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。     

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。     

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。     

强风化软硬互层岩质高边坡监测与数值模拟

强风化软硬互层岩质高边坡属岩质边坡特殊情况,其结构面组成及性质复杂,与支护结构相互作用的复杂程度较高,相互影响较大,顺倾结构面临空等情况下破坏可能性很大。以兰永一级公路某深挖路堑边坡的治理工程为依托,对边坡支护过程中及支护结束后的锚杆应力、锚索内力、坡体位移进行了原位监测,并利用岩土分析软件PLAXIS,采用节理岩模块对该边坡工程进行了数值模拟分析。监测及模拟结果表明：该边坡由节理裂隙与岩层面形成折线形潜在滑面,且具有相同滑动可能性的潜在滑面不止一个;支护结构穿透组成滑面折线的任何折线段部分均对结构面稳定有显著影响,但支护结构穿透泥岩面对结构面的影响较穿透节理裂隙更大;支护锚索预应力变化具有一定规律,预应力变化过程对坡体位移及支护结构内力具有一定影响;坡体的主动变形对支护结构内力的影响较坡体被动变形大,结构面产生滑动趋势对坡面位移影响的敏感程度较支护结构内力影响的敏感程度低。该边坡支护稳定,支护设计合理,可为同类边坡支护设计提供相应建议。     

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。     

地震作用下锚固边坡稳定性数值分析

地震诱发的边坡失稳是一种重要的地震地质灾害类型,本文结合工程实例,利用有限差分软件FLAC3D 建立了一个边坡的数值分析模型。对比分析了静力状态下锚固前后边坡的塑性区、水平位移和滑移面,地震作用下锚固前后边坡的塑性区、各个时刻的水平位移、锚杆轴力分布和塑性状态,然后分析了边坡的稳定性,并探讨了边坡破坏的机理。数值分析结果表明:锚杆对边坡的加固效果十分显著; 锚杆在发挥锚固作用时主要受拉,且随着锚杆位置高程的增加,锚杆的轴力减小; 有无锚杆支护的边坡在地震作用下的破坏方式不同。研究结果为锚固边坡的抗震设计提供了参考依据。     

多层软弱夹层边坡岩体破坏机制与稳定性研究

以大量的实际工程为基础,基于Sarma极限平衡法和有限元强度折减法探讨层状岩质边坡在不同岩层倾角θ、边坡坡角β、结构面间距h条件下的安全系数与破坏面位置的变化规律,揭示复杂多层软弱夹层边坡岩体的破坏机制及稳定性特征。结果表明：不同θ条件下边坡岩体失稳机制和破坏面位置不同,随着θ的增大,破坏机制表现为滑移破坏→滑劈破坏→崩塌破坏→倾倒破坏→滑移破坏;当β、h一定时,直立层状边坡的稳定性略大于水平层状边坡,反倾向边坡的稳定性明显大于顺层边坡;β直接影响边坡岩体破坏特征,当β由30°增大至60°时,顺层边坡的安全系数约降低53%;反倾向层状边坡的安全系数约降低40%;h对边坡岩体破坏机制的影响较小,但对稳定性的影响较大,建议工程实践中加强密集结构面岩质边坡的监测和加固工作。     

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。     

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。     

框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析方法及其 应用

以边坡极限平衡理论及框架预应力锚杆边坡支护结构的圆弧滑动破坏模式为基础,在考虑框架、锚杆对土体边坡稳定性影响的情况下,基于圆弧滑动条分法的思想利用积分法建立了内部稳定性安全系数计算模型和最危险滑移面搜索模型。确定滑移面圆心坐标为几何控制参数,推导了安全系数计算模型中各变量与滑移面圆心坐标之间的函数关系式,从而获得了滑移面几何控制参数与内部稳定性安全系数之间的函数关系。利用网格法对框架预应力锚杆支护结构最危险滑移面的圆心坐标进行动态搜索和求解。最后采用Matlab语言编制了框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析程序,并结合工程实例进行了验算,讨论了此种方法的适用条件,结果表明该方法简明适用,较传统的经验分析方法更加合理。     

