多年冻土区缓倾角土层斜坡的地震反应

进行垂直和水平动荷载下的大型振动台模型试验,研究地震作用下多年冻土缓倾角土层斜坡的地震响应、诱发滑坡破坏的主要影响因素及滑坡破坏的演化过程。结果表明,在土层坡度为8°缓斜坡振动台模型试验条件下,斜坡模型破坏后其水平方向自振频率降低较明显,而垂直方向无明显变化;坡体滑动是整体沿着冰-土界面软弱层进行的失稳滑动,沿斜面滑下的斜坡土体内部没有发生破坏;模型斜坡的峰值加速度(PGA)放大系数随着坡体高程增加而增大,破坏前坡面PGA放大系数无明显变化,破坏时和破坏后变化较明显,斜坡土体对水平方向地震波的加速度动力放大响应大于垂直方向,冰-土界面软弱层的加速度放大系数明显小于上部土体和下部冰体,在加速度达到一定数值时,冰-土界面的孔隙水压力会升高。斜坡冰-土软弱界面和超孔隙水压力升高是地震荷载下多年冻土区缓倾角土层斜坡滑动的主要内因。     

土质边坡微型桩组合结构大型振动台试验研究

我国是一个地震多发国家。微型桩组合结构作为一种新型柔性支护结构,研究其在地震作用下对土质边坡的支护作用成为了一个意义重大的问题。为此,通过大型振动台试验,以混合加载的方式,研究了微型桩组合结构在加固土质边坡中的动力学特性。试验结果表明：微型桩组合结构在地震作用下对土质边坡的加固达到了理想的结果;加载时随着El波加速度峰值的不断增大,前、后排微型桩桩身加速度峰值及桩身动土压力随之不断增大;随着输入的El-Centro波动峰值加速度的增大,测点动土压力响应效应也越显著;微型桩滑面上、下1/3位置、悬臂端顶部及锚固段底部处,动土压力及加速度常常达到最大值,在实际工程设计及应用中应重点关注这些位置。该研究结果可以为同类地区治理类似滑坡提供抗震设计支撑。     

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。     

高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究

青藏铁路路基创造性采用了主动冷却路基的设计理念修建而成,目前铁路已经安全运营超过10年。青藏铁路路基修筑在多年冻土之上,路基下部冻土温度变化是衡量路基是否稳定的关键因素。基于长期（2008—2019年）地温观测资料,对昆仑山垭口南坡青藏铁路K980+000低温多年冻土区块石路基坡脚至坡脚外30 m范围内的冻土上限变化、年际地温变化、季节性地温变化进行分析,研究了路基工程行为对低温多年冻土的长期影响机制。结果表明：冻土地温不断升高,冻土上限逐年下移;与天然孔比较,路基坡脚处地温增温幅度反而较小,主要可能受块石路基冷却效应的影响;冷季与暖季呈现出不对称的增温趋势。冻土路基普遍增温的趋势仍然存在,出于对多年冻土的保护与保证工程稳定性的考虑,应尽量采用冷却路基的思想修建路基。同时,应加强对路基的监测,分析长期增温过程后路基稳定性变化,并对路基下部冻土的变化做出定量研究。     

青藏铁路多年冻土区斜坡路堤的稳定性分析

通过分析目前青藏铁路多年冻土区斜坡路堤稳定性状况的本质特点,结合目前稳定性计算分析方法研究现状,切合实际地提出了从热学和力学两方面分别进行分析和计算,并综合评价斜坡路堤稳定性的方法。通过现场典型断面的计算分析可以看出：①对于热力学属性呈动态变化的斜坡路堤,分析其最不利状况可以得到符合实际的稳定性状况结果;②当斜坡路堤处于热学稳定状态时,其力学稳定性也可能呈现不稳定情况,所以需要从热、力学两方面共同分析其稳定性才能得到较为全面的符合现场实际的结论。此方法原理简单、结果明确,对于多年冻土区斜坡路堤在运营阶段的稳定性分析和评价具有重要的指导意义     

