强震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡动力响应规律试验研究

青藏高原东南三江流域沿江分布着数以万计的古滑坡和潜在滑坡,对在建的川藏铁路构成严重的威胁。通过振动台模型试验研究了强震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡的动力响应规律。分析不同地震动参数、输入波类型和软弱结构面对斜坡动力响应规律的影响。试验结果表明：斜坡的自振频率随着输入地震波次数的增加而逐渐降低,振动强度为0.3g和0.6g是斜坡启裂和失稳的临界动力条件。斜坡具有明显的高程效应,加速度放大系数沿坡表呈现先增加、后减小、再增加的趋势,在1/4坡高和坡顶处较大。坡内竖直向加速度放大系数随高程增加呈现线性增加的趋势。频率对斜坡动力放大响应影响较大。斜坡对低频地震波的放大效应不明显,甚至有抑制作用。随着频率的增加,斜坡的动力放大效应越来越明显。随着幅值的增加,斜坡加速度放大系数呈现先增大后减小的趋势,在振动强度为0.3g～0.4g时达到最大值。不同类型地震波作用下,斜坡对天然波的放大作用高于人工合成波。软弱夹层的存在使输入的地震波出现了明显的放大,并通过快速傅里叶变换（fast Fourier transform,简称FFT）发现,软弱夹层的位置对输入地震波的频段的敏感程度不同。该试验揭示了含软弱...     

含软弱夹层顺层岩质边坡传递函数及其应用研究

基于大型振动台模型试验及传递函数理论,对含软弱夹层顺层岩质边坡的绝对传递函数和相对传递函数进行了对比分析,探讨了两种传递函数计算边坡动力特性参数的准确性,并对利用传递函数估算边坡频域动力响应的可行性进行了研究。研究结果表明,采用坡面及坡内加速度时程计算得到的传递函数曲线形态相近,幅值差别较小;相对传递函数实部比绝对传递函数实部小1,绝对传递函数和相对传递函数虚部重合,且两种传递函数虚部峰值两侧对称性较好,利用传递函数虚部计算边坡动力特性参数准确性较高。在频率大于10 Hz部分,相对传递函数模趋于1,绝对传递函数模趋于0。利用两种传递函数虚部及相对传递函数模计算得到的边坡固有频率十分接近。两种传递函数模计算得到的阻尼比比较准确,计算结果表明,含软弱夹层顺层岩质边坡的阻尼比大于均质岩质边坡。利用两种传递函数虚部及模计算得到的含软弱夹层顺层岩质边坡加速度振型相同。利用绝对传递函数估算含软弱夹层顺层岩质边坡频域动力响应的准确性高于相对传递函数估算结果。利用传递函数对输入地震动的频谱特性进行修正有利于保证含软弱夹层顺层岩质边坡动力响应研究输入机制的合理性。     

地震作用下含水平软弱夹层斜坡动力响应特性研究

基于相似性理论,设计并完成了2个含不同厚度水平软弱夹层的岩质斜坡。试验模型高度、长度、宽度分别为1.80、1.65、1.50 m,坡角约60°,软弱夹层厚分别为3、15 cm。输入不同类型、激励方向、频率和振幅的地震波,利用大型振动台试验中传感器记录的数据和正交试验,研究了斜坡的加速度响应特征及其影响因素。试验结果表明:斜坡动力加速度放大系数分布存在明显的坡内高程效应和坡面的非线性趋表效应。斜坡水平向坡面放大系数随斜坡高程增加呈波动性增大,薄夹层斜坡中、上部表现更为明显。竖直向坡面放大系数因软弱夹层厚度而异,薄夹层斜坡局部减小后增大,最大放大值出现在坡肩位置,而厚夹层斜坡最大放大值出现在软弱夹层底部。同等强度地震力激励下,坡内竖直向放大系数不及水平向,约为0.75倍。坡面上,水平和竖直向放大系数的相对大小与高程有关。软弱夹层以下,竖向放大系数大于水平向,夹层以上则相反。软弱夹层对斜坡动力响应的影响也因激励方向不同而有所区别,对水平向动力响应有一定的放大作用,而对竖直向动力响应则是吸收减弱。斜坡动力响应所选因素的影响大小顺序依次为斜坡高程、坡体位置、软弱夹层厚度、激励振幅、加载波形、激励方向,其中斜坡高程、坡体位置以及软弱夹层厚度对斜坡动力响应具有显著性影响。     

