考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质超低摩擦效应理论分析

深部开采条件下,岩体块系介质超低摩擦效应与深部岩体动力灾害密切相关。基于我国矿山深部开采的实际情况,建立了法向荷载冲击作用下,考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质模型,理论推导了含岩层深度参数h的块体运动函数和位移时间函数的解析表达式,据此给出了地下800m煤系地层,岩体超低摩擦效应发生的最大载荷降速率为1.06×105N/s,岩体法向荷载波动周期为0.1 s。研究结果表明:随着岩体法向荷载的显著波动,岩体相对压紧程度趋于减弱,岩体超低摩擦效应易于触发,载荷降速率急剧增大,这可以作为岩体超低摩擦效应的重要表征指标之一。     

含小净距隧道岩石边坡地震动力响应特性研究

采用有限元分析软件建立一个通过大型振动台模型试验验证的边坡动力数值分析模型,研究了地震作用下含小净距隧道岩石边坡的动力响应规律,探讨了隧道结构对边坡动力响应规律的影响。结果表明:1)边坡加速度峰值放大系数沿坡面向上呈现出先减小后增大的非线性变化特征,存在临空面放大作用,边坡会改变输入地震波的频谱成分,对高频段地震波存在滤波作用,对低频段地震波存在放大作用;2)因小净距隧道的存在,含小净距隧道边坡的坡面加速度分布较无隧道边坡表现出明显的非线性高程特性,其坡体最大水平和竖向位移总体上小于无隧道边坡;3)强震作用下坡顶和结构面附近水平位移最大,两隧道中夹岩处及偏压侧隧道左侧拱脚处易发生拉裂破坏和剪切破坏。试验研究结果对含小净距隧道边坡抗震设计及其地震动力反应特性的研究有一定的指导意义。     

基于强度原理的顺层岩质边坡动力安全系数判据研究

基于完全动力的有限差分强度折减法,对6种判据求解地震荷载作用下顺层岩质边坡动力安全系数的有效性和适用性进行分析,并与刚体极限平衡法的计算结果进行了对比。研究结果表明:塑性区和岩体层面剪切滑移状态贯通判据是判别顺层岩质边坡处于临界失稳状态的必要非充分条件,以其为判据获得的动力安全系数略小于其它判据对应的动力安全系数,工程意义上偏于保守;由于很难事先预知边坡滑裂面的几何形状和位置,层面上下岩体相对位移突变判据、层面剪切滑移位移突变判据和动力安全系数时程判据的普遍适用性较差。建议联合塑性区和层面剪切滑移状态贯通判据以及滑体特征点位移或位移变化速率突变判据,进行地震等动载作用下顺层岩质边坡动力安全系数的求解;为使所选取的特征点具备普遍适用性,可在坡脚至坡顶之间的坡面上间隔一定距离选取监测点,作为监测边坡位移或位移变化速率的特征点。     

基于全动力分析法的地震边坡与隧道稳定性分析

目前地震边坡和隧道稳定性分析方法尚有一些不尽如人意的地方,如地震边坡的破裂面假定为剪切破裂面,这与汶川地震边坡破坏现象不符;地震边坡稳定性分析采用时程分析法,假定在某一时刻加速度作用下,将其作为静力问题来计算边坡稳定安全系数,没有充分考虑加载的动力效应;同样,未考虑地震作用下隧洞围岩的拉破坏,对隧洞围岩破坏缺少动力稳定性标准,也不能充分考虑隧洞围岩与衬砌的动力效应。为此,基于有限元强度折减法,提出了一种完全的动力分析方法——强度折减动力分析法,计算中同时考虑剪切强度和抗拉强度参数的折减,并采用计算不收敛和位移突变综合判断边坡和隧道是否动力失稳破坏,以极限状态时的强度折减系数作为地震边坡和隧道的动力稳定系数,由此获得拉、剪组合破裂面与全动力稳定安全系数,充分考虑了动力效应。     

