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。     

三段式锁固型岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究

设计和制作了三段式锁固型岩质边坡模型,并进行了大型振动台试验,对三段式锁固型岩质边坡在地震作用下的动力响应和变形破坏模式进行了分析.研究结果表明:三段式锁固型边坡模型的自振频率随振动次数的增加而逐渐降低,阻尼比则随振动次数的增加而逐渐增大;边坡模型水平加速度放大系数表现出明显的高程放大效应和趋表效应;在不同类型输入波的作用下,边坡加速度响应存在着明显的差异;加速度放大系数随着输入波频率的增加表现出先增加后减小的变化规律,且在频率为15 Hz时峰值加速度放大系数达到最大值;随着输入波振幅的增加,坡体加速度放大系数总体上表现为先增加后减小的变化趋势;在地震波的作用下,位于坡体顶部裂缝和底部软弱夹层之间的锁固段出现多条裂缝,并不断发展呈X型贯通,最终在坡体内部形成3级滑面,并在持续的振动作用下,边坡沿着3级滑面发生滑动破坏.      

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。     

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。     

地震作用下含水平软弱夹层斜坡动力响应特性研究

基于相似性理论,设计并完成了2个含不同厚度水平软弱夹层的岩质斜坡。试验模型高度、长度、宽度分别为1.80、1.65、1.50 m,坡角约60°,软弱夹层厚分别为3、15 cm。输入不同类型、激励方向、频率和振幅的地震波,利用大型振动台试验中传感器记录的数据和正交试验,研究了斜坡的加速度响应特征及其影响因素。试验结果表明:斜坡动力加速度放大系数分布存在明显的坡内高程效应和坡面的非线性趋表效应。斜坡水平向坡面放大系数随斜坡高程增加呈波动性增大,薄夹层斜坡中、上部表现更为明显。竖直向坡面放大系数因软弱夹层厚度而异,薄夹层斜坡局部减小后增大,最大放大值出现在坡肩位置,而厚夹层斜坡最大放大值出现在软弱夹层底部。同等强度地震力激励下,坡内竖直向放大系数不及水平向,约为0.75倍。坡面上,水平和竖直向放大系数的相对大小与高程有关。软弱夹层以下,竖向放大系数大于水平向,夹层以上则相反。软弱夹层对斜坡动力响应的影响也因激励方向不同而有所区别,对水平向动力响应有一定的放大作用,而对竖直向动力响应则是吸收减弱。斜坡动力响应所选因素的影响大小顺序依次为斜坡高程、坡体位置、软弱夹层厚度、激励振幅、加载波形、激励方向,其中斜坡高程、坡体位置以及软弱夹层厚度对斜坡动力响应具有显著性影响。     

基于黏聚力裂缝模型的反倾层状岩质边坡倾倒破坏模拟

反倾层状岩质边坡的倾倒破坏是一种常见的地质灾害。为探究开挖条件下反倾层状岩质边坡的倾倒破坏机制以及层间剪切强度、岩层厚度因素对破坏特征的影响,利用ABAQUS有限元软件,建立黏聚力裂缝模型（Cohesive Crack Model,CCM）,基于连续-离散方法,经参数标定和对比,建立反倾层状岩质边坡CCM,采用开挖并增重的方式诱发边坡倾倒破坏。数值模拟结果与古水水电站坝前倾倒变形体离心模型试验结果基本一致,验证了CCM的正确性。进一步,基于以上参数及模型,研究了反倾层状岩质边坡的破坏演化过程和应力分布特征,并探讨层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征的影响。结果表明:坡体前缘首先发生局部折断,后缘出现明显拉裂缝,反倾岩层由下往上依次折断直至倾倒体中部（一级破裂面）。随后,坡体前缘的表层岩层被挤出,形成二级破裂面,最后一级破裂面扩展至坡体后缘,形成连通宏观的破裂面。最后,二级破裂面扩展至坡体中部,边坡完全倾倒破坏;破裂面基本沿层间法向应力峰值位置连线发育;层间剪切强度对边坡倾倒破坏特征具有显著的影响,随着层间剪切强度的增大,岩层初始折断位置逐渐降低,垮塌范围逐渐减小,破裂面倾角增大;坡体层厚越大,一级破裂面分布越深,垮塌区范围越大,坡体滑动的整体性越强。研究成果可为反倾层状岩质边坡倾倒破坏的分析和监测提供有效计算方法及依据,为此类滑坡灾害的防治提供一定参考。     