含软弱夹层斜坡地震动力响应过程的边际谱特征研究

地震波的频率特性是地震动的最重要特征之一,斜坡的地震动力响应是地震波各频率组分对斜坡体共同作用的结果。依托于含水平厚软弱夹层斜坡的大型振动台模型试验,着重分析了该斜坡在天然随机波(2008年汶川波)作用下的水平向加速度响应频谱特征。首先,基于Hilbert-Huang频谱变换,对所有原始数据进行了有效的降噪处理,并获得了重构数据的Hilbert边际谱。接着,开展了坡表水平向加速度边际谱在不同高程处和不同激振强度下的变化特征分析,并将频谱特征与时域峰值加速度(PHA)响应和斜坡的宏观变形破坏特征进行对比分析。结果表明:(1)随着高程增加,边际谱幅值也相应增加且谱线出现多个波峰。坡体上部尤其是坡肩是地震作用的敏感部位,随着激振强度增加,加速度波的震动能量从一开始集中在2个频段(即7～11 Hz和15～20 Hz,高频)逐渐向1个频段(7～11 Hz,低频)变化;(2)在激振强度为0.2g～0.5g时,第一卓越频率(最大谱峰值对应的频率)和第二卓越频率(次大谱峰值对应的频率)在数值上呈大幅度、无规律的波动,预示在该震动阶段,坡体结构内部正在经历一个较大的变化(恶化),但未出现宏观变形;(3)时域峰值加速度随高程和激振强度增加的变化规律与最大谱峰值的变化规律较接近,但局部变化受次大谱峰值响应的影响明显;(4)在低频区(5 Hz),在软弱夹层及其周围(相对高程0.25～0.75)出现了明显的响应低值区,且边际谱的形状和数值在该部位呈无规律性变化;(5)斜坡的变形破坏过程明显受坡表而非坡顶变形的控制,其应存在使得一个地震波与坡体相互作用效应最大的共振高程,该高程范围与以第二卓越频率(16 Hz)作为共振频率所估算的高程较为吻合。     

含软弱层岩质边坡的动力响应研究

含软弱层岩质边坡的动力响应研究已成为边坡工程稳定性分析中的一个重要问题。为研究软弱层的特性对岩质边坡动力响应的影响,提供动力荷载作用下边坡防灾减灾的指导依据,运用UDEC离散元软件模拟地震力作用下含软弱层岩质边坡的动力响应系统地分析软弱层的倾角、埋深、弹性模量、厚度、泊松比和剪切刚度等因素对地震波放大现象的影响,得出边坡坡顶放大系数的变化规律,即随着软弱层倾角的增大,放大系数呈现出增大→减小→再增大→再减小,并出现地震响应减弱的现象;放大系数随软弱层埋深和厚度的增加而增大,但随弹性模量、剪切刚度的增大而减小,随泊松比的增加几乎不变。结合非重复性试验二元方差分析评价理论,对所得的放大系数进行计算分析,得出软弱层的特性因素对边坡放大作用的影响强度为软弱层的倾角＞埋深＞弹性模量＞剪切刚度＞厚度＞泊松比。研究结果有助于进一步揭示地震作用下边坡的失稳机制, 对震区边坡灾害的防治有一定的指导意义。     

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。     

含软弱夹层锚框支护边坡的地震响应研究

以漳州招银高速MK10+250段含软弱夹层岩质边坡的锚框支护工程为原型,设计了1/30缩尺模型边坡,开展了20种工况的模拟地震动试验,重点关注坡体高程、地震动幅值对PGA放大系数和PEP震荡系数的影响。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;但由于软弱夹层的隔震作用和锚框支护的加固作用,使得边坡加速度响应更趋于整体性,不表现出明显的鞭梢效应。坡内和坡面各测点处PGA放大系数,随着输入地震动幅值的增大呈线性减小或指数型减小。各测点处PEP震荡系数随埋深增大呈近似线性增加,随地震动幅值增大呈非线性增加;并且在高烈度工况下,指向坡外方向的附加水平压力大于指向坡内方向。通过对边坡表观破坏特征的描述,发现表观破坏主要集中在软弱夹层上部坡体中,尤其是坡顶表层出现了贯通裂缝;但由于锚索-框架支护的加固作用,其边坡并未沿软弱夹层发生整体性失稳。     