近断层强地震动下双层竖向重叠地铁隧道的地震反应

由于近断层地震动的特性显著地不同于距断层较远的地震动,基于江苏省的地震环境和南京地铁的建设背景,以深软场地中的双层竖向重叠隧道结构为研究对象,将地基土-地铁隧道体系视为平面应变问题,以软件ABAQUS为计算平台,考虑土体和隧道混凝土的非线性特性,研究了近断层强地震动作用下地铁双层隧道的水平向非线性地震反应特性,并与单层隧道的地震反应进行了比较。结果表明:在近断层地震动作用下,存在地铁隧道外侧的动应力大于隧道内侧的情况,且隧道的动应力比南京人工波(模拟距离断层较远的中远距离地震动)中震、大震作用下的动应力大1.4～3.4倍;双层隧道上、下两层隧道的动应力幅值均比其对应位置处的单层隧道小;双层隧道的相对水平位移均比其对应位置处的单层隧道大,双层隧道上层顶部的相对水平位移是浅埋单层隧道的1.29～1.69倍;双层隧道底部的加速度反应时程曲线与浅埋或深埋单层隧道的区别不大,其峰值加速度的差异在10%以内。     

黄土边坡动力响应分析

运用有限差分软件FLAC3D,建立了某一黄土边坡三维模型,首先对其在地震作用下的动力响应规律进行了总结,然后探讨了地震动参数对黄土边坡动力响应的影响。结果表明:黄土边坡对地震波存在垂直放大和临空面放大作用;当输入地震波振幅或频率增加时,坡面监测点加速度放大系数随坡高增加呈"增加→衰减→增加"的三段形态;速度放大系数随坡高的增大而增大,并在坡顶达到最大值;位移放大系数随振幅和频率的增加而增加;地震持时对加速度、速度峰值的影响不大,但坡体位移随持时的增加而显著增加。强震作用下的最大剪应变增量区域的位置和形状表明,黄土边坡的破坏模式仍是沿着某一弧形潜在滑动面失稳破坏。研究结果有助于进一步揭示黄土边坡在地震作用下的失稳机制,为黄土地区边坡抗震设计与防灾减灾提供参考。     

双向地震作用对台阶型加筋边坡动力响应的影响

以我国西南部一实际工程为背景,分析了双向地震作用下台阶型加筋边坡的动力响应特点及规律。利用经过验证的PLAXIS有限元分析方法,首先在不同地震强度下,对比了水平及双向地震分别作用后加筋边坡的动力响应,然后研究了竖向地震的影响。结果表明,地震作用下,填土的塑性变形呈弥散型分布,随着竖向地震分量的增大,加筋土体横向变形增大,筋材内力提高,同时,竖向地震的震动压实作用使土体侧向围压提高,土体发生硬化,刚度增加,坡面横向位移减小;随着竖向地震分量进一步增大,土体硬化改变了边坡自振特性,在本研究地震激励下,加筋土体动力响应加剧,上坡有发生整体剪切破坏的趋势,并向外偏转,坡面横向位移增大。竖向地震对边坡动力响应的影响随地震强度的增大变得明显。     

沉管隧道接头地震动力响应分析

以港珠澳桥隧工程中的沉管隧道为工程实例,建立沉管隧道部分管段的三维有限元模型,并采用ABAQUS有限元软件对其进行动力计算。计算中考虑了地基土层的初始应力平衡和地基无限域的辐射阻尼效应影响,地震作用通过基岩运动以惯性力方式施加,分析了隧道管段及沉管接头部位的应力和位移。在水平向和竖直向地震共同作用下,管节的竖向相对位移要比水平向大很多;沉管接头附近的管节单元具有较大的应力,主要是由于接头材料发生变化,容易发生应力集中现象。计算结果可供沉管隧道设计参考。     

