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。     

岩质斜坡动力响应特性的结构面效应研究

斜坡的坡体结构是控制斜坡变形破坏模式、影响斜坡动力特性的重要因素。为了进一步了解"坡体结构面如何影响边坡地震动力响应规律"这一问题,对均质斜坡(无结构面)和水平层状岩质斜坡(含水平结构面)两种类型的岩质斜坡进行了大型振动台试验研究,并着重对比分析了有无结构面对岩质斜坡峰值加速度动力响应规律的影响。研究结果表明:水平层状斜坡坡表和坡内加速度动力响应基本上都大于均质斜坡,即水平层状岩质斜坡存在层面放大作用,但水平结构面对斜坡加速度动力响应放大作用的程度与地震波类型、频率、振动强度和激振方向有关,总的来说,水平层面对Z向地震波的放大作用大于对X向地震波;在本试验研究中,频率仅影响层面放大系数量值的变化,而地震波类型及其振动强度和激振方向则对其分布形式和量值均有显著影响。     

黄土隧道边仰坡动力响应的大型振动台模型试验研究

设计并完成了1∶80比例尺的高陡黄土边坡大型振动台模型试验。通过输入不同类型、幅值、频率的地震波,探讨地震作用下模型洞口仰坡动力响应规律,以及地震动参数对动力响应的影响。试验结果表明,不同地震波加载的过程中,坡面的PGA随着测点高程的增大而增大,在隧道仰拱和拱顶所处的位置,PGA有突然减小的过程。其中仰拱周围边坡坡面的PGA减小更大,说明隧道的存在对坡面加速度的放大作用具有一定的抑制作用,其中仰拱位置比拱顶位置抑制作用更强。台面峰值加速度越大,仰拱对加速度的抑制作用更加明显,坡顶面的PGA最大,因此坡面越高,加速度的放大效应越明显,并没有出现加速度放大系数饱和的这种状态。试验结果有助于揭示黄土隧道仰坡在地震作用下的失稳机制,为工程的抗震设计提供有益的参考。     

组合支护结构作用下反倾层状岩质边坡加速度响应振动台试验研究

设计并完成一个1∶30的大比例尺高陡反倾层状岩质边坡的振动台模型试验,坡体内部有6个软弱泥化夹层,研究在组合支护体系作用下EL Centro地震波和汶川-清屏地震波激振下泥化夹层含水量发生变化时边坡的加速度动力响应规律。试验结果表明:(1)坡面X、Z向加速度放大系数均具有非线性高程放大效应,但前者大于后者;(2)泥化夹层含水量的变化对坡面加速度放大效应影响显著,注水后X向减小而Z向增大;(3)支护体系作用下边坡临空面放大效应的现象受限制,预应力锚索抗滑桩以下边坡基本不存在加速度放大效应;边坡分级支护可有效降低X向加速度放大系数的高程增大效应,但对Z向会产生不利作用;(4)边坡的破坏模式为上部受软弱夹层滑动牵引而发生倾倒-拉裂变形,导致顶部框架梁有可能最先发生破坏,且破坏类型可能以绕坡顶为支点向坡体内侧转动,引起上部的锚索产生拔出破坏。     

路基地震峰值加速度响应特性振动台试验研究

在采用拟静力法分析公路路基抗震稳定时,需要考虑路基对地震加速度产生动力放大效果的影响。为了研究该放大效果,针对填方路基在强地震动作用下的动力响应,设计并完成了1∶20比尺的路基大型振动台模型试验。通过输入不同类型、幅值、频率的地震波激励,研究地震作用下路基模型边坡地震峰值加速度的放大系数。试验结果表明,路基边坡对输入的水平地震波具有明显的放大作用,而对竖向地震波的放大作用不明显。沿路基高程向上,水平地震波加速度峰值放大系数呈现波动,且坡面的放大系数大于路基内部的放大系数。在不同类型、不同振幅和不同频率的地震波作用下,路基地震峰值加速度放大系数具有明显的差异。试验结果可为确定路基抗震稳定设计的动力荷载提供相应的参考。     