强震作用下岩质斜坡动力响应特性的大型振动台试验方案设计

为了深入研究斜坡变形破坏机理,为汶川地震诱发次乍地质灾害提供理论解释,通过振动台试验模拟汶川地震过程.在参考已有实验和研究成果的基础上,对大型振动台物理模型进行设计,介绍模型箱、模拟范围、模型相似关系、模型岩层材料、各监测断面的位置和传感器的布置,编制地震波加载制度.结果表明,拟定的大型振动台模型试验设计方案是合理的.     

含顺层断续节理岩质边坡地震作用下的破坏模式与动力响应研究

基于二维颗粒流软件PFC2D的人工合成岩体技术（SRM）,研究了岩桥倾角和节理间距不同组合形式的含顺层断续节理岩质边坡在地震作用下的破坏模式与动力响应规律。研究结果显示：在地震动力作用下,含单潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡呈现出滑移-倾倒的混合破坏特征,含多潜在滑动面的顺层断续节理岩质边坡则主要发生倾倒破坏;由顺层断续节理以及岩桥交替连接所组成的潜在滑动面是控制边坡动力稳定性的关键因素。在地震动力作用下,最靠近坡脚的岩桥段首先萌生翼裂纹,使得拉应力得到释放,随后各节理相继萌生裂纹并扩展、贯通,最终导致坡体发生阶梯状整体失稳。裂纹扩展受顺层断续节理控制,萌生裂纹中以张拉裂纹为主,且裂纹数量与输入地震波的加速度曲线具有同步性。另一方面,节理面的存在对边坡动力响应产生明显影响,沿坡表以及沿水平方向上的峰值速度、峰值位移随着岩桥倾角的增大、节理间距的减小而增大,同时节理间距和岩桥倾角对于峰值加速度（PGA）放大系数的影响范围主要集中在坡表、坡肩;沿竖直方向上,峰值位移随着岩桥倾角、节理间距的增大而减小,PGA放大系数曲线随高程变化总体呈现U型分布特征。     

地震作用下顺倾多弱层岩质边坡动力响应

抚顺西露天矿由于长期开采造成地底岩层出露,形成众多顺倾多弱层岩质边坡。鉴于目前对于地震作用下顺倾多弱层岩质边坡的研究较少,选择抚顺西露天矿南帮E1000处顺倾多弱层岩质边坡,分析地震作用下多弱层对边坡动力响应的影响。利用有限差分软件对边坡进行数值建模,分析真实地震动作用下边坡不同弱层的动力响应变化规律,并将双弱层、单一弱层和无弱层四种情况进行对比,发现不同弱层的动力响应和对边坡的影响程度不同,位于边坡下部的弱层无高程放大效应但对边坡起主导作用,与坡面共线的弱层存在趋表放大效应和高程放大效应但对边坡无明显影响。双向地震动对顺倾多弱层边坡的弱层和坡面放大效应不受影响,Z（垂直）方向的加速度和速度显著增加,双向地震动作用下边坡的速度分布差异明显,但位移分布无显著变化。地震作用下顺倾多弱层边坡的动力响应规律与弱层的分布位置和作用机理有关,在边坡的防护和治理过程中应充分考虑弱层对边坡的影响。     

软弱夹层顺层岩质滑坡形成机制及稳定性分析

以贵阳西二环"5·20"滑坡为实例,对滑坡区地质环境条件,滑坡发育特征和变形破坏特征的分析,在工程建设过程中,切脚开挖形成临空面是诱发软弱夹层岩质顺层滑坡,滑坡破坏模式为滑移-拉裂型;采用室内岩土试验、工程类比分析和参数反演等方法,综合确定了滑坡物理力学参数,应用极限平衡法和数值模拟对滑坡稳定性进行定量分析;分析表明,在天然和饱和两种工况条件下,稳定性系数均小于规范要求,在暴雨或外力作用下形成滑坡的结论,理论分析和实际情况一致。     

