地震作用下岩质边坡大型振动台试验研究进展

大型振动台试验方法可真实有效地模拟地震作用,是近年来研究边坡地震动响应特性的常用方法,被学者们广泛用于模拟研究各类支护结构加固的边坡工程中.通过综述学者们有关边坡大型振动台模型试验的相关文献,对其研究方法、研究对象及主要结论进行了分类评述.最后,通过分析目前岩质边坡大型振动台物理模拟试验研究中存在的问题,指明了今后的研究方向,为深入认识地震作用下岩质边坡的动力响应特性、变形破坏规律及支护结构与岩土体动力耦合作用机理奠定了基础,具有重要的理论意义和工程价值.      

陡倾层状岩质边坡动力响应大型振动台模型试验研究

结合 5·12 汶川地震诱发的大量次生地质灾害,设计并完成了比例为1 :100的边坡大型振动台模型试验,讨论了相似关系和模型的设计、传感器的布置、模型的建造过程,编制了动荷载加载制度。试验结果表明,边坡对输入动荷载具有放大作用,沿坡面向上,PGA放大系数呈上升趋势,并具有一定的节律性,其节律性变化规律受坡体岩性、结构面组合和动荷载振动方向的影响; 动荷载X向振动时的坡面峰值重力加速度(PGA)放大系数明显大于Z向振动时的坡面PGA放大系数,说明坡体在X向振动时的动力响应更为强烈; 坡体内PGA放大系数在铅直向上呈线性放大,在水平向上表现为节律性变化。试验结果有助于了解陡倾层状岩质边坡在不同动荷载作用下的响应规律,对研究其变形失稳机制和抗震结构设计提供了依据。     

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。     

强震作用下均质岩质边坡动力响应的振动台模型试验研究

近年来我国地震灾害频发,强震诱发边坡失稳作为地震中最为常见的次生灾害,致使我国的地震滑坡灾害数量位居全世界之首,针对强震作用下岩质边坡动力响应问题,采用铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏、水作为相似材料,开展了均质岩质边坡振动台试验。详细分析了均质边坡模型在不同频率和幅值地震波输入下的地震动响应特征,发现当频率较低时,沿坡表水平距离方向上监测点的水平加速度放大系数是单调增大的,坡肩处水平加速度放大系数达到最大值,当频率进一步增大接近或者超过模型自振频率时,边坡模型不再呈现出典型的放大现象;相同幅值不同频率加载条件下,均质边坡模型的自振频率变化整体不太明显,而输入加速度幅值的变化对自振频率的影响更为显著,低频成分对模型损伤不明显,高频及自振频率附近频段对均质边坡的损伤更为强烈,导致模型的自振频率显著下降。该问题的研究对强震作用下岩质边坡地震动响应及变形破坏机理研究具有一定的指导意义。     

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。     

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.     

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。     

花岗岩质边坡地震动力响应及破坏特征大型振动台试验研究

地震触发的岩质边坡崩塌常造成巨大的灾害,特定地质条件下边坡地震动力响应及破坏机制是工程中的重要难题。以翠华山水湫池崩塌为研究对象,开展振动台试验,研究地震作用下受断层控制的岩质边坡动力响应及破坏机制。试验发现,当断层倾角大于临界角时,不连续界面处的部分反射波与透射波转变为滑行波,使得断层处加速度响应出现突变;模型边坡内部加速度峰值放大系数变化特征表现出显著的三阶段变化趋势;水平加速度响应呈现出随高程增加不断增大的特征,而竖直加速度峰值放大系数增加幅度较小;模型边坡的固有频率变化曲线可以分为3个阶段,整体呈现下降的趋势,表明模型动力特性发生变化。通过对比振动台试验与水湫池崩塌原型,发现含断层结构岩质边坡的主要破坏模式为边坡顶部在地震荷载作用下首先出现贯通的竖直拉裂缝,随后断层上盘破碎岩体裂解破坏,最终沿断层面发生剪切滑动。研究工作将为秦岭花岗岩地震山崩的风险预警提供研究示范,并为开发秦岭山崩遗迹提供科技支撑。     

基于振动台试验的地震作用下岩质边坡位移演化特征

汶川地震受灾区域岩质边坡失稳频发,灾区滑坡危害问题严重,岩质边坡位移演化特征的研究对灾后边坡监测及预警具有重要意义。本文针对金沙江特大桥桥址边坡开展了包含陡倾结构面及顺向贯通性结构面的复杂岩质边坡振动台模型试验研究。根据相似理论,试验采用水泥、砂、铁粉、黏土与混合剂的配合材料模拟玄武岩,采用PVC板模拟凝灰岩结构面。利用光学测量系统采集了边坡表面实时位移数据,分析了位移响应波形、PGD(测点最大位移值,Peak Ground Displacement)分布以及PGD演化规律。结果表明,水平输入和垂直输入的PGD演化规律基本一致,振动台地震输入烈度在Ⅷ度前,PGD呈线性增大趋势;Ⅷ度时,边坡模型在陡倾结构面处相对位移达到约1.5 cm;大于Ⅷ度时,PGD呈加速放大趋势,可以认为此时边坡呈不稳定状态;Ⅸ度时,边坡呈整体滑动破坏模式,滑动面由陡倾结构面处剪入,在坡脚附近剪出。     

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.      