特大断面隧道地震动力特性的振动台试验研究

以福州市二环路金鸡山隧道扩建工程为背景,设计制作了特大断面隧道的1/30缩尺模型,并在福州大学土木工程实验中心的双向地震模拟振动台上,完成了21种工况下的模拟地震动试验。对试验数据进行傅立叶分析,发现浅埋条件下特大断面隧道的存在,显著地改变了原场地的动力特性;第一卓越频率主要体现原场地的动力特性,而第二卓越频率主要体现衬砌结构的动力特性。对试验数据进行频响分析,发现地震波自下而上传播至衬砌结构顶部以后,其第二卓越频率附近的频率成分发生了显著增益;其最大增益频率大致等于第二卓越频率。分析特大断面隧道动力特性与输入地震动幅值的关系,发现经历大振幅地震波激励后,衬砌结构上裂缝发展较为显著,其整体刚度明显降低,从而导致第二卓越频率和最大增益频率出现较为明显的下降。基于上述研究成果,进一步提出了特大断面隧道抗震设防的工程建议。     

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。     

Dynamic response of a dip slope with multi-slip planes revealed by shaking table tests

This study investigated the effect of internal discontinuity on the dynamic response of a dip slope and evaluated the performance of Newmark’s theory on the sliding of a dip slope with multi-slip planes. A series of shaking table tests were performed under various geometric conditions to explore the dynamic behavior of a dip slope under different external excitations. The test results, including for deformation processes and critical accelerations, under various slope angles, slope sizes, and seismic intensities were examined and further compared with Newmark’s theory. The results of this study are summarized as follows: (1) two types of slope sliding (differential and complete) were determined. (2) Increasing the slope angle and the height of sliding mass tended to shorten the duration of slope deformation. (3) Critical acceleration of the slope increased gradually with increasing peak ground accelerations of input excitations; when the slope height and dip angle increased, the critical acceleration decreased. (4) The triggering time became earlier as the frequency of input excitation increased; the magnitude of sliding mass greatly depended on the amplitude of the input excitation. (5) By comparing critical acceleration between the experimental and theoretical results, Newmark’s theory was determined to overestimate critical acceleration during seismic-induced dip slope failure. This may cause unsafe evaluations, and sliding along existing discontinuities develops more easily in reality.     

高陡边坡组合式支挡结构大型振动台试验研究

为研究上部采用锚索框架结构、下部设置为桩板墙的组合式支挡结构的抗震性能,开展了大型振动台模型试验。通过输入不同强度大瑞波测试了组合结构的加速度响应和动土压力响应,同时将动土压力的实测值与规范法、Mononobe-Okabe法（M-O法）的计算值进行了对比研究。研究表明：（1）组合式支挡结构在不同强度地震动激励下水平向和竖直向加速度沿坡高有不同程度的放大,且输入的激振加速度幅值越大,放大效应越明显;（2）组合式支挡结构下部桩板墙墙后的动土压力强度随激振加速度幅值的增大而增大,沿着墙高呈现出上部小、下部大的分布特性;（3）动土压力强度的计算,在低烈度区使用规范法和M-O法是合理的,但在高烈度区需要对规范法和M-O法进行修正。     

关于地铁地震响应的模型振动试验及数值分析

为明确大地震时地铁的破坏过程及原因,以1995 年日本阪神－淡路大地震中遭受严重破坏的神户大开地铁车站为对象,进行了一系列的模型振动试验和动力有限元分析。对于作用于地下结构的地震动土压的发生原理、地震波输入方向、结构的埋设深度、地基与结构间的刚性比对地震动土压的影响及在地基-结构系统的非线性响应下结构周围地基终局状态时的地震动土压进行了研究。明确了地震动土压的极限值及在大地震时周围地基的残余应变引起的静止土圧力的存在。为今后改进地震土压力计算方法、提高地下结构抗震设计水平提供了依据。     