地震作用下含软弱夹层顺层岩质边坡表面放大效应研究

为了研究地震作用下含软弱夹层顺层岩质边坡表面的放大效应,借用FLAC3D软件,建立了含软弱夹层顺层岩质边坡动力分析数值模型;在合理考虑地震动输入、边界条件、网格划分与模型参数的基础上,分析了地震动峰值、频率、持时以及初动方向等因素影响下的边坡表面放大效应。研究结果表明:①地震动峰值、频率和初动方向对边坡表面放大效应的影响较显著,而地震动持时对边坡表面放大效应的影响微小;②随着地震动峰值的增加,放大效应由软弱夹层之上的坡面及坡顶面向坡肩点逐渐增大,坡肩点的放大效应最大;③当输入地震动频率小于边坡的自振频率时,边坡表面加速度放大倍数较小,且频率越小,放大倍数越小,当输入地震动频率大于边坡的自振频率时,边坡表面加速度放大倍数较大,且频率越大,放大倍数亦越大。     

强地震动作用下地基土-地铁隧道结构的动力接触效应

将地基土-地铁隧道结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面粘塑性动力本构模型和动塑性损伤模型,分别模拟土体和隧道结构混凝土的动力特性,用点-线接触单元模型描述强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的相对滑移,利用罚函数法和拉格朗日乘子法求解动力接触效应,建立土-地铁隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,分析了动力接触效应对地基土-地铁隧道之间的法向接触压应力、切向接触剪应力和切向滑移的影响规律。结果表明:罚函数法比拉格朗日乘子法更适用于求解强地震动作用下地基土-地铁隧道之间的动力接触问题;与地基土-地铁隧道变形协调假定的计算结果相比较,动力接触效应使地铁隧道的地震加速度反应有所增大。     

土与结构接触特性对地下结构地震反应的影响研究

以大开地铁车站为工程背景,采用数值模拟方法,以中柱层间位移角为评价指标,在弹性土体与弹性结构接触、弹塑性土体与弹性结构接触、弹塑性土体与弹塑性结构接触三种工况下分别计算接触面为绑定、接触面摩擦系数为0.2和0.4时的结构地震反应,同时考虑结构-土体的相对模量对接触特性的影响。提取峰值加速度时刻、峰值位移时刻和峰值速度时刻中结构变形程度最大的时刻,将接触面为摩擦设置时的中柱层间位移角与绑定连接条件下的层间位移角数值进行对比分析。结果表明:当材料力学特性不同时,接触特性对结构反应的影响程度也不同。改变结构的埋深,研究不同围岩约束能力下接触特性对地下结构地震反应的影响,结果表明浅埋时接触特性对地下结构地震反应影响程度较大,深埋时影响程度较小,且对于浅埋结构,峰值加速度时刻为结构地震反应最大时刻,对于深埋结构,峰值位移时刻为结构地震反应最大时刻。     

近断层地震动对大型LNG储罐作用效应分析

近断层地震动对长周期结构威胁很大,而大型LNG储罐属于安全等级要求极高的液固耦合长周期结构,为研究各类近断层地震动对LNG储罐的作用效应,采用数值仿真方法计算了16×10~4m~3LNG储罐在不同种类近断层地震动激励下的地震响应,通过对比单向、双向和三向地震动作用下LNG储罐地震响应的差异,验证了对LNG储罐进行三向地震作用研究的必要性。此外,重点研究了在具有向前方向性效应、滑冲效应与无脉冲地震动作用下LNG储罐地震响应的特点。结果表明:含有较大速度脉冲和大位移的地震动会激发储液的剧烈晃动,进而对罐壁顶部产生巨大的冲击,导致罐壁顶部出现应力突变和位移超限,最终引起储罐的菱形屈曲或顶部附属结构物的破坏。     

