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在我国,山地面积约占国土总面积的2/3,存在大量的自然边坡和人工边坡,而且又地处环太平洋地震带和地中海—喜马拉雅地震带两大地震带上,是世界上最大的陆地地震区,地震活动频繁且分布广,是地震次生地质灾害发生频繁的国家。地震能导致斜坡变形破坏、加速山地环境向恶性循环发展,是引起崩塌、滑坡等地质灾害的主要原因,其中最典型的是2008年发生的“5·12”汶川地震诱发了数以万计的崩塌、滑坡地质灾害,造成大量的人员伤亡和经济巨大损失。因此,了解强震作用下斜坡的变形破坏过程,揭示其变形破坏特征及形成机理、研究斜坡动力响应规律具有重要的理论与实际意义。
本文以“5·12”汶川地震灾区典型的拉裂—水平滑移型滑坡为研究背景,对其地质条件进行简化,并在“均质斜坡大型振动台模型试验研究”的基础上,对含有水平层状结构的岩质斜坡进行振动台试验研究。通对试验过程中模型斜坡变形破坏现象进行观测和记录、收集不同地震荷载作用下斜坡各测点上的加速度响应数据,并对其进行处理和分析来研究水平层状斜坡失稳破坏机理和斜坡的动力响应特性及规律,为汶川地震灾区已发生的大型滑坡崩塌提供合理的解释和理论支持,为强震作用下斜坡稳定性分析和结构抗震设计提供科学的依据。通过对试验结果的变形破坏现象以及监测数据进行分析,结合震区斜坡变形破坏现象的调查结果得出了层状结构斜坡动力响应规律,主要取得了一下几个方面的成果。
(1)斜坡变形破坏特征及形成机理方面:强震作用下斜坡的变形破坏首先并主要发生在斜坡的中上部,软岩斜坡的变形破坏以拉裂-剪切滑移破坏为主,并在斜坡中部形成明显的压碎带;硬岩斜坡的变形破坏要晚于软岩斜坡,且会伴随有大量的岩体崩落现象。对比不同地震参数条件下斜坡变形破坏现象可以发现,水平地震力是斜坡破坏的主要因素,且斜坡变形破坏程度随着振动强度的增大而加剧。因此,地震作用下水平层状斜坡变形破坏的主要以拉裂—剪切滑移为主,并在硬岩斜坡中伴随有显著岩体崩落。
(2)水平层状斜坡地震动力响应规律方面:通过对不同地震荷载作用下各测点的加速度响应数据进行对比分析,做出斜坡在不同条件下动力响应加速度的参数变化曲线,研究斜坡加速度动力响应规律及其影响因素。通过大量的对比分析发现:强震作用下水平层状斜坡具有水平向放大作用(临空面效应)和高程放大作用、岩性效应、方向效应和结构面效应,其具体规律如下:
临空面效应:斜坡在不同地震荷载作用下的地形放大系数存在大于1.0的情况,这说明在特定的条件下斜坡具有临空面放大效应,但其放大的位置和程度受斜坡岩性、高程、地震波类型和参数的影响,并且水平层面对Z向地震波在竖直向上的临空面效应影响显著。
高程放大效应:斜坡在不同地震荷载作用下都存在显著的高程放大作用,且主要表现在斜坡的中上部(Z向正弦波除外);斜坡的高程放大作用随高程变化的程度按合成向天然波、单向天然波、正弦波顺序依次减小,合成向天然波作用下斜坡的最大放大倍数是5.5(软岩斜坡坡内),单向天然波的放大倍数最大值是4.5(软岩斜坡坡内),正弦波的放大倍数比较集中于2.2左右。
岩性效应:在不同地震荷载作用下,硬岩斜坡的动力响应主要表现在斜坡的下部,而软岩斜坡则主要表现在斜坡的上部;正弦波作用下,硬岩斜坡主要以竖向拉压作用为主,而软岩斜坡则以水平拉剪作用显著;斜坡在天然波作用下的响应受地震强度影响明显。
方向效应:竖向正弦波作用下,斜坡的加速度响应曲线随频率增加逐渐减小,当频率为15Hz时斜坡的加速度响应值仅为5Hz时的一半,这说明地震波在传播过程中衰减现象显著,频率越高,衰减越快;合成向天然波作用下,斜坡表现出显著的P-△效应,即竖向地震作用会加强水平向地震动力的影响,增大斜坡水平向上的加速度动力响应。