填方路基振动台动力破坏试验研究

填方路基抗震安全是西部公路建设的关键技术问题之一。以“5•12”汶川地震灾区典型填方路基为背景,采用红层软岩和石英砂为模型路基材料,设计并完成比例为1∶20的大型振动台模型试验。在满足相似律的条件下,通过输入不同地震波类型、频率和振幅,系统地研究填方路基在强地震动作用下的动力响应和损伤破坏过程。试验模型尽可能全面地模拟影响填方路基地震响应的各种主要因素,包括路基与挡墙动力相互作用、路基施工过程、边界条件等。试验结果表明,加速度沿水平方向的响应呈现明显的非线性特征;总体上,模型路基对输入地震波具有明显的放大作用,在水平向地震波作用下,沿路基坡面向上,加速度峰值放大系数呈现递增趋势,路肩附近急剧增大,在逐级增加的输入地震作用下路基发生多处开裂。试验模拟呈现填方路基在地震作用下的响应及其损伤破坏过程,确定抗震薄弱部位,为全面评价路基的抗震性能提供相应的参考。     

基于振动台试验的抗滑桩加固斜坡桥基研究

基于工程实践中研究斜坡桥基抗震加固的需要,设计并完成前后排抗滑桩加固滑坡桥基的振动台模型试验。通过加载不同频率、加速度峰值的正弦波,分析振动时桥墩基桩、抗滑桩的受力变形规律,探讨滑坡破坏发展过程和动力响应特性。试验结果显示,前后排抗滑桩均应与桥基保持合理距离,有利于桥墩基础的受力变形;受桥梁上部结构的动力影响,桥墩基桩应变沿桩深衰减,衰减速度与土体抗力相关;当后排抗滑桩开裂后,桩身应变骤降,桩后土压力出现卸荷效应,但抗滑桩仍有潜在的承载能力,同时滑坡从稳定性最差的区域开始破坏,逐渐产生频段耦合效应,在后排抗滑桩达到承载极限前,频段耦合效应显著,达到承载极限后,卸荷效应显著。     

Modulus and damping from shaking table tests of reinforced soil walls

The paper presents rational procedures to estimate normalised shear modulus and damping ratio from measured responses of reinforced soil model walls tested in a 1-g shaking table. Displacement measured at the top of the model walls and input base acceleration time histories are used to produce equivalent hysteretic responses of the model walls. Equivalent hysteretic loops at different strain amplitudes are developed and used to calculate normalised modulus degradation curves and damping ratio for the tested model walls. Model wall responses are also analysed using the single degree of freedom (SDOF) model to determine damping ratio and phase difference, and to verify the validity of SDOF model for application with reinforced soil walls.

Results indicate that the normalised shear modulus significantly decreased at the early stage of the base shaking (i.e. γ_s < 0.03%). For example, about 68% and 80% reductions in shear modulus occurred at γ_s = 0.005% and 0.01% respectively. In addition, a 90% reduction in the normalised shear modulus realised at relatively strong input base acceleration (i.e. for γ_s > 0.03%). Minimum damping ratio of 5% to 10% for both model walls was obtained, increased to 15% to 20% at strain amplitude γ_s = 0.3%, and reached higher values thereafter. Finally, dynamic properties determined from the proposed method are compared with experimental and empirical relationships proposed in literature as well as resonant column test results.     

基于滑移线场理论的地震作用下土质边坡稳定性分析

在土质边坡稳定性分析中,滑裂面的确定至关重要,而当前普遍采用的圆弧滑动面法会产生较大误差。采用滑移线场理论确定滑裂面,并结合动力有限单元法,提出了一种地震作用下土质边坡稳定性的分析方法。首先求出地震作用下土坡的应力场,运用滑移线场法搜索得到不同时刻土坡的临界滑移线,然后再根据临界滑移线上的应力分布求出对应于该滑移线的安全系数,以最小平均安全系数作为评价指标,实现地震作用下土质边坡的稳定性分析,最后结合工程实例,求得不同时刻的土坡临界滑移线及其对应的安全系数,并对该土坡的动力抗震稳定性进行了评价。分析表明:安全系数小于1.2的滑移线共同构成了地震作用下土坡的剪切带,与土坡的塑性区吻合,验证了文中分析方法的合理性。     

