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地震作用下复杂斜坡响应规律研究

罗永红  
【摘要】:汶川大地震诱发了数以万计的地质灾害,震后调查揭示,深切河谷谷坡中上部坡折部位、单薄山脊部位、地形突出部位破坏最为严重,具有明显的地形放大效应。国内外专家虽已意识到这一现象,但苦于实测资料少,而且数值模拟与实际监测数据差异大,难以提出符合实际的斜坡不同高程部位地震动放大系数。目前国内重大工程高边坡仍然采用地震部门提供的单一基岩峰值加速度(未考虑地形放大效应)评价地震工况下的稳定性,这在很大程度上埋下了安全隐患。为了深入探讨这一放大规律,作者在中国地调局及国家基金委的资助下,通过收集汶川主震监测数据,开展震后典型滑坡、崩塌现场调查,以及通过掘进斜坡平硐、设立地表观测剖面对汶川余震作用进行监测,采用统计分析、定性描述、半定量分析、数值模拟等方法,对汶川主震动参数特征,龙门山地区复杂斜坡动力响应特征,及汶川余震在斜坡剖面上的动参数变化特征等进行了研究,并对主震地震波作用下不同条件的斜坡响应进行了数值动力分析,首次较为全面地揭示了复杂斜坡地震动响应规律。主要研究成果及结论如下: (1)首次在河谷两岸斜坡(青川东山~狮子梁)不同高程掘进平硐进行地震动观测,而且监测到多次汶川余震完整剖面数据。参照河谷测点(788m),对8次有感~中强地震分析揭示,东山中部(871m)呈现“凸”型响应,放大系数可达2.0,狮子梁中部(893m)呈现“凹”型响应,即河谷两岸中部相近高程呈现相反动力响应。结合各监测点地质条件、边界特征、地脉动测试成果等研究揭示,斜坡地震动力响应程度微地貌是关键,场地条件具有重要影响作用,即地形凸出及多面临空的东山中部斜坡放大效应最为显著,而潜在滑塌体内的地下水增大了狮子梁中部场地的阻尼,对地震动具有消弱作用。 (2)国内首次对青川~平武活动断裂带附近局部地形设置了地表观测剖面,并监测了多次有感~中强余震。根据青川桅杆梁斜坡地表观测剖面所监测的18次有感~中强地震,参照河谷785m测点分析揭示,桅杆梁805m测点水平及竖直向地震动峰值加速度放大系数为1~3.0倍,875m测点呈现水平南北向峰值加速度选择性放大,放大系数多在4倍以上,且该分量傅里叶谱主频率集中于2.5~5.5Hz。结合监测点地质条件、边界特征、汶川地震的破坏特征及监测结果等研究表明,桅杆梁凸出地形、近EW走向的条形山体对地震动具有明显控制效应,较大振幅及中低频率地震波与地形产生明显的共振效应,使得水平南北方向峰值加速度放大非常明显并导致沿单薄山脊的震裂破坏。 (3)国内首次对前山断裂通过的斜坡地形设置了地表观测剖面,并监测到多次有感~中强余震。根据绵竹九龙镇山前斜坡地表地震动观测剖面所监测的11次有感~中强地震,参照山前平原776m测点分析揭示,斜坡873m测点水平及竖直向动峰值加速度呈现减小,908m测点水平及竖直向地震动峰值加速度均体现为放大,放大系数1~4.8倍。结合斜坡各测点地质条件、边界特征及地脉动测试成果等研究表明,908m测点近距临空面平台地形有利于地震动响应,而873m测点的缓坡地形及断层破碎带不利于地震动响应。 (4)对龙门山及邻近地区振幅大于30gal的228条汶川地震波监测数据进行了峰值加速度及傅里叶频谱的统计分析。揭示了汶川地震动峰值加速度竖向与水平向比值1/2以上占61.9%~64.48%,其中大于2/3占22%~30%,且在距离断层上盘70km以内该比值大于2/3,而断层下盘20~70km,该比值趋于1/2~2/3。傅里叶频谱分析揭示,竖直向主频率值小于3Hz占57%,水平向主频率值小于3Hz约占40%,而上盘竖直向以高频为主且总体大于水平向,下盘则相反。分析表明发震断层的逆冲作用对上盘的竖向能量贡献明显,对震害发育的“上盘效应”具有贡献作用。 (5)对青川县境内的刘家湾、赵家山等滑坡进行了深入调查与分析,揭示了典型地震滑坡的基本特征及成因机理。在此基础上,对斜坡地震地质灾害的发育与断裂活动、地形地貌、岩性、岩体结构、地震波等影响因素进行了耦合分析,提出了强震条件下高位滑坡的形成条件及其运动程式:即滑体沿结构面、风化卸荷带或岩层分界面等快速拉剪破坏→突然的触发效应形成水平抛出或斜向上抛出→空中滑翔→俯冲着陆或铲刮崩撞→碎屑流化过程。 (6)基于震区大量斜坡剖面地脉动卓越频率测试成果(3~6Hz),结合汶川主震地震波傅里叶频谱分析,认为汶川地震丰富的高振幅、中低频率地震波与山区斜坡的共振效应是加重山地次生灾害异常发育的主要因素之一。 (7)对不同地貌、不同性状岩性等斜坡的数值动力分析揭示,地震动峰值加速度放大系数一般可达1.0~2.0倍,局部地形及性状差异岩性的影响作用可使放大系数达到3.0~6.0倍。数值分析显示“内硬外软”性状差异岩性组合斜坡在分界面产生拉应力集中,坡体地震动峰值加速度响应最为强烈,结合调查研究认为在高陡地形条件下“外软”岩体易形成抛射效应。 (8)综合平硐观测剖面、地表观测点监测数据,以及数值动力计算分析等研究表明,随斜坡高程增加地震动峰值加速度呈非线性放大,放大系数一般为1~3.0倍,局部地形的共振效应,岩体物理性状差异变化等作用可使得动峰值加速度的放大系数达到4.0倍及以上。


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