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。     

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。     

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。     

顺层岩质边坡地震动力响应研究

地震作用下边坡的动力响应研究是边坡动力稳定分析的基础,利用FLAC3D有限差分软件建立一个顺层岩质边坡动力数值模拟模型,对其在竖向和水平向地震耦合作用下的动力响应全过程进行研究。研究表明,地震竖向和水平向耦合作用模拟比简单的模拟水平向振动更加接近实际情况,对岩土体的破坏更大;顺层岩质边坡在耦合地震作用下存在垂直放大和临空面放大作用;坡面水平向和竖向加速度均随高程增加呈增大趋势,在结构面处增大特别明显;竖向地震波产生的水平与竖向拉裂是触发斜坡体产生初期崩滑破坏的主控因素;边坡动力响应特征值的放大效应表明,其放大系数值从大到小依次是：竖向加速度＞水平加速度＞竖向速度＞水平速度;耦合地震波作用下,随着av /aH的增大,坡面监测各点横向位移基本呈增大趋势,说明竖向地震作用起了重要的破坏作用。     

水平向与竖向地震动的时间遇合模式对边坡动力安全系数的影响

通过沿滑面的应力积分法和动力时程分析法,研究了水平向、竖向地震动单独作用对边坡动安全系数的影响,发现竖向地震动与水平向地震动一样也对边坡抗震稳定性有显著的影响。在此基础之上,重点探讨了实际地震的双向地震动同时作用时,其时间遇合模式对动力安全系数的影响,结果表明,常用的加速度峰值遇合模式和随机遇合模式都不能充分体现出竖向地震动与水平向地震动的叠加效应,进而造成对安全系数的高估;文中提出的最大地震作用效应遇合模式才是最危险的遇合模式,其所得稳定性安全系数时程的极值更小。在考虑多向地震的边坡抗震分析中,由于多维地震动的强烈随机性,应考虑出现这种最大地震作用效应遇合的可能性,以得到工程设计中偏于安全的动力稳定性安全系数值。     

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。     

传递函数分析在边坡振动台模型试验的应用探讨

传递函数分析对获取振动系统的动力特性参数及估算动力响应具有重要意义。边坡地震模拟振动台模型试验可求算两种传函：反映边坡各点的场地地震动特征的绝对加速度传函（基于测点实测加速度时程）和反映坡体本身振动性质的相对加速度传函（基于测点与坡脚即台面间的实测加速度相对时程）。以弹性体振动方程分析和试验实测,探讨了边坡振动台模型试验中动力特性参数计算的传函选择和以传递函数对动力响应的估算,得出结论：（1）不同于机械模态分析（以绝对传函的模和虚部计算动力特性参数具有等价性）,对于边坡模型试验,绝对传函实部和模混入了台面加速度影响,以绝对传函虚部或相对传函虚部才能正确计算动力特性参数;（2）传递函数和台面输入波形Fourier谱的逐频相乘得到动力响应估算谱,与测点实测响应Fourier谱吻合较良好,这种估算方法有助于对不同地震波作用下的边坡动力响应作出总体评价,并指导模型试验中地震波形的合理选取。     

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。     

加筋土边坡地震稳定性动点安全系数分析方法

对于地震作用下的土工合成材料加筋土边坡,边坡内部结构的动力响应十分复杂,按照已有的安全系数的方法评价比较困难。结合安全储备系数的原理,并考虑到水平方向和竖直方向地震荷载的共同作用,提出求解加筋土边坡地震稳定性的动点安全系数时程分析方法。在理论分析的基础上,分别定义加筋土边坡土体、土工合成材料和筋-土界面的动点安全系数,并建立数值模型。根据所定义的动点安全系数,在计算过程中使用开发的计算工具对动力响应过程中的动力特性数据进行记录、计算和存储,得到加筋土边坡数值模型在地震荷载作用下的动点安全系数。分析结果表明：动点安全系数时程分析方法具有良好的工程适用性;动点安全系数时程分析方法对复杂的加筋土边坡工程进行的地震稳定性分析考虑了加筋土边坡不同结构的综合稳定性,比现有的分析方法更明确地反应出加筋土边坡工程中相对薄弱的结构,对加筋土边坡工程的抗震设计提供一定参考价值;相比水平方向的地震,竖直方向的地震作用对加筋土边坡中筋材和筋-土界面的稳定性影响较大,但对加筋土边坡土体稳定性影响较小。     

