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。     

强震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡 动力响应规律试验研究

青藏高原东南三江流域沿江分布着数以万计的古滑坡和潜在滑坡,对在建的川藏铁路构成严重的威胁。通过振动台模型试验研究了强震作用下含软弱夹层顺层岩质斜坡的动力响应规律。分析不同地震动参数、输入波类型和软弱结构面对斜坡动力响应规律的影响。试验结果表明:斜坡的自振频率随着输入地震波次数的增加而逐渐降低,振动强度为0.3g和0.6g是斜坡启裂和失稳的临界动力条件。斜坡具有明显的高程效应,加速度放大系数沿坡表呈现先增加、后减小、再增加的趋势,在1/4坡高和坡顶处较大。坡内竖直向加速度放大系数随高程增加呈现线性增加的趋势。频率对斜坡动力放大响应影响较大。斜坡对低频地震波的放大效应不明显,甚至有抑制作用。随着频率的增加,斜坡的动力放大效应越来越明显。随着幅值的增加,斜坡加速度放大系数呈现先增大后减小的趋势,在振动强度为0.3g~0.4g时达到最大值。不同类型地震波作用下,斜坡对天然波的放大作用高于人工合成波。软弱夹层的存在使输入的地震波出现了明显的放大,并通过快速傅里叶变换(fast Fourier transform,简称FFT)发现,软弱夹层的位置对输入地震波的频段的敏感程度不同。该试验揭示了含软弱夹层顺层岩质斜坡在强震作用下的动力响应规律,为进一步研究此类斜坡的失稳破坏机制和防治提供了依据。     

强震作用下液化场地群桩动力响应及p-y曲线

为研究液化场地中群桩在强震作用下的动力响应特征及桩侧土抗力-桩土相对位移（p-y）曲线规律,依托海文大桥实体工程,基于振动台模型试验,开展了0.15g～0.35g地震动作用饱和粉细砂土层不同埋置深度下的砂土孔压比、桩身弯矩及p-y曲线动力响应研究。结果表明：地震动强度达到0.25g时,不同埋置深度下的饱和粉细砂土层孔压比均大于0.8,产生液化现象,且随埋置深度增加,孔压比增长时刻明显滞后;不同埋置深度下,桩身弯矩最大值均位于液化土层和非液化土层分界面处;同一埋置深度时,随地震动强度的增大,p-y曲线所包围的面积逐渐增大,其整体斜率逐渐变小,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐增大,桩周土体刚度逐渐减小;随埋置深度增加,p-y曲线所包围的面积逐渐减小,其整体斜率逐渐增大,说明桩-土相互作用动力耗能逐渐减小,桩周土体刚度逐渐增大。因此,液化场地桥梁群桩抗震设计时,应综合考虑液化土层与桩基础的相互位置关系,确保桩基础在液化土层与非液化土层分界处的抗弯承载能力。     

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。     

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.     

泥石流冲击桥墩动力相互作用物理模型试验

在我国西部山区地震、地质活跃带,泥石流灾害对位于泥石流沟道、沟口等位置处的桥墩构成重大威胁。如何量化描述泥石流冲击桥墩的动力过程,是泥石流减灾领域拟要解决的一个重要科学问题。以泥石流灾害威胁成兰铁路沿线桥墩的工程背景为基础,依托大型泥石流模拟系统,进行多组室内大比例泥石流冲击桥墩物理模型试验。研究泥石流流速、流深以及流体特征参数与泥石流冲击压力的相关性。试验结果表明:冲击过程主要受到弗汝德数Fr和雷诺数Re两个无量纲数控制,稀性泥石流冲击压力主要控制参数为Fr,而对于黏性泥石流则同时有Fr和Re的影响;不论是对于峰值冲击力还是冲击功率谱,不同类型泥石流差别显著;在相同重度等条件下,稀性泥石流具有更大的冲击能量;此外,各种类型泥石流通过临界Fr线得到了本质上的区分。研究成果将为桥墩抗泥石流冲击结构设计提供技术支持及科学依据。     

