含软弱夹层边坡地震动力响应特性研究

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西南山区广泛存在的软弱夹层以及频发的地震,为含软弱夹层边坡的失稳破坏提供了孕灾物质基础和外力条件,使得西南山区极易受到地震滑坡的危害。而随着西部大开发战略和“一带一路”倡议的陆续实施,更多重大基础设施将建在该区域。边坡动力稳定性成为了该区域工程建设的关键问题,作为边坡岩体动力稳定性基础的响应问题,也给科学界和工程界提出了新的挑战。地震动特性以及夹层自身特性会对边坡动力响应产生较大影响,因此本文以数值模拟为技术手段初步探究含软弱夹层边坡的动力响应规律。研究地震动幅值、频率、波形以及软弱夹层厚度、倾角以及边坡波阻抗比对动力响应的影响,并横向对比顺倾、水平、反倾夹层对边坡动力响应产生影响的异同。最后通过实际工程中边坡加固的案例研究其动力稳定性以及响应分布规律。主要的研究结果如下:(1)边坡响应放大系数对于输入地震动的幅值并不敏感。但是对地震动的频率比较敏感,若输入地震动的频率高于边坡的自振频率,夹层产生隔震效应;若输入地震动的频率低于边坡的自振频率,夹层则会产生选择放大效应。当输入地震动的傅里叶谱在边坡自振频率附近频段谱值较高时,边坡的响应较强,且夹层之上主要放大接近边坡自振频率的频段;反之边坡则主要放大地震动主频附近的频段。(2)软弱夹层会对边坡的动力响应产生放大效应,随着夹层厚度与倾角的增大,边坡放大系数呈现增大的趋势;而随着波阻抗比的增加,边坡放大系数呈现减小的趋势。其中顺倾夹层边坡响应主要受夹层厚度与波阻抗比的影响,而反倾夹层则主要受夹层厚度与倾角的影响。较小的波阻抗比或者较大的厚度不利于地震波的透射,在水平与反倾夹层边坡内容易发生隔震效应。(3)软弱夹层的存在使边坡对输入的频谱进行选择放大。顺倾夹层边坡在夹层以上区域发生选择放大且倾向于对接近边坡自振频率的频段进行放大;而反倾夹层边坡在夹层以下区域发生选择放大且倾向于对接近边坡自振频率的频段进行放大;水平夹层上下均倾向于对接近边坡自振频率的频段进行放大。随着夹层厚度与倾角的增加,这种选择放大效应呈现增强的趋势;而随着波阻抗比的增加,这种选择放大效应呈现减弱的趋势。(4)对实际工程边坡进行建模计算,发现竖向的地震作用对于边坡稳定性影响不大,工程抗震设计中可以忽略竖向地震作用只考虑水平地震的影响。边坡破坏模式为沿着软弱夹层下部的“挤出”破坏。坡内傅里叶谱的优势频率为输入地震动的主频。受到软弱夹层的影响,坡表会选择其自振频率附近的频段进行放大。在设计地震动作用下,椅式桩和锚索抗滑桩的加固措施可以限制边坡的变形,起到良好的减震作用。
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