锁固段边坡模型破坏前兆特征

为探究花岗岩锁固段边坡模型损伤破坏过程中的微震信号能量、频率分布特征及临界慢化现象,开展了花岗岩锁固段边坡模型的破坏试验研究,利用单轴加载系统对不同岩桥角度的花岗岩锁固段边坡模型进行加载,采用应变片、微震（microseismic,MS）监测系统对其加载全过程进行同步观测.试验结果表明:（1）岩桥角对边坡模型的破坏形式产生影响,当岩桥角为70°和90°时破坏形式以拉张破坏为主;当岩桥角为110°时为拉压混合破坏;当岩桥角为130°时为压剪破坏,前缘蠕滑段为锁固型边坡变形最大的部位.（2）在加载过程中,当存在微小损伤破裂时,主要以高频、低能的微震信号为主,当产生大尺度损伤破裂时会伴随着低频、高能的微震信号.（3）在锁固段边坡模型处于临界破坏状态时会出现明显的临界慢化现象,表现为微震信号的方差、自相关系数产生突增现象,且突增点所对应的时间均达到失稳时间的80%,具有较好的时效性,可将微震信号的方差、自相关系数的突增作为边坡模型的失稳破坏前兆信息.（4）能量比方法与临界慢化理论形成联合预测判据,可克服单一判据的缺点,提高预测的准确性.该研究可为突发型的岩质边坡监测预警提供可用的参考价值.      

顺向河谷陡倾角层状岩体边坡变形破坏模式及特征

我国西部地质环境复杂,大量顺向河谷中存在陡倾角层状岩体倾向坡外的边坡,具较高的地质灾害危险性。该类边坡在漫长的地质历史过程会发生位移~弯曲,经历轻微弯曲、强烈弯曲隆起阶段和变形破坏阶段。特殊的坡体结构在较长时间内使该类边坡可基本稳定,但地震、爆破、工程开挖切脚及水库蓄水等易使其失稳。本文通过典型实例探讨了顺向河谷陡倾角层状岩体且倾向坡外边坡的变形破坏模式和特征。     

地震作用下锚固岩质边坡动力响应研究进展与展望

锚固岩质边坡具有良好的抗震效果,为深入了解其地震动响应机制,系统梳理了地震荷载下锚固岩质边坡动力响应的国内外研究文献,论述了地震作用下岩质边坡-锚固结构体系动力特性、锚固岩质边坡动力稳定性及其动力响应影响因素.基于现有研究成果,未来可进一步分析强震或频发微震等不同地震荷载形式下的锚固岩质边坡动力演化模式;借助基于演化模式的锚固岩质边坡地质力学模型,明晰地震荷载传递规律、锚固结构力学演化特征与锚固岩质边坡动力响应特性,综合揭示岩质边坡-锚固结构体系地震动耦联作用机理;开展具有大塑性变形能力的新型抗震锚固结构设计关键技术的创新、集成与标准化,并建立新型抗震锚固结构关键技术应用示范区.      

三峡链子崖危岩体非线性动力响应分析

采用非线性有限元法研究岩质边坡的动力响应问题，模拟了软弱夹层的材料非线性及断层或裂缝的接触问题，假定岩块弹性体，推导了非线性动力响应迭代格式并编制了适于岩质边坡动力响应分析的三维非线性有限元程序，利用该程序对三峡链子崖危岩体进行了动力响应分析，得出了一些有价值的结论，计算结果与模型试验结果基本相符，证明本文数值计算的正确性。     

顺向岩质高边坡分级开挖的变形破坏特征研究

以岩质高边坡的野外调查成果为基础,分析了边坡的岩体结构特征和控制边坡稳定性的主要地质要素,依据自然边坡的变形破坏现状定性分析,预测边坡开挖过程中可能出现的宏观变形破坏模式和特征.利用基于有限差分原理的FLAC3D建立坝肩边坡的地质模型,对工程边坡开挖支护过程进行数值法定量研究,得出了工程边坡开挖过程中的应力、位移变化规律和边坡岩体破坏特征.研究成果为苗家坝水电站左坝肩的分级开挖施工提供了依据.     

Dynamic Response of Shallow-Buried Small Spacing Tunnel with Asymmetrical Pressure: Shaking Table Testing and Numerical Simulation

A series of shaking table tests were designed and carried out to study the seismic behaviors of a shallow-buried small spacing tunnel with asymmetrical pressure. The key details to shaking table model test, including test equipment, model similarity relation, similarity constant, model box, physical model, layout of transducers, seismic waves, and loading system were presented. The numerical simulation of the shaking table test was also carried out by using a finite element simulation software. The results show that: (1) the Fourier spectrums in the vertical direction and horizontal direction are different at the same measuring point. The structure of tunnel transforms the Fourier spectrum of horizontal direction. (2) The stability of middle rock pillar is poor under seismic wave action. The anchor plays an important role in strengthening the stability of middle rock pillar. The dynamic strain of anchor has accumulative effect. (3) The numerical simulation results are in significant agreement with the shaking table test results. (4) Compared with type of seismic wave, peak seismic wave has a significant effect on acceleration response of tunnel. The peak acceleration response of the tunnel is linear with the peak seismic wave, in the horizontal direction. The peak acceleration response is nonlinear in the vertical direction. (5) The axial force of cross section at arch foot is larger than other position. The shock absorption effect of 10 cm seismic isolation layer is better than 5 and 20 cm.