强震作用下陡倾顺层岩质边坡动力响应与破坏模式研究

以陡倾顺层岩质边坡为研究对象,采用振动台模型试验与FLAC^3D数值模拟方法,对强震作用下陡倾顺层岩质边坡的动力响应规律和变形破坏模式进行了研究。研究结果表明：陡倾顺层岩质边坡在坡表及坡内竖直方向的加速度响应均表现出高程放大效应,而水平方向上的加速度响应则表现为趋表效应;输入波类型对边坡模型加速度响应有显著影响,正弦波作用下的加速度响应明显强于天然地震波;加速度放大系数随地震波振幅的增大,呈现先增大后减小的变化规律;地震波加载持续时间对陡倾顺层岩质边坡加速度响应的影响较小。对模型试验和数值模拟中边坡变形破坏特征的分析,得到陡倾顺层岩质边坡在强震作用下的破坏模式为：地震诱发-坡表岩层出露处岩块松弛张裂-坡肩岩层处拉裂张开-坡面中部出现剪切裂缝-裂缝逐渐贯通-发生多级高位滑坡。     

地震作用下顺层岩质边坡动力响应和破坏模式大型振动台试验研究

5•12汶川大地震触发了大量的顺层岩质滑坡,对其进行研究很有必要。根据动力模型试验的相似关系,设计制作了1个坡角大于岩层倾角的尺寸(高×长×宽)为1.6 m×1.75 m×0.8 m的顺层模型边坡,并完成了大型振动台试验。试验结果表明,在坡体表面和内部竖直方向上,加速度放大系数随着坡体高程增加而增大,并且随着高程增加,加速度放大系数增大的速度加快;在坡体内同一高程上,坡面处的加速度放大系数大于一定水平深度坡体内部的加速度放大系数,表现出趋表效应;地震波输入频率对坡体动力响应有明显影响,随着频率的增加,越接近坡体的自振频率,加速度放大效应越显著;加速度放大系数随着输入波振幅的增加,总体上表现为递减趋势;通过和均质边坡振动台试验加速度监测数据对比,发现坡体结构对坡体加速度放大系数也有一定的影响,结构面对地震波的反射和折射作用加大了坡体加速度的放大效应。,对试验过程中坡体破坏特征的描述和分析发现,边坡的破坏模式为地震诱发－坡肩拉裂张开－坡面中部出现裂缝－裂缝贯通－发生高位滑坡－转化为碎屑流－堆积坡脚。研究成果对地震灾区滑坡形成机制的认识和减灾防灾有一定的价值。     

不同岩性组合下的斜坡地震动力响应研究

本文采用大型有限差分软件FLAC3D, 建立上硬下软, 上软下硬, 含软弱基座和不含软弱基座4种斜坡的数值分析模型, 输入阪神地震波, 分析总结斜坡的动力响应规律。计算结果表明:(1)从加速度动力响应规律来看, 无论是水平向还是竖直向, 上软斜坡均比上硬斜坡大。并且, 两种斜坡的水平向放大系数均比竖直向放大系数大, 基本在1.52.0倍之间。(2)从位移规律上来看, 软岩相比于硬岩, 其对地震波更加敏感, 上硬下软岩性组合在强震动力作用下更易失稳。(3)从速度、位移的动力响应规律来看, 有软基斜坡地震动响应程度明显大于无软基斜坡。但是从边坡的应力变化来看, 软弱基座的存在, 一定程度上起到了吸收入射地震波能量的作用, 反而有利于边坡稳定性。     

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.      