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。     

既有深坑边坡、结构共同作用的动力响应研究

城市周边废弃矿坑逐渐被利用起来以建设大型公共服务项目,建筑群以边坡作为基础将引起新的技术难题。采用大型振动台试验对地震作用下既有深坑边坡、单跨和多跨框架结构的动位移及结构动内力进行了研究。研究结果表明：地震波类型、幅值和激振方向对模型动力响应均有影响,不同地震波对模型动位移和内力的影响存在差异,动位移随激振幅值的增加而增加,双向激振比单向激振引起的动位移大,与激振同方向的位移较其他方向大;单跨和多跨结构控制位移的能力在高强度地震激振下才有差异,后者比前者控制位移的能力强,但柱子内力较前者大;由于结构与地基的共同作用,整体性好、刚度大的结构可提高地基的抗震性能,多跨结构地基较自由场动峰值位移小2.5%～8.8%,永久位移小13.6%～62.1%。试验结果有助于揭示深坑边坡在地震作用下的失稳机制,为深坑边坡及构筑物的抗震设计提供有益的参考。     

地震作用下有砟轨道路基动力响应规律振动台试验

以京沪高铁CRH380BL高速动车组为原型,根据相似定律设计完成了1:10比尺的铁路有砟轨道路基振动台模型试验,研究分析了路基的加速度、土压力和位移响应规律。模型尺寸为9.6 m×3.5 m×1.0 m(长×宽×高),包括列车、有砟轨道和路基部分。试验结果证明:随高程增加,水平加速度峰值放大系数逐渐增大,基本上稳定在1.0～2.5,竖向加速度峰值放大系数则呈现先增加后减小的规律,基本稳定在1.5以内。随着输入地震动强度的增大,水平加速度峰值放大系数与高程成正比例关系,非线性关系逐渐增强,竖向加速度峰值放大系数最大值位于距离底部H/3处向2H/3处转移(H为路基高度),在输入峰位加速度(PGA)为0.3g时,水平、竖向加速度峰值放大性均达到最强;随着输入地震动强度的增大,填料中峰值土压力强度逐渐增大,在输入波PGA为0.4g时,土压力强度达到最大,路基中心截面土压力强度随高程增加有先增加后减小的趋势,最大土压力逐渐由距离路基底部H/3向2H/3位置转移;在输入地震波PGA为0.05g时,路基表面、路基底部的土压力强度沿着路基体水平方向呈线性分布,前者离路基越远、土压力越大,后者则是基本不...     

强震作用下松散海床地基的动力响应

海上和沿海区域砂性土地基在强震作用下需同时考虑液化、震陷以及流滑效应。选用杨朝晖叠套屈服面模型,提出了获取计算参数的简化方法,用OpenSees验证了该模型模拟液化的能力;开发了OpenSees与ANSYS的接口,对处于强震地区、地基土为松散砂性土的印尼某进水明渠堤坝进行了非线性有限元动力计算,判断了场地的液化情况,预测了堤坝及地基的震陷量和侧向流滑,计算结果对该类地基的加固处理具有一定的指导意义     

纵向非一致激励下自由场土体的非线性地震反应研究

土体地震反应分析对结构的地震反应和抗震安全性评价具有重要的意义,以大型振动台模型试验为手段,研究一致激励和非一致激励下自由场土体的非线性地震反应规律及其影响因素,能够为结构的地震破坏机制分析提供支撑。通过对场地土体的动力特性、加速度响应、剪应力-剪应变曲线以及土体沉降的分析,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;在大震或纵向非一致激励作用下,土体运动的不一致性导致了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体刚度弱化,土体的非线性发展相对较快;土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况。所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。     