大位移摩擦摆底层和多层隔震韧性结构∗

结构韧性性能的目标是:在极罕遇地震作用时,结构不发生严重破坏;地震结束后,结构能恢复预期状态,进而恢复建筑功能的性能。隔震是结构韧性性能实现的关键技术,然而,结构隔震层位移响应超过允许值,引发隔震支座破坏,导致其减震性能失效,成为制约该类结构韧性性能目标实现的关键难题。本文以结构层作为滑动面,主体结构整体或滑动面之间的部分结构作为滑动块,提出大位移摩擦摆新型结构,通过隔震层的不同位置以及数量,构建大位移摩擦摆底层和多层隔震结构体系。分别建立该统一分析模型、探明其减震机理证明其良好减震性能,实现韧性结构性能目标。开展结构设计实现和韧性性能评价研究,表明了主体结构、非结构构件和大位移摩擦摆(支座和结构层)等地震损伤和恢复能力。本研究为韧性结构发展提供了结构新体系和关键发展方向。     

考虑竖向地震效应土质边坡临界滑动面识别解析方法与应用

众多震害调查与研究表明,竖向地震动对土质边坡稳定性的影响不容忽视。本文依据极限平衡理论,借助数学解析手段,保证地震中边坡满足土体应力和运动学容许准则,结合边坡变形的几何相容条件,考虑竖向地震动效应的作用,推导了土质边坡临界滑动面数学表达式,建立了土质边坡临界滑动面识别解析方法,并进行了可操作的界面化数值实现。随后,采用基于Open Sees独立开发的边坡地震反应分析三维有限元软件Slope SAR的计算结果验证了该解析方法的可靠性。最后,针对均质边坡、非均质边坡及考虑孔压效应的均质边坡3种情况,探讨了竖向地震动对土质边坡临界滑动面的影响。研究结果表明,竖向地震能够明显增大边坡临界滑动带的范围和深度。本文建立的方法可为同类土质边坡地震滑动面确定提供一种新思路与参考。     

地震波斜入射下土质边坡的稳定性分析*

地震诱发的边坡失稳是重要的地质灾害类型之一,数值方法是对地震边坡进行分析的一项重要工具。基于黏弹性人工边界,通过将地震记录转化为等效地震荷载实现地震波在场地中的施加;并采用Mohr?Coulomb准则模拟土体的非线性特征。根据非线性有限元软件ABAQUS,建立了双面边坡的数值模型,通过分析地震波在不同角度入射下不同坡角边坡的地震响应,讨论了地震波入射角以及边坡坡角对破坏的影响。结果表明,地震波入射角和边坡形状改变了地震波在坡体内的传播规律,因此影响了边坡的破坏。随着地震波入射角的增加,靠近波源一侧坡面的滑动位移和滑动区域逐渐增加,而远离波源一侧的滑动位移和滑动区域逐渐减小。边坡坡度的增加引起坡面危害的逐渐加剧。本文讨论了不同尺寸边坡在不同地震作用下的破坏规律,从而为地震诱发边坡的失稳破坏提供了理论支撑,具有重要的现实工程意义。     

地震影响受锚土质边坡的稳定性分析

以锚杆支护土质边坡为研究对象,基于地震纵波先于横波到达坡表及纵波沿锚固结构轴向传递过程中的动载效应,分析了沿坡底竖直向上入射的地震纵波经坡表自由面反射生成的SV波与坡体内传播的入射P波干涉叠加的传播特征。依据入射P波与反射SV波的波程差,得到在坡面浅表受干涉影响的最小临界边坡角和动力响应沿坡面垂直向内的最大影响深度,揭示了该最大影响深度与边坡角具有近似线性相关性;基于地震波加速度沿锚杆轴向的运动特征和波长与锚固设计参数的联耦关系,建立了锚杆轴向加速度的计算式,确定了抗震锚杆的设计长度,进而获得地震荷载作用下相应于静力锚固所需增加锚固力的补偿值。据此获得地震动影响界定的坡面浅域最大影响深度、锚杆设计长度和锚固力补偿值等研究结论,为锚杆支护边坡抗震参数设计提供有益参考。     