结构面效应:结合强震作用下均质斜坡试验结果,对是否含结构面的岩质斜坡加速度动力响应数据对比分析显示,不同地震荷载条件下斜坡在水平向和竖直向上的层面放大系数基本上都大于1.0,即水平层面对斜坡加速度动力响应都存在放大作用,斜坡在水平向上的层面放大系数最大值为1.35(正弦波)和1.58(天然波),斜坡在竖直向上的层面放大系数最大值为1.53(正弦波)和4.0(天然波),分析发现水平层面结构对竖向地震波的影响较为显著。
本文以“5·12”汶川地震灾区典型的拉裂—水平滑移型滑坡为研究背景,对其地质条件进行简化,并在“均质斜坡大型振动台模型试验研究”的基础上,对含有水平层状结构的岩质斜坡进行振动台试验研究。通对试验过程中模型斜坡变形破坏现象进行观测和记录、收集不同地震荷载作用下斜坡各测点上的加速度响应数据,并对其进行处理和分析来研究水平层状斜坡失稳破坏机理和斜坡的动力响应特性及规律,为汶川地震灾区已发生的大型滑坡崩塌提供合理的解释和理论支持,为强震作用下斜坡稳定性分析和结构抗震设计提供科学的依据。通过对试验结果的变形破坏现象以及监测数据进行分析,结合震区斜坡变形破坏现象的调查结果得出了层状结构斜坡动力响应规律,主要取得了一下几个方面的成果。
(1)斜坡变形破坏特征及形成机理方面:强震作用下斜坡的变形破坏首先并主要发生在斜坡的中上部,软岩斜坡的变形破坏以拉裂-剪切滑移破坏为主,并在斜坡中部形成明显的压碎带;硬岩斜坡的变形破坏要晚于软岩斜坡,且会伴随有大量的岩体崩落现象。对比不同地震参数条件下斜坡变形破坏现象可以发现,水平地震力是斜坡破坏的主要因素,且斜坡变形破坏程度随着振动强度的增大而加剧。因此,地震作用下水平层状斜坡变形破坏的主要以拉裂—剪切滑移为主,并在硬岩斜坡中伴随有显著岩体崩落。
(2)水平层状斜坡地震动力响应规律方面:通过对不同地震荷载作用下各测点的加速度响应数据进行对比分析,做出斜坡在不同条件下动力响应加速度的参数变化曲线,研究斜坡加速度动力响应规律及其影响因素。通过大量的对比分析发现:强震作用下水平层状斜坡具有水平向放大作用(临空面效应)和高程放大作用、岩性效应、方向效应和结构面效应,其具体规律如下:
临空面效应:斜坡在不同地震荷载作用下的地形放大系数存在大于1.0的情况,这说明在特定的条件下斜坡具有临空面放大效应,但其放大的位置和程度受斜坡岩性、高程、地震波类型和参数的影响,并且水平层面对Z向地震波在竖直向上的临空面效应影响显著。
高程放大效应:斜坡在不同地震荷载作用下都存在显著的高程放大作用,且主要表现在斜坡的中上部(Z向正弦波除外);斜坡的高程放大作用随高程变化的程度按合成向天然波、单向天然波、正弦波顺序依次减小,合成向天然波作用下斜坡的最大放大倍数是5.5(软岩斜坡坡内),单向天然波的放大倍数最大值是4.5(软岩斜坡坡内),正弦波的放大倍数比较集中于2.2左右。
岩性效应:在不同地震荷载作用下,硬岩斜坡的动力响应主要表现在斜坡的下部,而软岩斜坡则主要表现在斜坡的上部;正弦波作用下,硬岩斜坡主要以竖向拉压作用为主,而软岩斜坡则以水平拉剪作用显著;斜坡在天然波作用下的响应受地震强度影响明显。
方向效应:竖向正弦波作用下,斜坡的加速度响应曲线随频率增加逐渐减小,当频率为15Hz时斜坡的加速度响应值仅为5Hz时的一半,这说明地震波在传播过程中衰减现象显著,频率越高,衰减越快;合成向天然波作用下,斜坡表现出显著的P-△效应,即竖向地震作用会加强水平向地震动力的影响,增大斜坡水平向上的加速度动力响应。
结构面效应:结合强震作用下均质斜坡试验结果,对是否含结构面的岩质斜坡加速度动力响应数据对比分析显示,不同地震荷载条件下斜坡在水平向和竖直向上的层面放大系数基本上都大于1.0,即水平层面对斜坡加速度动力响应都存在放大作用,斜坡在水平向上的层面放大系数最大值为1.35(正弦波)和1.58(天然波),斜坡在竖直向上的层面放大系数最大值为1.53(正弦波)和4.0(天然波),分析发现水平层面结构对竖向地震波的影响较为显著。