地震作用下边坡动力响应及影响因素研究

利用ANSYS有限元软件建立了边坡数值模型,并结合汶川地震实例分析了边坡的共振特性、动力响应变化以及地震动三要素对边坡动力响应的影响,对汉源县高烈度异常现象从共振的原因做出了解释。通过分析发现:边坡的共振主要由前5阶固有频率被激发引起,坡体阻尼和地震波频率对共振作用有显著影响。边坡体对输入地震波低频部分存在放大作用,对高频能量具有滤波作用。坡体加速度和位移响应随高程增加而增大,沿水平方向从左至右,位移减小,加速度先增后减。坡体峰值加速度放大系数随频率的增加而减小,随持时变化不明显;坡体位移随振幅和持时增加而增大,随频率增大而减小;弹性范围内,加速度和位移动力响应绝对量随振幅增大呈明显的线性增长关系,而位移、加速度放大系数保持不变;坡面陡坎处动力响应突变效应明显。     

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。     

基于振动台试验的黄土场地效应研究

地震作用下黄土场地对地震波不同分量的放大效应影响显著。针对黄土高原典型黄土场地在地震作用下的放大效应,设计并完成大型地震模拟振动台试验,通过输入不同强度的地震动荷载,研究黄土场地加速度（PGA）放大系数、傅里叶谱、加速度反应谱、H/V谱比与地震动强度和场地高度的变化规律,揭示地震波不同分量对黄土场地效应的影响。结果显示：黄土场地对地震波的水平分量具有明显的放大效应,对地震波垂直分量的放大效应影响较小;随着高程的增加,地震波水平分量PGA放大系数呈现非线性变化;随着地震动强度和高程的增加水平分量卓越频率的频段和幅值逐渐增加,卓越频率向低频偏移,放大倍数呈现出非线性特性。     

岩质高陡边坡地震动响应规律的振动台试验研究

设计并完成了1∶10大比例尺的边坡大型振动台模型试验,试验模型尺寸为4.4m×4.4m×1.8m(长×宽×高),斜坡模型表面包含30°、45°、50°、60°四个不同坡度的坡面,模拟岩体材料采用重晶石粉、河砂、石膏、黏土和水按比例配制而成。通过输入不同类型、幅值、频率的地震波来研究模型边坡的动力响应规律,在试验数据分析中采用三维局部坐标系。试验结果表明:边坡临空面方向和竖直方向的加速度高程放大效应随坡面角度的增大而增强,在坡面角度由45°→50°变化时增长趋势呈明显"台阶状"形式,而边坡走向方向的峰值加速度高程放大效应基本不随坡面角度变化;边坡各向的峰值加速度的高程放大效应随着输入地震波幅值的增大而减小,表现出"量级饱和"特性;加速度傅里叶谱的频谱成分随着高程的增大,边坡岩体对于试验模型自振频率f周围的频率成分具有显著的放大作用,而对于其他频率成分则具有滤波作用;加速度反应谱沿高程的形状基本一致,并且卓越周期对应的反应谱幅值沿高程具有一定的放大作用,而在其他周期T处,尤其是长周期部分(低频部分)则存在一定的减小作用,对于临空面方向来讲,具有明显的波峰现象。试验结果有助于揭示边坡在地震作用下的失稳机制,为边坡工程的抗震设计提供有益的参考。     

黄土边坡动力响应分析

运用有限差分软件FLAC3D,建立了某一黄土边坡三维模型,首先对其在地震作用下的动力响应规律进行了总结,然后探讨了地震动参数对黄土边坡动力响应的影响。结果表明：黄土边坡对地震波存在垂直放大和临空面放大作用;当输入地震波振幅或频率增加时,坡面监测点加速度放大系数随坡高增加呈＂增加→衰减→增加＂的三段形态;速度放大系数随坡高的增大而增大,并在坡顶达到最大值;位移放大系数随振幅和频率的增加而增加;地震持时对加速度、速度峰值的影响不大,但坡体位移随持时的增加而显著增加。强震作用下的最大剪应变增量区域的位置和形状表明,黄土边坡的破坏模式仍是沿着某一弧形潜在滑动面失稳破坏。研究结果有助于进一步揭示黄土边坡在地震作用下的失稳机制,为黄土地区边坡抗震设计与防灾减灾提供参考。     

