基于振动台试验的岩质斜坡地震动力响应规律研究

发布时间：2019-07-11 07:16

【摘要】：地震在山岳地区常诱发斜坡次生地质灾害，主要包括滑坡、泥石流、崩塌、落石等，由此造成的人员伤亡和经济损失甚至超过因地震直接导致的损失。国内外历次地震震后调查和零星监测资料均显示，地震诱发的斜坡破坏多集中于凸出、孤立的山脊，这些部位的加速度、速度和位移响应往往达到很高的数值，具有地形放大现象。在我国，2008年汶川地震更是全面地揭示了地震诱发斜坡灾害的发育分布与地形、地质和震源参数之间同时存在关系。可以说，国内外学者在这些现象上早已达成共识，由此也衍生出了专门针对这些现象发生前，斜坡体内加速度、速度和位移等物理量响应分布规律的一门研究，即斜坡地震动力响应规律研究。然而，苦于长期缺乏以斜坡为对象的地震现场监测资料，而数值计算结果又与监测结果存在偏差，目前仍然不能就斜坡动力响应规律得出定量结论。在斜坡的抗震稳定性计算中，也尚未提出符合实际的沿高程分布的动力响应放大规律，而是一直沿用将地震力过于简化处理的拟静力法。基于这种背景，恰逢汶川地震过后，在有一部分学者致力于斜坡地震动力响应规律的现场监测研究的同时，笔者参与了对斜坡地震动力响应规律的室内物理模拟试验研究。本论文即是对试验结果的分析和研究总结。 本研究借助大型地震模拟振动台试验，以汶川地震震区斜坡发育的典型岩性和岩体结构类型为重点模拟内容，先后开展了针对10个具有不同特征模型斜坡动力响应规律的试验研究。这些模型斜坡，按照岩性类型可分为软岩斜坡、硬岩斜坡和软硬岩组合型斜坡，按照岩体结构类型可分为均质斜坡、含层状结构斜坡和含软弱夹层斜坡。在试验准备阶段，从最开始的相似关系设计和相似材料选取，到传感器的布置，再到输入波的选取和制定加载方案等一系列工作中，建立了一套完整的适用于岩质斜坡振动台试验的过程设计思路。 本试验研究的重点在于，基于斜坡破坏前采集到的大量加速度和位移数据，揭示这两参量在响应过程中的地形、地质和震源参数作用效应，并形成对斜坡地震动力响应的规律性认识。其中又以地形效应分析为主。主要工作与成果如下： （1）地形效应研究，具体表现为模型斜坡水平分量和竖直分量加速度、位移在坡体不同高程处的响应特征，并对每一分量，又比较在坡表和坡内响应的差异。研究结果揭示了水平分量和竖直分量加速度响应的非线性高程放大效应。除此之外，基于10个模型斜坡在不同激振强度下的加速度放大系数统计结果，表明两分量的放大系数集中分布于3.5的数值范围，相应的Arias强度放大系数则集中分布于10.0的范围。两分量响应的最大区别在于，当相对高程h/H≤0.5时，水平分量加速度放大系数和Arias强度放大系数的高程效应都不明显，其值分别保持在2.0和5.0以内。坡表和坡内响应的比值统计结果则表明，坡表与坡内的PHA（水平分量加速度峰值）比值和Arias强度比值都集中分布在0.8~1.2的范围内，而坡表与坡内的PVA（竖直分量加速度峰值）比值和Arias强度比值则集中分布在0.5~2.0的范围内。结合高程效应的频率域分析，初步揭示了水平分量和竖直分量加速度的高程放大效应均与坡体对地震波高频段的选择性放大有关。 （2）地质效应研究。这部分内容实为在（1）揭示了水平分量和竖直分量响应总体规律的基础上，再具体分析岩性及岩体结构差异对两分量响应的影响。结果表明，在h/H0.5对应的坡体下段，层面结构效应起到主导作用，因模型斜坡结构差异（均质结构与含水平层状结构）导致的最大PHA比值和PVA比值分别达到1.2和2.2。在坡体的上段，则逐渐转为岩性效应起主导作用，因模型岩性差异（软岩和硬岩）导致的坡顶最大PHA比值和PVA比值分别达到2.5和2.1。 当模型斜坡含有软弱夹层时，在坡体中上段（0.75≤h/H≤1.0）和坡底，夹层厚度对两分量的响应起到了控制作用，即因厚度差异（3cm和15cm）导致的最大PHA比值在这两个坡段分别达到了1.7和2.6，最大PVA比值分别达到1.3和3.1。在坡体中下段（0.25≤h/H≤0.5），夹层倾角其到了控制作用，即因角度差异（0o和20o）引起的最大PHA比值和PVA比值分别达到了1.8和1.5。 （3）震源效应研究。重点研究了激振强度对模型斜坡水平分量和竖直分量响应的影响。伴随着激振强度增加，模型斜坡结构出现恶化，并依据共振频率降低程度和宏观变形破坏出现的早晚，分为低、中、高三个等级，，激振强度的影响也因此表现出了截然不同的特征。尽管如此，从水平分量动力响应强度随激振强度的变化规律曲线中，大致可将模型斜坡的动力响应过程划分为三个阶段：响应孕育阶段，对应加速度激振幅值和Arias强度上限值分别为0.3g和0.15m/s；响应触发阶段，对应加速度激振幅值和Arias强度范围分别为（0.3g，0.6g）和（0.15m/s，1.5m/s）；在此之后，为响应突变或稳定阶段。 以上研究结论适用于岩质斜坡，应用到土质斜坡尚待进一步考证。由于振动台试验条件限制，模型所能模拟的原型斜坡高度有限，属低边坡响应（H0.2λ）[159]。尽管如此，本试验成果以期能为岩质斜坡的地震动力问题研究及工程应用提供一定的参考。
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图片说明： 中国位于世界两大地震带（环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带）之间，东边有太平洋板块和菲律宾板块，西边有印度板块，不断向欧亚板块推挤，造成在这些板块边界处及大陆内部断裂带分布纵多（图1-1），地震频繁。尤其是自新近纪以来，在印度板块不断向北移动的推动下，导致青藏高原的形成并逐渐隆升，
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图片说明： [62]提出了地形放大效应、场地放大效应和表观放大效应的概念（图1-2）及其相应的计算方法，如下：地形放大：tffcffcA (aa)amax 场地放大：sffcfftfftA ( a a)a表观放大：afftfftA (aa)amax 图1-2 斜坡不同位置上的加速度示意图（摘自Ashford等[62]）基于陡峭斜坡模型，Ashford等人在时间域上分别计算出了SH波和SV波作用下，水平向和竖直向加速度的这三类放大量。对水平向加速度，地震波斜入射时的地形放大和表观放大总是要比垂直入射时的大，且这种现象随着入射角增大而更显著。地震波斜入射时的场地放大则总是小于垂直入射时的放大，且放大量随着入射角增大而减小。由此表明，对水平向加速度响应，地形影响的相对重要性随着入射角增大而增大。比较同一入射角条件下，表观放大、场地放大和地形放大的量值依次降低。由于波的散射
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU435


本文编号：2512975