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地震作用下边坡工程动力响应与永久位移分析

徐光兴  
【摘要】:作为岩土工程和地球环境工程中的重要课题之一,地震作用下边坡的稳定性问题事实上涉及两个层面,即具体边坡工程的地震稳定性分析和区域性的边坡地震稳定性评估,每个层面的研究都有许多问题需要突破。特殊的地理地质条件和地震构造活动决定了边坡地震稳定性问题在我国特别突出,当前,我国的公路、铁路、水利等基础设施建设正处于高速发展期,这就对具体边坡工程的抗震设计和区域性滑坡风险评价提出了更高的要求,现有的理论和实践尚不能很好地满足这一需求;汶川地震在造成大量崩塌、滑坡等同震地质灾害的同时,也极大地改变了震区的山地灾害成灾环境,使得龙门山地区原本脆弱的地质环境变得更为恶劣,因此,震后次生山地灾害成灾环境演变程度的评估已经成为灾后重建所面临的亟待解决的关键科学问题。 围绕国家基本建设和汶川地震灾区规划重建的国家需求,基于汶川地震边坡震害调查、大型振动台模型试验、数值模拟和理论分析等技术手段,论文较为系统地研究了地震作用下边坡的动力特性和动力响应规律、永久位移的分析计算、基于位移控制的抗震设计方法、区域性边坡永久位移的预测以及汶川震区山地灾害成灾环境演化规律等科学问题,涉及到边坡地震稳定性分析微观和宏观两个层面的若干问题。主要工作及研究结论如下: 了解地震作用下边坡的动力响应规律及其影响因素有助于揭示边坡的动力失稳机制,进而指导抗震设计。利用单面坡和自由场,单面坡、凹形坡和凸形坡两组振动台模型对比试验,结合数值分析,研究了地震作用下边坡的加速度和动土压力响应规律,以及地震动参数、边坡形态对动力响应的影响。结果表明,边坡对输入地震波存在垂直放大和临空面放大作用;随着输入地震动幅值的增加,坡面加速度峰值放大系数呈现明显的递减趋势,表现出“量级饱和”特性;单面坡、凹形坡、凸形坡的振动台模型对比试验表明,就加速度动力响应而言,边坡坡形中总体上以单面坡最为有利,凹坡存在变坡点以上加速度急剧放大效应;边坡的永久位移随输入地震波振幅、持时的增加显著增大,随输入地震波卓越频率的增大而减小;输入地震波经过模型土介质传播后,其频谱特性会发生明显的改变,边坡土体对输入波的低频部分存在放大作用,对高频部分存在滤波作用,在模型自振频率附近,其频谱成分的变化幅度较之其它频段显著增加。 边坡的动力特性是边坡体的固有动力学特性,深入研究地震作用下边坡动力特性的变化规律,有助于我们从坡体内在因素的角度认识边坡动力损伤过程,了解其动力破坏失稳的机制。介绍了传统的模态分析和传递函数理论,探讨了边坡动力特性参数的识别技术,建议利用绝对传递函数的虚部进行动力特性参数的识别。利用单面坡和加筋土单面坡两组振动台模型对比试验,研究了边坡动力特性的变化规律及其影响因素。随着振次的增加,模型边坡的自振频率逐渐降低,阻尼比逐渐增大。随着输入地震动幅值的加大,模型边坡自振频率降幅显著增加,阻尼比增幅也有随振幅加大而增加的趋势。当边坡的自振频率与输入地震波卓越频率相近时,自振频率的降幅增大。加筋土边坡模型的动力特性变化规律及其影响因素与纯土质边坡类似,但加筋可显著提高模型边坡的自振频率,使其远离地震波的卓越频率,从而减小地震作用效应。在相同的加载制度作用后,加筋土边坡模型的自振频率降幅远小于土质边坡模型。 汶川震区边坡支护结构的震害调查发现,预应力锚索加固边坡表现出优良的抗震性能,为研究其抗震机理以便指导工程设计,开展了锚杆加固边坡的振动台模型试验。