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。本文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它部位;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0.48处（即隧道拱顶）的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。     

基于改进局部安全度的爆破作用边坡稳定性分析

由于边坡滑动是渐进破坏的过程,研究其局部安全程度有重要意义。建立了改进的局部安全度(ZSI)计算方法,可统一表征局部岩土体弹性、塑性和破坏不同阶段的稳定状态,通过静力边坡的离心加载数值试验分析,验证了ZSI指标有效性。对爆破影响的边坡进行时程动力数值模拟,获得了不同爆破参数下边坡局部安全指标分布模式。结果表明,随着爆破荷载幅值、孔隙水压和荷载作用时间的增加,ZSI的负值区域逐渐增大,滑动面也不断延伸和贯通;振速增大区局部集中在滑动体,破坏区域主要集中在爆源附近和滑动面;爆破作用下孔隙水压对边坡滑动面破坏影响最为明显,而爆破作用时间对边坡爆源附近破坏影响最为明显。文中研究方法和结论对于深入认识爆破作用边坡的渐进破坏机制有积极的意义。     

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.      

不同安全系数对应的边坡滑动面位置分析

为了探讨强度折减计算边坡稳定性过程中安全系数和滑动面之间的关系,针对一均质边坡算例,通过理论分析和FLAC3D强度折减法数值计算,分析当黏聚力 和内摩擦角 变化时,边坡安全系数和滑动面位置的响应情况,结果表明：(1) 边坡的安全系数受到黏聚力或内摩擦角中任一值的影响,而滑动面位置受到两者组成的函数 （ ）的影响;(2) 当 为定值时,改变抗剪强度参数 和 并不能引起滑动面位置的变化;当 增大时,边坡破坏模式由浅层破坏转变为深层破坏,滑动面越来越缓,其上缘逐渐远离坡顶,滑体的体积增大。     

基于滑面正应力分布的爆炸震动荷载作用下边坡稳定性分析

假定滑面正应力分布为2个待定参数的拉格朗日函数,推导出爆炸震动作用下滑体的水平力、垂直力和力矩平衡方程。通过算例分析证实计算方法的可行性,说明爆炸振动拟静力系数与边坡安全系数的关系。研究结果表明,垂直向下、水平指向坡外的爆破振动荷载以及两者的联合爆破荷载对边坡稳定性安全系数有很大的影响;爆破荷载拟静力系数从0增加到0.3 ,每步增加 0.05,爆破振动水平指向坡外时,边坡安全系数减少6.65%～23.54%,爆破振动垂直向下时,边坡安全系数减少1.18%～2.52%, 联合爆破荷载的方向对边坡稳定性也有影响。     

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。     

Dynamic stability analysis of rock slope considering the strength vibration degradation of through-type rock discontinuitiesEI北大核心

考虑结构面抗剪强度震动退化效应对分析与评价岩质边坡动力稳定性具有重要意义。基于岩石动力试验获取了多因素影响的结构面强度震动退化系数方程,结合极限平衡理论和动态矢量法原理,以UDEC程序作为计算引擎,采用其内置Fish语言编程实时刷新结构面强度特性参数和捕获任意地震历时时刻边坡地震惯性力,并以最小平均安全系数法求解边坡最终动力稳定性评价指标值,从而提出了一种考虑结构面强度震动退化的边坡动力稳定性系数动态算法。研究表明:结构面强度震动退化系数是取决于岩块间循环剪切次数、循环剪切幅度及相对运动速度响应值的动态变量;将该算法应用于含贯通型平直状结构面边坡动力稳定性算例中,其分析结果表明,动力作用时程内考虑结构面强度震动退化的边坡动力稳定性系数较未考虑该效应时的系数衰减更为明显,即前者计算结果更符合一般性自然规律,亦即验证了该算法的可行性;结构面最小强度震动退化系数随动力激励时程变化近似呈负指数函数形式逐渐衰减,且当结构面初始黏聚力(内摩擦角)越大、而坡角(层面倾角)或动荷载幅值(频率)越小时,地震历时过程中边坡最小动力稳定性系数越大,此时边坡最终动力稳定性相对越强。     