含软弱层岩质边坡的动力响应研究

含软弱层岩质边坡的动力响应研究已成为边坡工程稳定性分析中的一个重要问题。为研究软弱层的特性对岩质边坡动力响应的影响,提供动力荷载作用下边坡防灾减灾的指导依据,运用UDEC离散元软件模拟地震力作用下含软弱层岩质边坡的动力响应系统地分析软弱层的倾角、埋深、弹性模量、厚度、泊松比和剪切刚度等因素对地震波放大现象的影响,得出边坡坡顶放大系数的变化规律,即随着软弱层倾角的增大,放大系数呈现出增大→减小→再增大→再减小,并出现地震响应减弱的现象;放大系数随软弱层埋深和厚度的增加而增大,但随弹性模量、剪切刚度的增大而减小,随泊松比的增加几乎不变。结合非重复性试验二元方差分析评价理论,对所得的放大系数进行计算分析,得出软弱层的特性因素对边坡放大作用的影响强度为软弱层的倾角＞埋深＞弹性模量＞剪切刚度＞厚度＞泊松比。研究结果有助于进一步揭示地震作用下边坡的失稳机制, 对震区边坡灾害的防治有一定的指导意义。     

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。     

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。     

地震波频率对层状岩质边坡动力响应影响的试验研究

利用振动台模型试验探讨反倾层状岩质边坡的动力响应规律,通过输入不同频率、激振强度、持时的正弦波,监测模型边坡的加速度响应,着重分析频率对模型边坡加速度动力响应特性的影响。试验结果表明:①地震波频率对模型边坡动力响应的影响有两种不同的表现形式。当输入波频率小于等于模型边坡自振频率时,随着频率的增大,模型边坡的高程放大效应增强。②当输入波频率大于模型边坡自振频率时,随着频率的增大,模型边坡的高程放大效应减弱甚至消失。模型边坡的动力响应随高程的增加经历先减小后增大的变化趋势;模型边坡底部的加速度响应相对增强,甚至大于中上部响应强度;模型边坡各点的加速度放大系数基本小于1.0。③频率小于等于模型边坡自振频率的地震波往往造成模型边坡顶部和浅表部的变形破坏,频率大于模型边坡自振频率的地震波则造成模型边坡底部的变形破坏。④频率、激振强度、持时均对模型边坡的动力响应产生影响,但频率的影响最为显著,激振强度次之,持时的影响最弱。     

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。     

Analysis of an anti-dip landslide triggered by the 2008 Wenchuan earthquake in China

The Guantan landslide, with a total displaced mass of about 468 × 10⁴ m³, was triggered by the 2008 Wenchuan earthquake and succeeding rainfall in Jushui Town, Sichuan Province, China. The landslide occurred on an anti-dip hard rock slope with a weak rock founding stratum of 200 m in thickness. To investigate the failure mechanism of the Guantan landslide, dynamic behaviors of hard and soft rock slopes were investigated by means of large scale shaking table tests. The laboratory models attempted to simulate the field geological conditions of the Guantan landslide. Sinusoidal waves and actual seismic waves measured from the Wenchuan Earthquake were applied on the slope models under 37 loading configurations. The experimental results indicated that deformation mainly developed at a shallow depth in the upper part of the hard rock slope and in the upper (near the crest) and lower (near the toe) parts of the soft rock slope. An equation for predicting the depth of sliding plane was proposed based on the location of the maximum horizontal acceleration. Finally, it was concluded that the failure process of the Guantan landslide occurred in three stages: (1) toppling failure caused by compression of the underlying soft rock strata, (2) formation of crushed hard rock and sliding surface in soft rock as the result of seismic shocks, particularly in the horizontal direction, and (3) aftershock rainfall accelerates the process of mass movement along the sliding plane.     

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.      

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。     

隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道仰坡的动力响应特性及仰坡坡体和衬砌结构的相互作用,设计并完成了隧道洞口段大型振动台模型试验。试验结果表明,地震作用下仰坡的加速度反应存在显著的非线性放大效应和趋表效应;当输入地震波幅值超过0.6g时,土体的非线性反应明显增强,加速度放大系数显著降低,表现出放大效应饱和的特性,且沿坡体竖直向上,加速度分布逐渐表现出平均化的趋势;隧道洞口段仰坡水平向动力反应受隧道结构存在的影响较小,可简化为自然边坡进行分析;仰坡的动力失稳是影响衬砌结构安全性的重要因素,当输入地震波幅值较小时,竖直向地震作用下衬砌主要受力部位受力要大于水平向地震作用,当幅值较大时,水平向地震动对衬砌结构的影响则明显大于竖向地震动;均质仰坡的破坏部位主要位于仰坡坡肩至坡面上部,破坏过程表现为地震力诱发-坡肩土体拉裂张开-坡肩土体倾倒崩塌-崩塌的土体沿坡面滑落碰撞-形成碎屑流堆积于坡脚。模型试验的结果能为山岭隧道洞口段的理论分析、计算和设计提供指导和依据。     

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。