能力和底面的抗剪能力。     

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。     

汶川地震中锚固岩质边坡的动力响应特征

岩质边坡的地震响应是当前岩土工程界所关注的重要问题之一。以紫坪铺工程进水口边坡为研究对象,以现场监测数据为基础,从时间和空间的角度综合分析了汶川地震前、后支护荷载和边坡位移的变化特征,并讨论了坡体形态、岩体结构以及支护荷载对地震力作用的协同影响。研究结果表明：受地震力作用影响,坡体变形和支护荷载发生突变,主要受主震影响;地震引起的支护荷载变化量在100 kN以内,未超出设计荷载的5%;边坡水平向产生的永久位移在12 mm范围内,岩体变形深度受结构面分布控制;边坡中部变形最大,沿水平方向具有明显的临空面放大效应,而沿高程方向,没有明显垂直放大效应。研究成果可加深对锚固岩体动力响应机制的认识,同时为以位移控制的边坡工程抗震设计提供参考。     

地震作用下抗滑桩—预应力锚索框架组合结构受力机制

为了解抗滑桩—预应力锚索框架组合结构在地震作用下的受力机制,基于四川省东北部某滑坡治理工程,采用MIDAS/GTS有限元程序建立抗滑桩—预应力锚索框架数值模型,利用位移时程曲线法对加固边坡进行稳定安全系数计算,而后输入不同峰值地震加速度（peak ground accelerations,PGA）的Wolong地震波,分析了加固边坡的加速度响应、桩锚结构内力变化以及荷载分担规律.研究结果表明,加固边坡的稳定安全系数满足规范要求,在地震作用下其上部存在潜在浅层滑面,中部和下部存在潜在深层滑面,与静力条件下加固边坡的潜在滑面分布不同,这是加速度高程放大效应所致;随着输入地震波PGA增大,加速度高程放大效应明显加强,且抗滑桩桩身弯矩和剪力增大,但其最大值出现位置不变,桩身正、负弯矩最大值分别位于距桩顶约0.7L和0.4L处,最大正、负剪力分别位于距桩顶约0.9L和0.7L处,实际工程中需注意防范抗滑桩在滑面附近发生破坏;同时随着输入地震波PGA增大,桩锚承担的荷载逐渐增大,但抗滑桩分担的下滑力比例增大,而锚索分担的下滑力比例减小,故实际工程设计中不应固定桩锚荷载分担比例.      

地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡极限分析

针对地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡典型模型,提出了一种地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡的极限分析改进方法,该方法考虑了边坡极限状态时锚索的受力变化。基于岩体刚性假设并考虑滑移过程锚索受力变化,结合极限平衡法推导出边坡加固预应力锚索的受力变化公式;地震作用仅考虑地震波传播至滑动面时产生的透射波对边坡稳定性的影响,从功率的角度出发,结合极限分析上限法与强度折减法,考虑预应力锚索受力变化,推导出地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡的动安全系数计算理论公式;结合算例,采用考虑与不考虑滑移过程锚索受力变化两种计算方法,分析了在不同入射波波幅、入射角度及滑动面黏聚力、内摩擦角条件下两种方法计算结果的差异。算例结果表明：考虑与不考虑滑移过程锚索受力变化计算方法,计算得出的动安全系数变化规律一致,但考虑滑移过程锚索受力变化的改进计算方法得出的动安全系数动态变化幅度明显更小,反映了锚索的抗震作用效果,可为地震作用下该类型岩坡的预应力锚索加固设计分析提供参考。     

地震作用下锚固岩质边坡动力响应研究进展与展望

锚固岩质边坡具有良好的抗震效果,为深入了解其地震动响应机制,系统梳理了地震荷载下锚固岩质边坡动力响应的国内外研究文献,论述了地震作用下岩质边坡-锚固结构体系动力特性、锚固岩质边坡动力稳定性及其动力响应影响因素.基于现有研究成果,未来可进一步分析强震或频发微震等不同地震荷载形式下的锚固岩质边坡动力演化模式;借助基于演化模式的锚固岩质边坡地质力学模型,明晰地震荷载传递规律、锚固结构力学演化特征与锚固岩质边坡动力响应特性,综合揭示岩质边坡-锚固结构体系地震动耦联作用机理;开展具有大塑性变形能力的新型抗震锚固结构设计关键技术的创新、集成与标准化,并建立新型抗震锚固结构关键技术应用示范区.      

强降雨条件下碎裂岩质边坡锚墩式主动网加固机理模型试验

川藏铁路沿线岩体受地质构造、风化作用以及酸雨作用的影响,广泛发育有深厚的碎裂带,工程开挖常形成长大碎裂岩质边坡。该类边坡除坡面碎块石的崩落外,还存在整体失稳风险,常规主动网难以有效加固。基于此,提出锚墩式主动网新型组合结构,以预应力锚索代替主动网中的短锚杆,约束碎裂岩质边坡坡面岩块位移的同时进行边坡的深层加固。设计了1 ︰ 10大比例尺室内模型试验,探究强降雨条件下锚墩式主动网在碎裂岩质边坡加固中的应力-应变特征,探索其协同受力机理及设计方法。试验结果表明,强降雨条件下,锚墩式主动网组合结构可协同受力,且主动网受力对预应力锚索的工作状态有显著影响,会形成明显的二次张拉,设计时应充分考虑。     

预应力锚索加固高陡边坡机制探讨

预应力锚索加固边坡是提高边坡稳定性的重要手段。弄清预应力锚索加固边坡的机制对于指导边坡加固设计具有重要的理论意义。通过建立高陡边坡计算模型，不断提高边坡岩土体强度折减系数，得到了边坡坡脚位移及预应力锚索内力变化规律，并结合预应力锚索加固岩体应力分布规律，得到了有益的结论：（1）边坡岩土体强度折减系数超过边坡安全系数后，预应力锚索内力开始迅速增加，越靠近坡脚的预应力锚索，内力增加越明显，可以监测坡脚处锚索内力变化，评价边坡稳定状态；（2）对于高陡边坡，绝大部分预应力锚索并不能提高潜在滑动面上的压应力，不能提高滑动面的抗剪强度；（3）预应力锚索加固高陡边坡的主要机制在于限制边坡潜在滑动体的位移。     

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。     

三段式锁固型岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究

设计和制作了三段式锁固型岩质边坡模型,并进行了大型振动台试验,对三段式锁固型岩质边坡在地震作用下的动力响应和变形破坏模式进行了分析.研究结果表明:三段式锁固型边坡模型的自振频率随振动次数的增加而逐渐降低,阻尼比则随振动次数的增加而逐渐增大;边坡模型水平加速度放大系数表现出明显的高程放大效应和趋表效应;在不同类型输入波的作用下,边坡加速度响应存在着明显的差异;加速度放大系数随着输入波频率的增加表现出先增加后减小的变化规律,且在频率为15 Hz时峰值加速度放大系数达到最大值;随着输入波振幅的增加,坡体加速度放大系数总体上表现为先增加后减小的变化趋势;在地震波的作用下,位于坡体顶部裂缝和底部软弱夹层之间的锁固段出现多条裂缝,并不断发展呈X型贯通,最终在坡体内部形成3级滑面,并在持续的振动作用下,边坡沿着3级滑面发生滑动破坏.      

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.