软硬岩组合型斜坡地震动响应的大型振动台模型试验研究

论文摘要

在我国多山、多地震的地质构造背景下,斜坡地震动响应问题突出。2008年的‘5.12’汶川Ms 8.0级地震在山区引发了数以万计的斜坡次生地质灾害,损失巨大。震后,多数学者集中于震源机制、灾害形成机理或灾害风险管理与评价方面的研究,对斜坡的动力响应特性研究甚少。震后调查表明,斜坡的动力变形破坏多见于硬质岩中,在谷坡坡顶和坡形转折带等特殊部位响应尤为强烈。沿发震断裂带分布的极震区,竖向地震动力特征表现明显。对有关斜坡动力响应特性的宏观上的定性认识在国内外并不少见。然而,由于缺乏充足的地震实测数据,加上影响因素错综复杂,实现斜坡动力响应规律的时空定量化统一,从而用于指导工程实践还言之尚早。随着全球逐渐进入地震活跃期,对这一问题的研究必将具有重大的理论和现实意义。本文以‘5.12’汶川地震为研究背景,旨在通过物理模拟试验手段在一定程度上探讨斜坡的地震动响应特性及其规律,其主要工作与成果如下:（1）以‘5·12’汶川地震灾区典型斜坡岩体结构为模拟特征,采用水平层状上硬下软和上软下硬两种岩性组合概念模型,设计并完成了1:100比尺的大型振动台试验。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,建立了一套适合水平层状软硬岩组合型斜坡的试验准备与试验过程设计思路。（2）通过在模型底部输入不同类型（按频谱特性不同分类）、激振方向和振动强度的激振波,观测记录软硬岩组合型斜坡模型的宏观变形破坏特征及与以上输入振动参数的关系。同时,对斜坡模型的失稳破坏机制分析表明,上硬下软组合模型以崩塌破坏为主,而上软下硬组合模型发生“拉-剪”式的滑坡破坏。（3）试验共完成了101个工况的加载,通过布置在坡内和坡表的大量加速度传感器采集到了6000多条加速度水平向和竖直向分量的时程波形数据,随后提取出了每个波形的绝对峰值（PGA）并计算出其相对于台面的放大系数。通过对这些数值的分析比较,获得了两模型的水平向和竖直向加速度动力响应规律,并采用“单因素法”分析了激振波类型、激振方向和振动强度对加速度响应规律的影响。分析结果很好地揭示了加速度沿高程的非线性放大效应,以及水平向与竖直向加速度动力响应特性的差异。结果同时表明,激振波频谱特性的不同导致了模型完全不同的动力响应规律;合成向激振相比单向激振使模型产生了更强的响应;在天然波作用下,随着振动强度的增加,模型在水平向和竖直向的响应强度均有所减弱。（4）最后,对加速度时程波形进行了傅里叶变换,再利用两种常见的傅里叶谱比值初步探讨了模型不同高程部位对振动波的传递特性。两种谱比值较准确地确定了模型的基频分布。另外,模型表面与台面上的水平向加速度谱比值在模型的上段很好地揭示了模型动力响应对着振动强度增加而出现的非线性特征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 斜坡地震稳定性分析方法研究概况
• 1.2.2 地震动响应的放大效应研究概况
• 1.2.3 地震动响应的非线性特征研究概况
• 1.2.4 存在问题及发展趋势
• 1.3 研究内容以及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第2章 斜坡的大型振动台模型试验设计及过程
• 2.1 模型试验研究背景
• 2.1.1 汶川地震诱发地质灾害发育规律
• 2.1.2 汶川地震诱发地质灾害动力特征及成因机理
• 2.2 模型试验相似关系推导
• 2.2.1 相似常数
• 2.2.2 相似指标和相似判据
• 2.2.3 模型试验相似关系
• 2.3 斜坡试验模型设计
• 2.4 模型相似材料及力学特性试验
• 2.5 模型箱的选型与边界处理
• 2.6 试验设备及量测装置
• 2.6.1 地震模拟振动台特性
• 2.6.2 量测装置
• 2.7 传感器的布置方案
• 2.8 模型制作及传感器埋设与固定
• 2.8.1 模型制作
• 2.8.2 传感器的埋设与固定
• 2.9 输入波的选取及加载方案
• 2.10 模型及模型箱刚度验证
• 2.11 振动台模型试验及成果整理
• 2.11.1 模型试验过程
• 2.11.2 试验数据采集成果
• 2.11.3 试验数据预处理成果
• 2.12 本章小结
• 第3章 软硬岩组合型斜坡模型的变形破坏特征及机理研究
• 3.1 斜坡模型的变形破坏特征
• 3.2 斜坡模型的变形破坏成因机理
• 第4章 软硬岩组合型斜坡模型的动响应特性研究
• 4.1 斜坡模型的加速度动力响应基本规律
• 4.1.1 水平向加速度响应基本规律
• 4.1.2 竖直向加速度响应基本规律
• 4.2 地震波类型（频谱）对加速度动力响应规律的影响
• 4.2.1 对水平向加速度动力响应规律的影响
• 4.2.2 对竖直向加速度动力响应规律的影响
• 4.3 激振方向对加速度动力响应规律的影响
• 4.3.1 对水平向加速度动力响应规律的影响
• 4.3.2 对竖直向加速度动力响应规律的影响
• 4.4 震动强度对加速度动力响应规律的影响
• 4.4.1 对水平向加速度动力响应规律的影响
• 4.4.2 对竖直向加速度动力响应规律的影响
• 4.5 竖直向与水平向加速度动力响应比较研究
• 4.6 傅里叶谱在斜坡地震动响应中的初步应用
• 4.6.1 波形分析与频谱分析的关系
• 4.6.2 傅里叶变换分析的基本概念
• 4.6.3 斜坡模型的加速度傅里叶谱特征
• 4.6.4 斜坡模型的加速度傅里叶谱比值分析
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果