堆积层滑坡地震动力响应的物理模型试验

以玉树7.1级地震诱发的玉树机场路堆积层滑坡为对象,该滑坡坡度约为10o,长×宽×厚为317 m×482 m×19.8 m,由以碎石土为主的上覆层、卵石土为主的滑动带及基岩3层组成,开展大型振动台模型试验,探究震后边坡再次承受振动荷载的能力以及地震垂直分量对坡体稳定性的贡献,分析其动力响应特征和失稳破坏机制。结果表明,强震作用下堆积层滑坡的永久变形是造成地震地质灾害的重要因素;随着输入地震荷载增大,坡脚率先破碎沉降,坡体中部产生弧形裂隙并产生沉降,坡顶出现贯穿张裂隙和剪切裂隙并向坡腰推进,表现出典型的牵引性滑坡特征;峰值加速度(PGA)、动土压力以及加速度频谱与输入地震波的强度、滑坡高程呈正相关;PGA放大系数呈现出明显的非线性特征,其变化趋势随地震荷载强度增大而减小,地震波垂直分量对滑坡PGA放大系数影响略大于水平分量。     

地震波振幅对黄土-泥岩边坡动力响应规律的影响

研究地震作用下黄土-泥岩边坡动力响应特征,对边坡的稳定性评价和抗震设计具有重要指导意义。基于边坡的离心机振动台试验和数值模拟分析,研究地震波振幅对边坡地震动响应的影响规律,结果表明：由坡体深部至浅表层,黄土-泥岩边坡的水平向和垂向加速度放大效应呈非线性增加,且水平向大于垂直向,在坡体顶部到达最大,表现为趋表效应和高程效应;在边坡内部岩性接触部位,黄土层内动力响应较大,泥岩中动力响应较小,表现为岩性效应;随着输入地震波振幅的增加,坡体动力响应表现为先增大后减小的趋势,当输入振幅达0.3g时,坡体动力响应最大。黄土-泥岩边坡的变形破坏过程为：随输入地震波振幅增加,坡顶逐渐形成拉张裂缝,不断扩展,坡体中上部溜土,产生向临空面方向的位移,坡体中部发生鼓胀隆起,局部坡体振动松散,岩土体滑落至坡脚堆积。     

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。     

桩板式抗滑挡墙地震响应的振动台试验研究

汶川地震路基震害调查表明,在顺层或堆积体边坡中的桩板式抗滑挡墙具有良好的抗震性能。为了更好地了解该结构的抗震性能和优化抗震设计方法,以大型振动台模型试验为手段对其进行研究。为明确地震作用下桩板式抗滑挡墙的地震响应特性,试验采用缩尺的卧龙台站实测地震波对模型激励。试验结果揭示了土压力沿桩身分布规律、桩体位移和边坡岩土体加速度的地震响应特征。研究表明,地震土压力沿桩身呈非线性分布,竖向地震荷载对水平加速度有放大效果。所以,双向加载时的地震土压力比水平单向加载时大,但二者差距在地震基本烈度VII、VIII度区域不显著。滑坡推力、滑床对桩的土体抗力和桩身位移均与输入地震动峰值加速度成正比,即随着地震动峰值加速度的增加,加速度放大比增大;滑动面材料剪切强度折减,滑坡推力、土体抗力和抗身位移均增大,且增大速率加快。此外,结合试验成果,建议了桩板式抗滑挡墙设计时地震综合影响系数Cz的合理取值,对应地震基本烈度VII、VIII、IX度区分别为0.2、0.35、0.4。试验结果有助于揭示该结构抗震机制,也为其抗震设计提供了可靠依据。     