边坡稳定性二元指标体系与应用研究

边坡稳定性影响因素如:强度参数、降雨、地下水、人类工程活动等都具有很高的离散性、变异性、相关性,对安全系数的影响不是确定不变的,而是服从一定统计规律的概率分布。在每个影响因素的置信区间内,取对称的几个值作为不同水平,如三水平取值等,组合不同因素和水平,计算得到系列的安全系数值。取影响因素的平均值,计算得到传统的安全系数(中值安全系数),同时由安全系数的变异性,求出安全系数的可靠性。选择典型的安全系数及相对应的可靠性,基于工程经验丰富的安全系数,初步建立传统安全系数与可靠性耦合的边坡稳定性二元指标体系,由安全系数和可靠性共同度量边坡系统的稳定性。传统安全系数与可靠性耦合的边坡稳定二元体系的初步建立,可有效地考虑边坡系统内实际存在的不确定性和相关性,使边坡的稳定性评价更加客观精确,为边坡安全和滑坡灾害的风险性管理提供理论和方法。论述了边坡稳定性二元指标体系研究意义、研究内容、研究方法和研究趋势。     

Stability analysis of the slope around flood discharge tunnel under inner water exosmosis at Yangqu hydropower station

The stability of the slope around a flood discharge tunnel is influenced by the space topography, the geological structure, the seepage of the flood discharge tunnel, the rainfall and so on, which introduce complexity and uncertainty to the problem of slope engineering. For slope stability analysis at the outlet of a flood discharge tunnel affected by high interior hydraulic pressure, the inner water exosmosis (IWE) phenomenon will become obvious, the rock’s mechanical properties will be changed, and the seepage effects of the flood discharge tunnel should be focused on. In this paper, a complicated three-dimensional (3D) numerical simulation and safety assessment of the slope around the flood discharge tunnel at Yangqu hydropower station is implemented in FLAC^3D, and 3D slide arcs of good shape are obtained. When calculating the safety coefficient of slopes, the Shear Strength Reduction Technique (SSRT) is adopted, and a factor of safety (FOS) is then found. It is found that the FOS of the natural slope is 1.43 in its original condition, and in this case, the slope is in a stable state. The safety factor of the slope is 1.30 after the slope excavation without considering IWE. Under the condition of normal seepage from inside the tunnel to the outside, the safety factor is 1.29. For investigating the influence of IWE on the slope stability, we design three types of scenarios – minimal seepage, normal seepage and serious seepage – for the fluid–solid coupling calculation. Under the serious seepage condition, the safety factor of the slope is 1.26, and it is in a critical failure state. It should be pointed out that uncertainties in input parameters are not researched in this paper. There is not big difference among safety factors under different scenarios mainly because the maximum of inner water head of the flood discharge tunnel is only about 80 m. It still can be found that seepage action has an effect on the stability of the whole slope from calculation results. The stress concentrated region (SCR) near the surrounding rock grows from inside to outside as the seepage intensity increases. The surrounding rock will experience more water pressure and seepage pressure, and, at the same time, the area of the plastic zone grows. Suitable treatments and suggestions are discussed to eliminate the adverse effects of IWE. The research results in this paper can provide a reference for construction, reinforcement and drainage design of the slope in similar hydropower slope engineering scenarios.