纵波作用下边坡动力响应规律研究

地震工程的观点认为水平地震力是引起岩土体破坏的决定性因素,竖向地震力的影响则微不足道。鉴于汶川地震中表现出竖向地震力对边坡和建筑造成极大破坏,本文利用FLAC软件对不同坡高、坡角的边坡在不同周期、振幅的纵波作用下边坡动力响应规律做了数值模拟研究。结果表明:坡高较低时,振动加速度在1/2坡高以下范围内随高程逐渐增大, 1/2坡高以上则保持不变,当坡高增大时,振动加速度变化出现律动性,坡顶附近较其他部位存在明显的放大; 坡角的增大会造成振动加速度放大幅度的增大; 振动加速度随动力振幅的增大而增大,并呈明显的线性关系; 振动加速度随地震波周期的增大逐渐减小。     

锚固上覆红黏土岩体边坡的地震动力响应

基于云南省S214思茅-江城二级公路某一边坡,利用有限差分软件FLAC3D中动力分析模块,研究了地震作用下锚杆支护的上覆红黏土岩体边坡的动力响应。基于土体与支护结构相互作用及其协同工作,建立了三维有限差分模型,给出了阻尼和动力作用下边界的选取方法,分析了地震作用下锚杆支护上覆红黏土岩体边坡的动力响应规律,研究了在地震作用下锚杆支护边坡的抗震效果。结果表明：地震作用后各层锚杆轴力和砂浆的剪应力都有所增大,但每层锚杆轴力的增幅都各不相同,锚杆轴力沿全长分布不均匀,且各层锚杆轴力均在红黏土与基岩的交界处最大,剪应力则表现为整体增大的趋势而且最大值向坡面靠近,地震作用前、后剪应力的最小值都是在红黏土与基岩的交界处;地震作用下锚杆的支护很好地限制了边坡的变形,加大了边坡的延性,具有很好的抗震性能;边坡在地震作用下产生了永久位移;坡体内加速度在竖向随高程增加而增大;平台的设置削弱了坡面加速度的增大趋势,起到了一定减震作用。研究结论对锚杆支护边坡的抗震设计与动力分析有一定参考价值。     

基于间接边界元方法的SH波倾斜入射下边坡动力响应特征

地震作用下山体边坡的动力响应规律与地震波入射角度显著相关,本文基于间接边界元方法研究SH波倾斜入射下边坡的动力响应特征.基于间接边界元理论研发了用于边坡岩体动力响应分析的边界元程序,通过计算平直裂隙对弹性波的反射及散射波波场对程序进行验证,并详细探讨了不同类型的边坡在各种入射角度的应力波作用下的响应特性.SH波铅直向入射时,半圆形凹陷地形的谷肩位置地震动振幅最小,而半圆形凸起地形的最高点位置振幅最大,单面坡的坡肩位置地震动最大,楔形凸起地形的坡顶地震动最强烈;当SH波入射角增大,各类边坡的最大地震动力响应位置也有所偏移,地震放大系数亦随之变化;以樟木镇边坡为实例揭示了复杂形态边坡岩体中的局部凸起对地震动的放大作用.研究结果表明,边坡微地形特征对地震动力响应影响非常大,凸起山体坡顶的动力放大效应最为显著;同一边坡在不同入射角地震波作用下产生的动力放大系数以及发生的位置不同.本文的研究结果对评价坡体稳定性和边坡工程抗震防设等具有重要的指导意义.      