海湾深厚海床场地二维非线性远场强地震反应特征∗

人们早已认识到远距离强地震可能引起覆盖层深厚的沿海或盆地城市发生严重的地震灾害。以某杭州湾跨海通道为背景,建立跨海湾海床二维场地的精细化有限元模型,依据区域地震活动性,选取远场大地震井下记录作为海床基岩的输入地震动,考虑地震动特性、海床微地形特征、沉积土的空间异质性和非线性滞回特性,研究了远场强震引起的海床场地非线性地震效应特征。海床场地效应与海床微地形特征、沉积土的空间异质性和输入地震动特性密切相关。凹陷地表边缘、基岩隆起和凹陷部位及海床土软弱区域的场地放大效应显著,呈现出低频聚焦现象,且竖向地震反应更为明显。仅考虑水平向地震作用将显著低估海床非线性场地效应程度,水平向和竖向地震同时作用引起的竖向地震效应不应忽视。     

地下水位变化对砂质边坡地震稳定性的影响研究

基于砂土边坡的有限元模型和室内振动台试验,研究了地下水位变化对边坡的地震动力响应和破坏模式的影响规律。研究结果表明,基于中国规范的拟静力法计算的边坡安全系数相对于日本规范较为保守。随着地下水位的增加,边坡的最大水平位移均表现出增加趋势,且在边坡顶部水平位移达到最大值;近场地震作用下的位移要大于远场地震作用下的位移。地震作用下随着水位的增加,边坡顶部的最大水平加速度呈现减小的趋势,说明地下水的存在具有一定的减震作用。地下水对边坡动力特性影响较大,随着地下水位的升高,边坡的自振周期呈现增加趋势,最高水位时(1m)边坡的自振周期比无水时增大了2.88倍。不考虑地下水时,边坡的破坏主要表现为通过坡脚的圆弧形剪出破坏,而地下水的存在使边坡的破坏并没有通过坡脚,而是从边坡前缘某一点处发生剪出破坏。最后通过振动台试验对数值模拟结果进行验证,确定了数值模拟结果的准确性。     

变摩擦多级FPS-TMD系统减震性能研究

针对常摩擦FPS-TMD(Friction Pendulum System-Tuned Mass Damper)因非线性导致适用范围有限的问题,本文提出了变摩擦FPS-TMD系统,基于拉格朗日原理推导了其运动方程并结合滞滑效应进行动力求解,采用非劣遗传算法(Nondominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II)进行变摩擦FPS-TMD系统的多目标优化设计。以某实际景观塔为例设计两级变摩擦FPS-TMD,并与常摩擦FPS-TMD以及经典TMD进行了对比分析。研究结果表明:结合NSGA-II的两级变摩擦FPS-TMD系统的参数优化过程能充分利用非劣的思路优化出使两级变摩擦FPS-TMD在小震和中震下同时展现出更好减震能力的参数,变摩擦FPS-TMD系统对地震的控制作用稍优于传统TMD,小震下两级变摩擦系统比常摩擦系统主结构位移响应衰减率降低了16.34%,中震下两级变摩擦系统可为主结构提供更好的减震耗能效果。     

土钉支护抗震性能的振动台试验研究

为研究土钉支护结构体系的抗震性能,设计并完成了土钉支护边坡1:12比尺的振动台试验,研究了土钉支护边坡的动力反应特征和规律。结果表明:土钉支护边坡坡面的最大变形主要发生在边坡坡腹处,坡顶与坡趾的变形相对较小;增大土钉倾角会增大边坡的侧向位移,增加土钉长度以及减小土钉间距则会减小边坡侧向位移;土钉支护最大作用带基本位于土钉支护区的中前部,呈折线形,与计算假设的圆弧形不同,而且该作用带与滑裂面的位置并不相同;边坡土体中部和下部的加速度放大系数较小而且比较接近,边坡上部土体的加速度放大系数则较大。