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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.      

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。     

土质边坡动力稳定性试验研究

以云贵高原某典型土质边坡为原型,采用了4种加速度震动波输入模式,设计完成了比例为1：6的小型振动台模型试验,结合FLAC^3D数值模拟对边坡动力响应特性和边坡变形破坏规律进行分析。结果表明：当输入加速度低于某个临界值时,整个坡体的加速度响应基本保持一致,各部位放大效应增加不明显,当输入加速度逐渐增加,高于临界值时,坡体的卓越频率得到充分激励,各部位加速度响应大幅增加,此时边坡最易发生变形破坏,且加速度响应沿着坡高方向有显著的放大效应;剪应变增量时程曲线反映出在边坡震动破坏过程中,滑体后缘以张拉为主,中部及下部以剪切为主,而且剪出口剪应变增量的变化尤为关键,其增幅速度直接导致该部位抗剪强度降低速度增快;边坡震动变形破坏模式为崩塌-剪切滑移破坏,变形破坏过程可分为4个阶段。     

强震区隧道洞口段边坡动力响应特征离心振动台试验

强震后隧道震害调查表明,隧道洞口段的震害破坏尤其严重,需进一步加强隧道洞口段边坡动力响应方面的研究。以汶川地震灾区典型隧道洞口边坡为例,通过大型离心振动台试验,研究隧道洞口段边坡在强震作用下的动力响应特征及规律。试验研究表明:(1)在边坡坡面和坡内的加速度放大均具有显著的高程效应;隧道拱顶的加速度放大系数大于隧道其他部位;越靠近隧道洞口的加速度放大效应越明显。(2)不同振幅下坡体的加速度放大效应均十分显著,并且低振幅下的加速度响应大于高振幅下的加速度响应。(3)在维持0.25g振动加速度下不同离心荷载等级下的坡体加速度放大系数均大于2.0;但随着离心荷载的增大,加速度放大系数增长很小。(4)随着边坡高程的增大,动土压力总体呈线性降低,在相对高程为0.48时(即隧道拱顶),其动土压力响应系数最大。研究成果能为强震区隧道洞口段的抗减震设计和相关研究提供借鉴。     

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。     

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.      

斜坡动力变形破坏特征的振动台模型试验研究

以‘5•12’汶川地震灾区典型斜坡岩体组合结构为模拟特征,采用水平层状上硬下软和上软下硬两种岩性组合概念模型,设计并完成了1：100比尺的大型振动台试验。在基本满足相似律的基础上,试验在模型底部输入了不同类型、激振方向和振幅的激励波。根据试验宏观现象显示,斜坡模型的变形破坏特征与地震动参数、岩性组合结构密切相关,其破坏具有累积效应且受层面控制,上软下硬斜坡模型沿层面形成高位滑坡,呈“拉-剪”破坏模式,而上硬下软斜坡模型沿更深层面形成整体式崩塌,在破坏前并无明显的控制裂缝,其破坏时间相对落后于上软下硬斜坡模型     

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.     

黄土边坡动力响应的影响效应研究

根据随机地震荷载作用下黄土动三轴试验的动剪切模量表达式和试验参数编制子程序,采用MSC.Marc软件建立有限元模型,并基于人工合成地震动时程对黄土边坡进行动力响应分析,研究输入地震波的卓越频率、幅值以及入射角变化,对黄土边坡位移、速度、应力的动力响应,分析对响应幅值、频谱的影响效应。由研究结果可见:边坡位移、速度等响应时程的卓越频率远小于地震输入波的卓越频率,边坡岩土介质对地震波的高频成分有过滤或吸收作用; 边坡的动力响应幅值极大的受地震输入波卓越频率的影响,对于给定的边坡,它将对包含某一卓越频率成分的地震动时程的动力响应异常强烈; 输入地震波幅值的变化,只引起边坡动力响应幅值的线性变化,不改变边坡中响应时程的频谱特征; 当地震波以一定角度入射时,边坡动力应力响应时程包含了更多的高频成分,位移和速度响应幅值随入射角的增大而减小,且越靠近坡顶减速越快,而应力响应幅值在坡顶与坡腰、坡脚处具有不同的影响规律; 另外,地震荷载作用方向的改变,还对边坡动力响应放大系数有较大影响,当作用力方向非竖直时,动力响应放大系数随地震波入射角的增大而减小。     