小型土石坝加密抗液化离心机振动台试验研究

地震作用下土石坝液化易导致坝坡失稳滑移等严重后果,加密法是常用的抗液化手段之一。针对坝趾压重与坝壳翻压两种坝身加密加固方法,开展了离心机振动台试验,分析了不同加密型抗液化处理的小型土石坝坝坡地震响应规律。试验结果表明,由于高水头作用下坝坡底部土体软化,未处理坝坡加速度放大系数沿高程先减小后增大,而加密坝坡加速度放大系数沿高程逐渐增大,且坝坡表面处加速度存在表面放大现象。坝趾压重和坝壳翻压提高了坝身有效应力,降低地震产生的超静孔压比,有效防止土体液化。未处理坝坡在峰值加速度为0.24g地震作用下即发生坝趾液化现象,而加密坝坡在峰值加速度为0.24g和0.45g下均未发生液化。未处理坝坡整体侧向位移大,加密处理后,在峰值加速度为0.24g下坝坡整体表现为竖向位移。坝趾压重区坝趾水平位移明显减小,坝壳翻压区坡顶沉降减小了50%。试验结果验证了坝趾压重和坝壳翻压的抗液化效果,为小型土石坝抗震加固设计提供了参考。     

多年冻土区土壤多环芳烃污染研究进展

多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）是一种难降解、毒性强的致癌性污染物,其广泛分布于各环境介质中,陆地环境中90%的PAHs累积在土壤中。随着资源的开发,由油品泄漏、垃圾渗滤、污水排放等行为造成的多年冻土区PAHs土壤污染问题日益突显,并且在气候变化背景下,多年冻土中的PAHs具有重新释放而造成二次污染的风险,多年冻土区土壤多环芳烃污染分布特征和迁移规律研究对评估多年冻土区生态环境风险,防治土壤持久性有机物污染,保障广大多年冻土居民生命健康安全具有重要意义。通过回顾目前国内外多年冻土区土壤中PAHs污染的相关研究,分析发现多年冻土区未受污染的土壤中PAHs的污染水平远低于中低纬度人口密集区域,可代表地球土壤中PAHs的背景值;高纬度或高海拔的地理位置以及严寒的气候使得冻土区土壤中PAHs一个普遍且最重要的来源是大气远距离传输;活动层的冻融作用主要通过改变土壤理化性质和控制水分运移方向影响PAHs在多年冻土区土壤中的垂向分布特征,多年冻土的低渗透性具有阻碍PAHs垂向迁移的作用。综合分析已有研究成果,表明目前冻土区土壤PAHs污染研究还是大量集中于表层土壤中的污染分布调查和来源解析,而关于PAHs在活动层和多年冻土层中的垂向迁移研究还仅限于对其在土壤剖面中分布状况的解释性分析,冻融作用对PAHs在土壤中的迁移、转化和归宿的影响机制还不清楚。未来多年冻土区土壤中PAHs的研究将集中于迁移转化机理与污染治理技术两方面,针对PAHs在多年冻土区土壤中迁移行为的模拟模型亟待研究开发,以实现PAHs污染储量和迁移通量的定量预测;此外,多年冻土区土壤污染问题的深入研究还需要紧密联系多圈层、多界面、多介质、多要素以及多目标污染物而开展。     

高烈度区双洞隧道洞口段地震响应分析与振动台模型试验

强震作用下,隧道地下结构损伤严重,其中洞口段更是抗震的薄弱环节,但其影响规律和特点目前尚缺乏系统的计算分析和研究。以强震区扯羊隧道为例,首先采用FLAC^3D对双洞隧道洞口段地震响应进行分析,再用模型试验的方法进行洞口段模型试验,测量其地震响应应变规律,观测其震害发展情况,并与数值分析结果相互验证。结果表明:地震作用下,隧道仰拱横向位移较大;随着隧道埋深增加,内力逐步增加,其中墙角部位内力较大;洞口处隧道围岩在强震作用下会产生贯通性裂缝,影响隧道洞口稳定;地震作用下的明洞与暗洞交接处内力较大;地震作用下的双洞隧道之间存在较强的动力相互作用。