地震作用下分层土边坡多滑面变形破坏的数值模拟研究

地震引起的滑坡对生命、环境和经济造成了巨大的威胁。目前,对于地震作用下边坡稳定性的研究主要集中在单一滑动面破坏模式,对于具有多个潜在滑动面边坡的地震稳定性研究比较欠缺。基于此,利用有限差分软件FLAC对不同边坡进行地震稳定性数值模拟,对比分析不同强度地震动作用下均质土体、分层土体和含软弱夹层土体边坡的滑动面演化过程和永久变形分布特征。结果表明：对于均质边坡,地震引起的滑动面为单一的整体滑动面,地震动强度的增加仅导致沿滑动面的永久变形量增大;对于非均质边坡,在地震作用下还可能形成通过土层交界面的局部滑动变形,且地震作用下最先形成和发生变形的滑动面与静力条件下得到的最小安全系数对应的最危险滑动面一致;同时,地震引起的边坡浅层和深层变形破坏存在复杂的相互影响,当局部浅层滑动先发生时,地震动的进一步增大很容易诱发更深层的坡体滑动,而当深层滑动先发生时,由于塑性变形影响地震惯性力向上部坡体的传播,浅层坡体的进一步滑动变形相对较难被触发。     

黏性土坡地震失稳机制及其在黄土斜坡地震稳定性分析中的应用

基于地震作用下黏性土坡失稳滑动特点,以土体应力状态及其变化分析边坡失稳过程。通过分析地震作用下边坡不同部位土体应力状态和剪应力变化,结合实际地震边坡失稳破坏特征,提出黏性土坡地震三段式滑动失稳机制。在分析该滑动失稳机制与有限元强度折减法之间应力关联的基础上,将两者结合应用于实际黄土地震滑坡动力稳定性分析。依据此考虑得到的动力安全系数相比较其他方法,与极限平衡法得到的结果更为接近。     

地震作用下黄土边坡动力响应的时频特征分析

地震作用下黄土边坡的动力响应特征与变形失稳机制是具有重要理论与实践意义的课题,但从动力响应频谱特性方面开展的研究还相对较少。以大型振动台模型试验获得的黄土边坡地震动峰值加速度数据为基础,通过分析其变化规律,着重从频谱特性的角度分析,讨论黄土边坡的动力失稳机制。进一步通过对坡面不同高程测点、边坡内部垂直方向以及水平方向上测点的加速度时程进行绝对加速度反应谱分析,从频谱变化角度提出黄土边坡的动力失稳机制。研究表明,黄土边坡在地震动作用下的响应过程可以分为三个阶段：弹性阶段、塑性阶段与破坏阶段;黄土边坡进入破坏阶段时均会伴随反应谱峰值的增幅或者主周期的变化,在弹性阶段反应谱加速度峰值增幅与输入地震动幅值增幅一致,进入塑性阶段后反应谱峰值增幅比输入地震动幅值增幅小;研究提出将反应谱首峰的凸显情况作为坡体破坏程度的判断依据之一。     

地震后降雨作用下堆积体滑坡模型试验研究

为研究震后降雨作用下堆积体滑坡的灾变机理、裂缝发展规律、滑坡启动时间等问题,以甘肃省舟曲县江顶崖滑坡为对象,采用振动台及人工降雨模型试验,开展4组相同地震烈度不同降雨强度的震后降雨试验。研究结果表明：(1)地震作用使坡体发生剪切破坏,震后降雨工况坡体呈现土体流失的浸蚀破坏,在坡脚处产生明显的剪出口,震后降雨作用诱发堆积体滑坡发生局部失稳。(2)地震作用使坡体中部产生剪切裂缝与错台,后缘处产生“圆弧状”张拉裂缝,在后期降雨中,裂缝变形随降雨强度增大而加剧,并在降雨中期发生突变变形。(3)地震烈度相同的情况下,滑坡启动时间与降雨强度呈指数函数关系,土体沉降变形与降雨强度呈对数函数关系。研究成果可为堆积体滑坡在震后降雨作用下的预警及防治提供参考。     

地震动参数对边坡地震响应的影响规律

选取了具有不同峰值加速度、频谱和持时的6组地震动加速度时程作为输入,基于有限元数值模拟方法建立了二维均质边坡有限元模型,模拟分析了不同地震动作用下边坡模型的加速度和位移响应,揭示了地震动峰值加速度、频谱和持时对土坡地震响应的影响作用及其规律.研究结果显示:地震动峰值加速度、频谱和持时对土坡地震响应均有显著的影响,其中,边坡坡脚处和坡肩处的变形位移随地震动峰值加速度、特征周期和持时的增大而增大,坡体临空面各点的峰值加速度放大系数呈现随输入地震动特征周期的增大而增大、随输入地震动峰值加速度的增大而减小的规律.研究结果可为地震作用下边坡稳定性设计及防治研究提供参考.      