顺倾层状碎裂结构岩质边坡地震动力响应及破坏模式分析

顺倾层状边坡沿软弱带剪切方式破坏是滑坡的主要类型之一。采用块体砌筑斜坡振动台模型,在多维多参数地震动作用下,考虑斜坡不同工况下力学参数弱化的过程,研究了层状碎裂结构岩质边坡的地震动力响应和失稳破坏模式。结果表明：斜坡地震动特性和斜坡地质结构是决定斜坡地震动力稳定性以及破坏模式的决定因素;斜坡水平动力响应具有明显的高程和坡表放大效应,高程对斜坡的垂直动力响应影响较小,地震动放大效应与结构面力学强度、地震波波形、频谱特性等均有一定的关系,正弦波较天然波对坡体放大效应影响更为显著;坡体裂纹依托优势结构面在最弱部位起裂萌生扩展,并向节理面追踪形成蠕滑段和锁固段,节理面强度参数在外界地质营力作用下发生弱化,使潜在滑带出现由后缘向前端搭接贯通的前进式破坏模式和由前端向后缘的后退式破坏模式的分化,滑体也由高位剪出向溃散破坏演变。     

顺层岩质高边坡地震变形破坏机制三维数值反演研究

提出了工程地质分析与三维反演模拟相结合的方法,以揭示边坡地震渐进破坏的失稳过程和失稳机制。结合西南某水电站顺层岩质高边坡工程实例。研究该高边坡地震后工程地质特性,恢复边坡震前的地形地貌,建立地震前未滑塌边坡的三维模型。利用FLAC3D对模型进行动力-时程响应分析,绘制位移、速度、加速度三量放大系数等值线图,判断地震破坏位置。数值模拟结果与边坡实际滑塌情况相符。应用工程地质分析与三维反演模拟结合的方法,揭示了边坡后发型阶段性逐级滑塌的破坏机制以及大夹角折线形的后缘破坏面形状。三维数值反演研究中采用的岩体动力参数,为正演研究提供了参考。     

含软弱岩层反倾岩质边坡地震动力响应与破坏模式

以鲁甸地震诱发的红石岩崩塌滑坡为研究对象,通过大型振动台模型试验和3DEC数值模拟,研究了含软弱岩层的反倾岩质边坡的动力响应和破坏失稳模式.研究结果表明:水平加载下,随频率增大PGA放大系数先减小后增大,在接近坡体自振频率8Hz的波形加载下,坡体动力响应最为剧烈,软弱岩层对不同频率的横波具有放大和吸收作用,对5~10Hz的横波放大效应明显,对15~20Hz的横波则明显吸收;竖向加载下,随加载正弦波频率的增加,PGA放大系数先增大,25Hz时PGA放大系数减小,随后又继续增大,在频率为30Hz时PGA放大系数达到最大,在5~30Hz范围内软弱岩层对纵波均具有一定的放大效果;双向加载下,坡体水平和竖向PGA放大系数分布与单向加载一致,但双向加载下坡体部分位置动力响应加剧,部分位置动力响应则受到抑制.含软弱岩层的反倾岩质边坡破坏过程可以分为6个阶段:坡体内部轻微损伤-软岩挤出、软硬岩交界上方硬岩拉裂-硬岩裂纹向上延展-软弱岩层挤压滑动-层面和纵向节理贯通形成滑面-边坡破坏.在软弱岩层的反倾岩质边坡中,软弱岩层具有对地震波的放大吸收、折射反射作用,影响着边坡的动力响应特征,软弱岩层的挤出破坏导致上部岩体岩结构面松动开裂,是该类岩质边坡破坏发展的主要原因,对该类边坡需应注意对软弱岩层进行加固防护,减小边坡的动力破坏.      

强震作用下顺层岩质斜坡动力失稳机制及启动速度研究

岩质斜坡地震稳定性评价和地震滑坡启动速度计算是边坡地震失稳防治中的难点。结合5•12四川汶川地震诱发的大型高速滑坡,重点以唐家山高速滑坡为例,提出强震作用下中陡倾顺层岩质斜坡动力失稳机制为拉裂－楔劈－滑移－剪断,并着重阐述了拉裂面形成机制、“楔劈”岩块的杠杆作用和碎屑岩块的滚动摩擦效应。对应于该失稳模式,采用弹性力学理论,推导出地震作用下顺层岩体斜坡锁固段的破坏判据和突发剪断时锁固段岩体的形变能公式。考虑锁固段岩体形变能释放的优势方向,运用能量转化原理,给出了更为合理和精确的顺层岩质滑坡突发启动速度公式,进而确定滑坡启程速度。其研究结果为滑坡灾害范围和冲击损害程度提供有效定量计算方法。