含石量和坡度变化对土石混合堆积体的动力响应及失稳的影响

土石混合堆积体在地震荷载作用下的动力响应是研究其在地震荷载作用下失稳机理的重要指标。文中基于室内振动台模型试验,研究了含石量和坡度变化对土石混合堆积体动力响应特征的影响。试验结果表明:峰值加速度(PGA)的放大系数在水平方向随着高程的增加而增大;坡度越大时水平方向的PGA放大系数越大,而含石量越大时其对应的水平方向的PGA放大系数越小;土石混合堆积体的坡脚处竖直方向的PGA放大系数增长明显,而坡顶竖直方向的PGA放大系数有减弱的趋势;相同激振强度下,土石混合堆积体的坡度越大则坡体顶部的永久位移越大,而含石量越大则对应的坡顶位移越小;堆积体滑坡振动过程及滑动后,大粒径颗粒向下运动的速度较快,使得土石混合堆积体坡脚的堆覆具有非常明显的颗粒分选现象。文中的研究结果对于分析土石混合堆积体的含石量和坡度变化与其在地震荷载作用下的动力响应规律具有实际意义。     

孤立山体地震动力响应的振动台试验研究

设计并完成1∶10的孤立山体大型振动台模型试验。试验模型尺寸为4.4m×4.4m×1.8m(长×宽×高),该模型表面共包含30°、45°、50°及60°四个不同坡度的坡面。通过输入不同类型、幅值、频率的地震波,探讨地震作用下孤立山体模型的地震动力响应规律以及地震动参数对其的影响。采用三维局部坐标系,即山体的临空面方向L、坡面走向方向M及竖直方向N来对试验结果进行分析。试验结果表明:随着坡面角度的增大,临空面方向、竖直方向峰值加速度的高程放大效应逐渐增强,当坡面角度为45°,加速度放大效应突然增大,当坡面角度为50°,加速度放大效应渐趋平缓,而边坡走向方向的峰值加速度高程放大效应基本上不随坡面角度的增大而变化,其台阶也相对较为平缓;随着输入PGA的增大,临空面方向、坡面走向方向及竖直方向峰值加速度的高程放大效应逐渐减小,表现出"量级饱和"特性。试验结果有助于揭示边坡在地震作用下的失稳机制,为边坡工程的抗震设计提供有益的参考。     

地震动参数对斜坡加速度动力响应规律的影响

2008年‘5.12’汶川大地震诱发斜坡地质灾害在空间分布上表现出了明显的高程效应和岩性效应。本文采用上硬下软和上软下硬两种典型岩性组合斜坡模型,完成了1:100比尺的振动台试验。文中重点分析了地震波类型(频谱)、激振方向和地震动三参数对斜坡模型水平向加速度动力响应规律的影响。分析结果表明:(1)水平单向激振时,15Hz正弦波和汶川地震波作用下的高程放大效应主要体现在斜坡模型中上段,两者在上软下硬组合斜坡模型中产生了近乎相同的水平向加速度动力响应规律,原因主要在于两者的卓越频率接近。(2)模型对合成向汶川地震波的放大作用依次超过单向水平向和竖直向汶川波的作用,且合成向与水平单向汶川地震波的作用规律基本相同。(3)随着振动强度增加,模型对低频波的放大作用增强。(4)在合成向汶川地震动作用下,随着振动强度增加,模型各高程处的水平向加速度峰值(PGA)逐渐增加,其相应的放大系数在模型中上段逐渐降低至2.0以下,最终趋于平缓,表明模型沿高程向的放大效应逐渐减弱。此外,各参数对模型的水平向加速度响应因模型自身的岩性组合结构而异,随着振动强度增加,上硬下软斜坡模型中上部的水平向速度响应值基本保持在1.0～2.7倍于上软下硬斜坡模型中上部的水平向加速度响应值这一水平。     