下蜀土边坡地震稳定性的大型振动台试验研究（Ⅱ）——试验结果及分析

选用天然下蜀土,设计并完成了一几何相似常数为20、坡高为0.5 m、坡角为45°的模型边坡1 g大型振动台试验,通过对模型边坡动力特性、动力反应及宏观变形等三方面的研究,揭示了下蜀土边坡的地震反应机理。试验结果表明,下蜀土边坡有着稳定的一、二阶自振频率和阻尼比,随着地震动加载幅值（PGA）逐渐增大,其一阶自振频率逐渐减小,一阶阻尼比逐渐增大;坡高范围内,PGA放大系数均大于1,且自下而上逐渐增大,并在坡肩处达到最大,其在坡脚处的值小于水平方向其他位置处的值,输入El Centro波（经时间相似常数4.47压缩）时的值分别大于输入El Centro原波和Kobe波（经时间相似常数4.47压缩）时的值;随着输入PGA的增大,土体非线性特征逐渐增强,边坡也逐渐趋于失稳破坏状态;震后模型边坡坡脚、坡顶等部位出现了不同程度的裂缝,说明边坡中出现了通过坡脚的（潜在）滑动面。     

地震作用下陈庄黄土-泥岩接触面滑坡失稳机理及稳定性研究

以甘肃礼县陈庄黄土-泥岩接触面滑坡为研究对象,在对该滑坡的地震地质环境、基本特征等调查的基础上,运用数值分析对陈庄黄土-泥岩接触面滑坡在各人工计算场地基岩地震动时程作用下的失稳机理及稳定性进行动态模拟研究。结果表明,陈庄滑坡在地震诱发下变形破坏模式为受拉和受剪的复合破坏模式。失稳机理过程可概括为：地震作用→底部岩体受张拉→潜在滑面主滑段上部剪应力增大→剪应变集中带出现→剪应变集中带延伸扩展贯通→滑坡失稳;滑坡稳定性方面,随着输入地震动的增大,陈庄黄土-泥岩接触面滑坡稳定性降低,其中在50年超越概率2%的基岩地震动时程作用下滑坡处于不稳定状态。     

横向非一致激励下土层地震响应的振动台模型试验研究

针对自由场土体的非线性地震响应问题,采用悬挂式连续体模型箱,开展了横向一致激励和非一致激励下砂土自由场土体的振动台试验。通过试验,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律,包括场地土体的动力特性、加速度地震响应、剪应力-剪应变以及土体的沉降。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;与一致激励相比,非一致激励下土体运动的不一致性引起了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体的加速度峰值和频谱峰值均有降低,土体的非线性发展相对较快。土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况,所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。     

岩土边坡地震稳定性分析研究评述

回顾了岩土边坡地震稳定性分析研究中的若干重要问题的研究进展，包括边坡岩土体地震反应分析方法、边坡岩土体的动力特性和强度准则及参数测试、边坡地震失稳机理与失稳位置、边坡地震稳定性评价指标与安全标准、边坡地震动输入和边坡地震稳定性评价指标的计算精度，还作了简要评述，指出存在的问题并提出今后的研究方向。     

埋地管道-场地地震反应振动台试验研究的场地响应

基于多子台台阵系统,北京工业大学于近期开展了多点地震动输入、不同场地条件下埋地管道振动台试验。试验中连续体模型箱固定于3个振动台台面上,相邻台面上的箱体能在水平双方向(纵向、横向)相对运动;3个振动台相互独立,通过分别对3个振动台输入各自的加速度记录实现了多点地震动输入。本文针对其中的横向水平地震激励作用下的场地响应进行研究,分析了一致和非一致地震作用下有无埋地管线时的场地地震响应规律。试验结果表明,非一致激励作用将增大场地土体的相对位移,致使相邻地震动输入点间场地土体受到剪切作用;随着输入地震动强度的增加,场地土体的一阶固有频率持续降低,阻尼比不断增大;非自由场的阻尼比、一阶固有频率等参数略大于自由场。     

冻融循环作用下边坡地震动稳定性研究

季节冻土区和多年冻土区边坡在经历冻融循环后其力学性质产生较大变化,边坡稳定性随之改变,在地震动荷载作用下存在着巨大的安全隐患.本文基于FLAC数值软件,将考虑冻土相变的显热熔算法引入热学计算模块,并结合静态边界动力计算模块,建立了适用于冻融循环条件下的边坡地震动稳定性分析平台.研究了冻融循环对边坡土体地震动稳定性的影响.结果表明,在发生冻融循环的季节冻土区或多年冻土已经退化的区域,地震动后边坡的塑性破坏形式主要取决于发生冻融循环的活动层的范围.     