三向地震作用下叠交隧道地震响应振动台试验研究

叠交隧道是涉及隧道之间、隧道与土体相互作用的复杂体系,其安全性将严重影响城市轨道交通建设。目前,对于叠交隧道振动台试验的研究集中在水平平行和交叉叠交隧道、单向和双向地震动输入。鉴于此,利用自行设计的层状三向剪切模型箱,对竖直平行叠交隧道开展三向地震作用下的振动台模型试验,研究地基土−叠交隧道模型体系动力特性、地基土加速度、叠交隧道加速度、地表沉降、地基土孔压、叠交隧道动土压力及叠交隧道应变等地震响应。结果表明：随着震波峰值加速度（peak ground acceleration,简称PGA）依次增加,地基土−叠交隧道模型体系的自振频率随之减小,而阻尼比随之增大;叠交隧道周围地基土加速度和孔压的梯度差随着地震波PGA的增大而增大,且上隧道周围梯度差比下隧道更大;地基土对加速度的放大效应随着地震波PGA的增大而减弱;相同地震波作用下,相同位置处的叠交隧道加速度傅里叶谱形状相似,但幅值随着地震波PGA的增大而增大。此外,与顶部和底部位置相比,腰部位置加速度傅里叶谱频段范围变宽,幅值峰值有所降低;地表沉降峰值随着地震波PGA的增大而减小,相比地基土两侧位置,中心位置的沉降峰值明显较小;地震波的类型对叠交隧道动土压力峰值和应变峰值影响较小;对于动土压力峰值,两隧道的最大值均为腰部,而上、下隧道的最小值分别为底部、顶部;对于应变峰值,上隧道在腰部明显大于顶部和底部,而下隧道在4个位置相差不大。     

路堤震害模式及路堤动力特性研究

为研究强震区路堤的震害模式及动力特性,对汶川地震近场区路堤震害进行了调查,发现路堤震害以边坡上部拉裂、下部鼓张变形破坏模式为主,路堤震害严重程度与地震烈度、护坡措施和路堤本体加固措施关系密切,与路堤高度和地面横坡坡度关系不明显。利用振动台模型试验及数值模拟发现：加速度和动剪应力在路堤中上部增量最大、数值最大,且其最大值所在部位与拉裂缝出现部位基本一致;动土压力和位移在护坡道上方达到最大值,最大值部位与鼓张裂缝出现部位基本一致;张拉裂缝、鼓张裂缝均出现在距坡面3 m深度范围内,表明路堤损害是一种浅表层震害模式。通过动力数值计算,发现不同高度的路堤地面峰值加速度（PGA）放大系数形态呈现3种类型：沿程单调递增形态（h <10 m）、随高程增加而增加→衰减→增加的“三段形态”（h >20 m）以及介于前二者之间的过渡形态（10 m< h <20 m）。利用地震波传播理论对高路堤加速度反应机制进行了解释。     

液化场地桩基桥梁震害响应大型振动台模型试验研究

采用大型振动台进行液化场地桩基桥梁震害响应模型试验,很好再现了自然地震触发场地液化及结构破坏的各种宏观现象。0.15gEl Centro波输入下,上部砂层局部液化,桩-柱墩加速度主要表现为低频反应,桩动应变幅值自下而上很快增大、到达地表则大幅度减小。0.5gEl Centro波输入下,整个砂层全部液化,桩被折断且加速度也主要表现为低频反应,桩动应变幅值自下而上很快增大、到达地表则大幅度减小。砂层液化与否,对桩-柱墩动力反应影响很大。     

强震区桩−土−断层耦合作用下桩基动力响应

为研究桩-土-断层耦合作用下桩基动力响应特性,利用振动台试验选取0.35g地震动峰值加速度时4种类型地震波,研究断层上下盘桩基加速度响应、桩顶相对位移、弯矩及桩基损伤情况。试验表明：断层上盘桩基各项参数明显大于断层下盘,呈现出上盘效应;桩顶峰值加速度大于桩底峰值加速度,上部土层对输入地震波具有滤波作用;桩顶加速度响应相较于桩底具有滞后性;桩顶峰值加速度与桩顶加速度放大系数α在输入El-Centro波时最大;上、下盘α 差值在输入Kobe波时最大;弯矩和桩顶相对位移峰值在输入Kobe波时最大;弯矩在土层分界面处较大,输入不同地震波时弯矩峰值均未超过桩身抗弯能力;提出了强震区近断层桩基可根据验算内容选取合理地震波进行验算的抗震设计建议。