季节冻土区土钉支护边坡地震反应动力特性分析

为了更科学地评价地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡的抗震性能，基于热-动力理论控制方程，应用大型非线性有限元软件ABAQUS，建立带有黏弹性人工边界的地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡的数值模型，对比分析夏季和冬季这两个典型季节时的加速度响应、位移响应以及土钉轴力响应。结果表明：无论是夏季还是冬季，加速度峰值随着季节冻土边坡高程以及激振加速度峰值增加而增加，在夏季时刻的季节冻土边坡坡顶位置处达到最大。此外，在不同地震波峰值加速度作用下，相同位置处的位移响应峰值却有明显的不同，同一地震烈度地震波激震时，夏季的季节冻土边坡坡顶位移最大，表明地震荷载对夏季的季节冻土边坡坡顶破坏效应最为明显，土钉轴力具有高程放大效应和坡面放大效应，季节冻土边坡坡底至坡顶的土钉端部轴力峰值逐渐增大。文中数值模拟模型及结论可为制定地震荷载作用下土钉支护季节冻土边坡抗震设计提供一定的参考。     

地震作用下含软弱夹层顺层岩质边坡表面放大效应研究

为了研究地震作用下含软弱夹层顺层岩质边坡表面的放大效应,借用FLAC3D软件,建立了含软弱夹层顺层岩质边坡动力分析数值模型;在合理考虑地震动输入、边界条件、网格划分与模型参数的基础上,分析了地震动峰值、频率、持时以及初动方向等因素影响下的边坡表面放大效应。研究结果表明：①地震动峰值、频率和初动方向对边坡表面放大效应的影响较显著,而地震动持时对边坡表面放大效应的影响微小;②随着地震动峰值的增加,放大效应由软弱夹层之上的坡面及坡顶面向坡肩点逐渐增大,坡肩点的放大效应最大;③当输入地震动频率小于边坡的自振频率时,边坡表面加速度放大倍数较小,且频率越小,放大倍数越小,当输入地震动频率大于边坡的自振频率时,边坡表面加速度放大倍数较大,且频率越大,放大倍数亦越大。     

卵石土场地地震反应特征振动台试验研究

为研究卵石土场地地震反应特征,基于四川成都典型卵石土场地,通过振动台模型试验研究卵石土场地在不同地震波、不同地震强度激励下的加速度峰值放大系数、加速度频谱反应及动土压力反应,并且对其场地地震反应非线性效应及土体动剪应力-动剪应变关系进行分析。结果表明：卵石土场地表层土层对地震波具有明显的放大效应,加速度峰值放大系数介于1～1.4之间,下部土层放大效应较小,加速度峰值放大系数介于0.9～1.2之间。卵石土场地对地震波具有低频放大,高频滤波的作用,滤波频率上、下限随激励强度的增大逐渐向低频方向移动。激励强度较小时,土体尚未破坏,动土压力在地震过程中逐渐增大;随着激励强度的增大,动土压力反应明显增大,表现出骤减后逐渐增大的现象。在激励强度较小时(SN1),中部土体最先进入非线性反应阶段,地震波在中部土层能量损耗最大;激励强度较大时(EL3),土体均发生了较大变形,土体最大动剪应变达到1.7%,此时卵石土场地对地震波的放大作用明显减弱。     