长周期地震动强度指标与SDOF体系残余变形相关性分析

为分析两类长周期地震动作用下如何选取合理的强度指标作为结构抗震设计的输入,从2011年东日本9.0级地震、2003年十胜冲8.0级地震和2016年熊本7.3级地震数据库中选取90条可靠的远场长周期地震动。从1994年美国北岭6.7级地震和1999年台湾集集7.6级地震数据库中选取60条近场长周期地震动,以SDOF体系为研究对象,讨论了阻尼比、屈服刚度折减系数和强度折减系数对残余变形与18个地震动强度指标的相关系数的影响,对比分析了两类长周期地震作用下相关系数之间的异同。研究结果表明:在考虑近场长周期地震动作用时,建议应根据结构周期的大小来选择合适的强度指标作为地震动的输入。远场长周期地震动作用下,以PGA、PGV和PGD为代表的强度指标与残余变形的相关程度均较高,PGV稳定性略好于PGA和PGD,建议PGV作为地震动输入的控制指标。残余变形相关系数受阻尼比、屈服刚度折减系数以及强度折减系数影响不大。     

自复位高墩振动台模型试验

为探讨自复位桥墩的地震反应,以某简支梁桥为工程背景,设计并制作了一个缩尺的模型桥梁。通过白噪声扫频获得了自复位桥墩的动力特性及其变化规律,选取El-Centro、Mexico和Chi-Chi强震记录作为地震动输入,进行振动台模型试验。试验记录了墩顶的加速度和位移反应,考查了地震动强度、频谱特性及预应力钢筋及其初始预加力对模型桥墩动力特性及摇摆反应的影响。试验结果表明:墩顶水平加速度反应随地震动强度及初始预加力的提高而增大,墩顶位移反应受地震动的强度、频谱特性及初始预加力大小影响较大。墩底提离面轻微损伤会明显降低体系的整体水平刚度,初始预加力则能提高体系整体水平刚度,桥墩的阻尼比随体系的水平刚度增大而减小。强震下自复位桥墩发生了预期的提离摇摆,震后墩底提离面出现轻微损伤,墩身无裂缝产生,结构具有良好的抗震及自复位性能。振动台试验结果验证已有文献的数值分析结论,振动台试验数据可用于数值模型校核或修正。     

地震作用下可液化场地管道上浮动力响应及影响因素分析

地震作用下土体发生液化之后,由于超静孔隙水压力的产生和土体抗剪强度的降低,管道易发生上浮破坏。为研究管道上浮动力反应的影响因素,基于OpenSees有限元软件,通过目标反应谱和谱匹配等方法选取地震波,考虑不同管土特性和地震动特性,对地震作用下管道上浮动力反应进行了二维数值模拟。结果表明:土体相对密度、管径和管道埋深对管道上浮反应的影响较大,分别给出了土体相对密度、管径、管道埋深对管道上浮位移的影响规律及对应拟合公式;长持时地震动作用下,超静孔隙水压力消散较慢,管道上浮位移可达短持时地震动作用下管道上浮位移的2倍左右;近断层脉冲地震动作用下,管道上浮破坏和横向破坏两种破坏模式同时存在,且由于速度脉冲效应,管道横向破坏风险大于上浮破坏风险。     

基于全动力分析法的地震边坡与隧道稳定性分析

目前地震边坡和隧道稳定性分析方法尚有一些不尽如人意的地方,如地震边坡的破裂面假定为剪切破裂面,这与汶川地震边坡破坏现象不符;地震边坡稳定性分析采用时程分析法,假定在某一时刻加速度作用下,将其作为静力问题来计算边坡稳定安全系数,没有充分考虑加载的动力效应;同样,未考虑地震作用下隧洞围岩的拉破坏,对隧洞围岩破坏缺少动力稳定性标准,也不能充分考虑隧洞围岩与衬砌的动力效应。为此,基于有限元强度折减法,提出了一种完全的动力分析方法——强度折减动力分析法,计算中同时考虑剪切强度和抗拉强度参数的折减,并采用计算不收敛和位移突变综合判断边坡和隧道是否动力失稳破坏,以极限状态时的强度折减系数作为地震边坡和隧道的动力稳定系数,由此获得拉、剪组合破裂面与全动力稳定安全系数,充分考虑了动力效应。     