地震荷载下危岩运动特征的模拟研究

西南地区地形复杂,位于地震高发区域。为了进一步研究该区域地震作用下落石的运动特征,以我国九寨沟景区内荷叶寨后山危岩带2为例。首先研究危岩带2中单一危岩体在自重荷载下的失稳情况,分别采用RocFall和非连续变形分析方法(DDA)进行模拟,结果表明:DDA和RocFall的模拟结果相近。DDA中落石水平位移模拟结果为210.6 m,RocFall中大部分落石水平位移分布在205 m附近。鉴于RocFall的局限性,采用DDA方法继续研究地震作用下危岩体的密度、高度、体积和地震波峰值加速度等因素对落石运动特征如运动轨迹、水平位移和速度的影响规律,并监测落石在坡脚附近的最大弹跳高度。研究结果表明:(1)危岩带2所处边坡自然坡角范围为65°~75°,落石在坡面上加速,在高程约2292 m(与居民区相对高差约为132 m)处发生抛射,运动方式以滚动、碰撞、弹跳为主;(2)岩体软弱结构面的贯通时间随落石密度、体积以及地震波峰值加速度增大而减小;(3)峰值速度随边坡高度、体积及地震波峰值加速度增大而增大;(4)水平位移随落石密度、边坡高度及地震波峰值加速度增大而增大;(5)坡脚处落石最大弹跳高度随各因素变量增大而增大。继续研究内部存在节理裂隙的岩体(3条平行节理将危岩分为K1~K4部分)在地震荷载下的运动特征:(1)在地震荷载作用下,危岩沿节理面发生倾倒破坏,落石水平位移模拟结果为191.5~243.8 m;(2)落石在坡脚附近的最大弹跳高度范围为0~13.8 m。     

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。     

爆破振动下围岩支护锚杆动力响应解析解

为了研究爆破掘进施工对巷道支护锚杆的影响,采用结构动力学理论,从理论上推导出了锚杆在爆破地震波作用下的振动规律,计算出锚杆上的位移、振速、轴力随时间的变化,研究了黏结式锚杆在爆破动荷载作用下的动力响应特征。结果表明：自由段锚杆的轴力和轴向振速呈现指数型衰减,而锚固段锚杆的轴力和轴向振速以及剪应力呈现正弦变化,整体表现为先增大后减小。锚固长度对锚杆振动效应影响较大,不同锚固长度时锚杆受力状态不同,在锚杆满足抗拉强度的前提下,可以适当减小锚固段长度。剪切刚度对锚杆的振动有一定的影响,剪切刚度越大,锚杆与锚固砂浆之间的剪应力也越大。故为了防止锚杆不发生剪切破坏,尽量选择剪切刚度较小的锚固剂材料。研究成果对掘进爆破安全技术的提高具有一定的指导意义。     

岩土混合边坡预应力锚杆支护数值模拟：以深圳金园路边坡为例

预应力锚杆支护是一种较新型的锚固技术,但实际工程设计都偏保守,造成经济浪费,因此实际设计过程中存在诸多预应力锚杆参数优化问题。使用有限元分析软件Abaqus模拟锚杆长度、锚固角度、预应力、直径诸因素的变化对边坡稳定性的影响趋势,通过正交试验优化设计得出最优组合方案,为预应力锚杆的相关设计提供科学参考,避免工程建设的安全隐患或不合理投资。     

Dynamic Response to Seismic Waves at the Shallow Slope Supported by Bolts

In the soil slope supported by bolts, longitude waves instead of transverse waves, generated by earthquakes, first reach the slope surface. With the dynamic response of the P (pressure) wave along the anchorage structure, first, a theoretical study was conducted to investigate the propagation characteristics of the interference superposition, generated by the SV (shear-vertical) and the P waves. The SV wave was formed by the wave, originating from the bottom and reflected from the free surface of the slope, whereas the latter was the incident P wave, propagating in the slope. In addition, the structural measures, restraining the seismic wave, and the characteristics of the restraint effect at the free segment of the bolt were investigated. According to the wave-way difference between the incident P wave and the reflected SV wave, the minimum critical slope angle, influenced by the interference at the shallow slope, and the maximum influencing depth of the dynamic response, acting vertically to the slope surface, were obtained. The results indicate that the maximum influencing depth linearly correlated with the slope angle. Furthermore, based on the propagation characteristics of the P wave along the bolt, and the coupled relation between the wave length and the anchorage design parameters, the axial acceleration of the wave propagating along the bolt axis was obtained. Then, the theoretical length of the anti-seismic bolt, subjected to seismic waves, and the compensation force of the anchorage structure were obtained. Finally, a numerical study, based on FlAC3D, properly verified the theoretical conclusions.