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。     

强震作用下复杂边坡块体破坏模式和破坏特征研究

设计了白鹤滩水电站复杂结构面组合块体边坡的比尺为1:200的大型三维动力模型试验,通过输入不同幅值的地震波,研究地震作用下块体位移时程的响应规律、残余变形的分布规律,揭示边坡块体的破坏模式,评判边坡块体的破坏类别和特征。试验结果表明,工程边坡块体在设计条件下的抗震稳定性较好;在地震超载过程中,残余变形首先发生于后缘裂隙,各超载工况残余变形量由两个三角部位向坡内逐渐减小,三角部位为地震作用下易首先破坏的区域;该边坡块体地震破坏模式为沿底面与侧面的双滑失稳破坏模式。由残余变形量变化过程及地震灾后统计成果分析得出工程边坡的破坏特征:残余变形量小于15 cm且初次出现较明显突变可作为抗震设计允许变形限值;残余变形量大于30 cm后位移突变加强,边坡块体即可能整体失稳。边坡锚固应注意加强块体后缘裂隙的抗拉能力和底面的抗剪能力。     

小角度成层倾斜场地动力响应分析的大型振动台试验研究

基于大型振动台试验,研究小角度成层倾斜场地在倾向、走向、垂向、坡面方向、坡面垂直方向上的地震动响应特征,以及地层倾角对场地反应谱的影响规律。试验结果表明：在倾向方向,随着地层倾角的增大,倾斜场地的放大效应增大;在走向方向,当地层倾角小于12.5°时,放大效应强于水平成层场地;在倾向、走向方向,当地层倾角达到12.5°时,场地对反应谱短周期T≤0.1 s部分具有放大作用,对T＞0.1 s的部分具有削弱作用;在垂向方向,随着地层倾角的增加,倾斜场地的放大效应强于水平成层场地;在坡面方向,倾斜场地的放大效应弱于水平成层场地;在坡面垂向方向,倾斜场地的放大效应强于水平成层场地。该研究成果对小角度成层倾斜场地上的建筑物抗震设计具有一定的参考意义。     

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。     

不同埋深隧道的地震响应振动台试验研究

针对不同埋深下隧道表现出不同震害的特点,对地震响应振动台模型试验进行研究。首先进行了试验方案设计及试验模型的相似比设计,然后对不同地震波类型、地震强度及不同埋深下的隧道依次进行了振动台模型试验。试验结果表明:地震作用下,隧道衬砌应力在隧道埋深较浅时最大,达到一定埋深(约40 m)时,隧道衬砌应力明显减小,之后,隧道衬砌应力随埋深的变化不明显;隧道衬砌应力随埋深的变化规律在不同的地震波类型、不同的地震加速度峰值下相似;不同深度土层的加速度放大系数随着埋深的减小逐渐增大。通过对试验后隧道周边土体观测可知,浅埋隧道周边土体的裂缝多于深埋隧道。试验验证了地震灾害调查结果,为隧道抗震设计提供依据。     

不同含水状态堆积体边坡地震响应特性大型振动台模型试验

堆积体边坡动力响应特性复杂,影响因素众多。已有的大型动三轴试验结果表明,含水状态对堆积体的动剪切模量比与阻尼比有重要影响。针对含水状态这一因素,开展了2组不同含水率的1:12比尺的大型振动台堆积体边坡模型试验,对比分析了其在连续地震荷载序列作用下的加速度响应特性与坡顶位移发展趋势。试验结果表明：2组边坡模型均表现出第一阶自振频率随着加载序列递减、阻尼比随着加载序列增大的现象,但含水率为6.6%时,边坡第1阶自振频率与阻尼比均大于含水率为0.7%的堆积体边坡。堆积体边坡含水率为6.6%时的输入地震动峰值加速度（PGA）放大系数大于堆积体边坡含水率为0.7%时的工况。2组模型坡顶水平响应加速度的傅里叶频谱特征相似,均表现出输入地震波的特征频率越接近模型第1阶自振频率,坡顶水平加速度放大效应越明显,而且从低频侧接近第1阶自振频率的响应比从高频侧接近的要显著。含水率为6.6%的堆积体边坡在多级地震荷载作用下的坡顶永久位移均大于含水率为0.7%的边坡,堆积体边坡含水率为6.6%,坡顶永久位移对输入地震波的频谱特性更敏感。研究结论有助于增强不同含水状态对堆积体边坡动力响应规律影响的认识。