单体边坡地形的地震动力响应及其放大效应的数值分析

本文采用隐式动力有限单元法研究了不同的边坡角度和边坡高度对地形放大效应的影响,并以位移峰值放大系数为衡量地震动放大效应的标准,计算了不同边坡角度和边坡高度条件下的地震响应,在此基础上对模型关键监测点的输出波形以及位移峰值放大系数的变化趋势进行了分析,获得了不同监测点处的地震动时程曲线,揭示了坡角和坡高对单体边坡地震动放大效应的定量作用规律。数值结果表明,相同高度处坡面监测点的水平向位移峰值放大系数大于坡内监测点的,地形放大效应在水平方向具有趋表效应。由于坡面存在入射波和反射波的叠加,因此竖直向位移峰值放大系数的最大值出现在坡体内部。      

堤坝边坡地震反应数值模拟平台与计算方法

首先,介绍了基于Open Sees独立开发的一套边坡地震反应与稳定性分析三维有限元计算软件Slope SAR;借助该计算平台建立了均质黏土边坡三维有限元动力分析模型。模型中选用土的多屈服面弹塑性本构模型模拟黏土的动力属性,沿振动方向的人工截断边界使用我们提出的动力自由场边界处理;据此,在模型基底输入El Centro地震波进行边坡地震反应分析。基于此,进一步讨论了坡顶局部负载与输入地震动特性对边坡地震响应的影响。结果表明,边坡对输入的地震动沿坡面起到放大作用;随着局部均布荷载长宽比逐渐增大,边坡地震响应以局部负载与地震动共同控制为主;边坡对输入地震动的低频分量存在放大作用,且对处于边坡自振频率附近的地震波放大作用特别明显;输入地震波特性对坡肩加速度傅氏谱峰值影响不大。应该说,Slope SAR有助于进一步开展各类边坡地震反应规律及失稳机制的研究。     

基于小波包和反应谱的黄土边坡动力特征研究

为研究黄土边坡在地震动力作用下的动力响应特征,以宝兰客专沿线某天然黄土边坡为工程背景,建立1∶20缩尺的黄土边坡试验模型。通过大型振动台试验,采用时程分析和小波包、反应谱分析相结合的方法,在模型底部振动台上输入地震动荷载,分析黄土边坡结构在地震动荷载下加速度信号第一频段能量占比(E₁)、第二频段能量占比(E₂)、特征周期、反应谱幅值、峰值加速度(PGA)和加速度放大系数(AFA)的变化规律。结果表明：根据E₁、E₂转化规律,弹性阶段可以细分为挤压密实阶段和密实阶段,E₁+E₂的最大值位于边坡顶部位置。在弹塑性阶段,同种类型地震波不同地震烈度下到达特征周期的时间基本不变,El-Centro波到达特征周期的时间滞后于汶川汤峪波,且其加速度、速度反应谱幅值也略小。模型在水平方向上存在PGA及AFA放大效应,PGA及AFA沿水平方向放大效应按照大小排序为：破坏阶段>塑性阶段>弹性阶段。地震过程中距离坡面越近的位置越容易被破坏和先破坏,验证了地震过程中“...     

进洞高程对黄土隧道洞口衬砌和仰坡动力响应的影响

针对黄土边坡与隧道洞口段衬砌的相互作用问题,运用数值模拟的方法分析了以不同进洞高程进洞时黄土隧道洞口段衬砌的动力响应特征和洞口仰坡的动力稳定性。结果表明:进洞高程越大,洞口段隧道衬砌的位移响应与内力响应越大;随着进洞高程的增大,坡面位移放大系数在减小,不同进洞高程进洞时坡面位移放大系数均呈先增大后减小再增大的变化趋势。在0.2~0.6H时变化最为剧烈,0.4H左右时位移放大系数达到了最大值;不同进洞高程进洞时坡面中心和水平方向距离隧道结构1.5D处的坡面位移放大系数变化趋势基本一致,其大小关系为:纯边坡位移放大系数 < 有隧道结构中面位移放大系数 < 距隧道1.5D位移放大系数;随着进洞高程的增大,剪应变增量和坡面位移均在减小,坡面的稳定性在增强。该研究可为黄土地区隧道进洞高程的选择提供一定的参考。