地震作用下均质土坡动力特性的振动台试验研究

设计并完成比例尺1∶100的边坡振动台模型试验,讨论模型的相似关系、传感器的布置及模型的建造,并编制相应的动荷载加载方案。通过输入不同类型、不同幅值、频率的动荷载,分析模型边坡在地震作用下的动力响应规律以及地震动参数对边坡动力特性和动力响应的影响。试验结果表明,在坡体的表面和坡内的竖直方向上,加速度放大系数均随着高程增加而明显增大。当输入不同压缩比的地震波时,压缩比越大坡体的动力响应越明显,即随着输入动荷载的频率增加,越接近土体的自振频率加速度放大效应越明显;在坡体的同一高程处,坡面的加速度放大系数略大于坡体内的加速度放大系数,表现出一定的趋表效应,同时随着输入地震波振幅的增加,加速度放大系数整体出现递减的趋势。实验结果分析有助于揭示土质边坡在地震作用下的失稳破坏机制,为今后边坡工程的抗震设计提供积极的参考。     

天津地区土动力学参数变异性对地表地震动参数的影响

收集天津地区十多年来的83份地震安全性评价报告,统计202个钻孔的1 650组动三轴数据,分别给出不同种类土在不同区间深度下的统计代表值及其标准差。以某典型Ⅲ类场地为例,用等效线性化方法进行多种地震动强度及相位输入下的水平成层场地地震反应分析计算,详细研究该地区覆盖土层动剪模量比和阻尼比变异性对地表峰值加速度及其反应谱的影响。结果表明:场地地表峰值加速度和反应谱随土动剪切模量比增大或减小而增大或减小,随土动阻尼比增大或减小而减小或增大;在大震输入条件下,地表峰值加速度和地表反应谱的中、高频段随土动剪切模量比减小而减小的变化尤为明显,动阻尼比变化也有一定影响,但不如土动剪切模量比减小变化时影响明显;在中震、小震地震动输入条件下,场地土的动剪模量比和阻尼比变异性对地表峰值加速度和反应谱影响并不显著。     

地震荷载下土层变形等级预测方法研究

以计算结果可靠的土层反应结果为基础数据,基于随机森林算法(Random Forest,简称"RF"),建立地震动、场地土层参数特征量与土层变形特征的关系,提出一种依据常规地震动和场地土层参数为特征量的地震荷载下土层变形等级预测新方法,给出了典型场地土体发生大应变的地震动阈值.结果表明:基于RF模型对土体的变形程度预测结...     

基于振动台试验的黄土塬边斜坡变形失稳模式研究

以甘肃省平凉市的典型黄土塬斜坡为原型,开展含裂隙黄土塬边斜坡与不含裂隙黄土塬边斜坡的振动台对比模型试验,研究不同强度地震作用下两种黄土斜坡的变形失稳特征。结果表明:两种不同结构的斜坡在不同强度地震作用下的破坏特征显著不同,裂隙的存在降低了含裂隙斜坡的抗震稳定性。随着输入地震波幅值的增加,含裂隙斜坡的变形破坏过程为:坡顶裂隙处先后发生裂隙前缘崩塌、坡面溜土、临空面方向大位移、坡面中部和坡脚鼓胀、剪切滑移、发生多级滑动,同时坡体后缘产生新的拉张裂隙;无裂隙斜坡的破坏过程为:坡顶形成拉张裂缝、坡面溜土、坡脚鼓胀、发生单级滑动。两种结构边坡的变形破裂包括倾倒—拉裂与剪切—滑移两种模式,斜坡的变形演化是两种模式相互作用的结果。     

瑞利阻尼对砂土场地非线性地震响应的影响分析

在地震荷载作用下,自由场地会产生土体侧向变形和地表响应放大现象。由于土体的高度非线性,计算自由场地地震响应时,不同的阻尼比及剪切模量取值是造成其计算结果与试验结果相差较大的原因之一。目前动力计算常采用瑞利阻尼方法,其系数取值会在一定程度上影响计算结果。选用两模态简化瑞利阻尼系数计算方法,分析土体阻尼比及控制频率的取值对计算结果的影响,对比离心机模型试验,利用开源有限元平台OpenSees,采用适合于土体动力分析的多屈服面本构模型(PDMY),建立剪切梁模型模拟三维自由场地,并分析瑞利阻尼参数对自由场地地震响应和侧向变形计算结果的影响。结果表明,针对相对密度为60%的Nevada干砂,阻尼比为4%、控制频率比为5时,场地响应计算结果与试验结果较为符合。综合分析显示场地非线性响应时域计算时,应特别注意选用的瑞利阻尼参数值。