结果表明,地震作用下,锚杆加固模型的加速度放大系数明显小于不加锚杆模型,尤其在中震和大震情况下更为显著;大震工况下,边坡越高,锚杆加固对边坡加速度放大效应的抑制作用越明显:设置锚杆后整个坡体的自振频率有所提高,能对地震激励的共振有所避开,有利于减小地震作用效应;在相同加载制度作用下,锚杆加固边坡模型的自振频率降幅远小于土质边坡模型;随着输入地震波幅值的增加,锚杆轴力显著增加,并且幅值越大,轴力增幅越大,输入地震波的频率对锚杆受力影响不大,地震波的类型对锚杆的受力影响明显。 随着对边坡动力稳定问题研究的深入,用单一抗震安全系数评价动力稳定性的不足已经得到普遍的认识。边坡的永久位移量化了边坡的受损程度,为坡体稳定性判识提供了一种可靠的依据。利用能量守恒原理,分析了地震作用下边坡的能量反应过程,提出了一种基于能量原理的边坡永久位移计算方法。研究发现,当滑动面倾角较小,且地震加速度较大或坡体自身稳定性较差时,反向位移不容忽略,否则算得的永久位移偏于保守;不考虑竖向加速度的临界加速度为一常数acd,考虑竖向加速度后成为一个随时间变化的临界加速度时程acd(t),利用acd代替acd(t)计算永久位移可能产生较大的误差;地震对滑坡主要产生触发作用,而由重力势能降主导边坡发生的永久位移量;设置支护措施后,可显著提高边坡的正向临界加速度,亦即提高边坡的抗震性能。基于位移控制的边坡工程抗震设计方法可提高抗震加固措施设计的经济性,较之拟静力法更为科学。通过锚索加固边坡永久位移的分析,探讨了基于位移控制的边坡工程抗震设计方法。 国家基本建设中对待规模大、分布广的地震滑坡灾害问题,行之有效的方法就是在土地利用的规划阶段就考虑地震滑坡这一灾害问题。位移预测模型可以方便地用作区域性地震滑坡风险评价和震后滑坡灾势评估。利用汶川地震强震动记录,提出了适用于四川及其邻近省份等西部山区的边坡永久位移预测模型。发现基于强震动记录回归得到的永久位移测模型具有区域相关性,有必要在积累我国强震动记录资料的基础上,建立适用于各区域的位移预测模型。虽然Arias强度从物理意义上较PGA更能反映地震动特性,但计算复杂,并且以其作为回归参数的模型预测精度未见提高,建议采用以临界加速度比为参数的位移预测模型。 汶川地震极大地改变了震区的山地灾害成灾环境,使得龙门山地区原本脆弱的地质环境变得更为恶劣,在地震发生后相当长一段时间内崩塌、滑坡等山地灾害都可能非常活跃。基于位移预测模型的理论框架,建立了强震区坡体损伤位移计算模型,定义了临界残余强度位移量和临界破坏位移量,作为衡量坡体损伤严重程度的判据。建立了基于地震坡体位移原理的一种山地灾害成灾环境演变分类体系:Ⅷ度及以下烈度的Ⅰ类区域为次生山地灾害环境轻度损伤区,地震发生时局部地区发生崩塌滑坡,震后以浅表层次生山地灾害为主,地质环境5年内基本可以恢复;地震烈度Ⅸ度及Ⅹ度弱的Ⅱ类区域为次生山地灾害环境严重损害区,地震时相当程度上诱发崩塌滑坡,震后次生山地灾害也会相当活跃,地质环境恢复期在5-10年左右;Ⅹ度强及以上烈度的Ⅲ类区域为次生灾害环境极度脆弱区,地震时大量触发崩塌滑坡,震后极易发生大规模次生灾害,地质环境恢复期在10年以上。Ⅹ度强及以上高烈度区山地灾害成灾环境已发生剧变,岩土体损伤严重,极易形成崩塌滑坡,是震后山地灾害防治的重点区域,灾后重建工作宜缓行。


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