巖質(zhì)高陡邊坡地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

付 曉， 楊長衛(wèi)， 韓宜康

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031)

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巖質(zhì)高陡邊坡地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

付 曉1， 楊長衛(wèi)1， 韓宜康2

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031)

設(shè)計(jì)并完成了 1∶10大比例尺的邊坡大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?4.4 m×4.4 m×1.8 m(長×寬×高)，斜坡模型表面包含30°、45°、50°、60°四個(gè)不同坡度的坡面，模擬巖體材料采用重晶石粉、河砂、石膏、黏土和水按比例配制而成。通過輸入不同類型、幅值、頻率的地震波來研究模型邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中采用三維局部坐標(biāo)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：邊坡臨空面方向和豎直方向的加速度高程放大效應(yīng)隨坡面角度的增大而增強(qiáng)，在坡面角度由45°→50°變化時(shí)增長趨勢呈明顯“臺(tái)階狀”形式，而邊坡走向方向的峰值加速度高程放大效應(yīng)基本不隨坡面角度變化；邊坡各向的峰值加速度的高程放大效應(yīng)隨著輸入地震波幅值的增大而減小，表現(xiàn)出“量級(jí)飽和”特性；加速度傅里葉譜的頻譜成分隨著高程的增大，邊坡巖體對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥哉耦l率f周圍的頻率成分具有顯著的放大作用，而對(duì)于其他頻率成分則具有濾波作用；加速度反應(yīng)譜沿高程的形狀基本一致，并且卓越周期對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜幅值沿高程具有一定的放大作用，而在其他周期T處，尤其是長周期部分(低頻部分)則存在一定的減小作用，對(duì)于臨空面方向來講，具有明顯的波峰現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果有助于揭示邊坡在地震作用下的失穩(wěn)機(jī)制，為邊坡工程的抗震設(shè)計(jì)提供有益的參考。

巖質(zhì)邊坡； 動(dòng)力響應(yīng)； 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)； 地震動(dòng)參數(shù)

0 引言

強(qiáng)震是引起邊坡失穩(wěn)破壞的重要因素。我國西部山區(qū)地震頻發(fā),引發(fā)了大量與地震有關(guān)的邊坡穩(wěn)定問題。地震作用下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)特性是揭示邊坡地震失穩(wěn)機(jī)制的前提，因此開展地震作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的研究是十分必要的。馮文凱等[1-3]對(duì)單面和雙面斜坡在地震中的震裂變形破壞形成機(jī)制進(jìn)行了探討；毛彥龍等[4]認(rèn)為地震動(dòng)引起的坡體波動(dòng)震蕩是形成滑坡的主要因素；祁生文等[5]及李世海等[6]歸納了地震作用下邊坡穩(wěn)定性的影響因素，認(rèn)為地震慣性力和超靜孔隙水壓力是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要原因；崔芳鵬等[7-8]認(rèn)為地震縱橫波時(shí)差較短引起的耦合作用是斜坡體崩滑破壞的主控因素；張祖武等[9-10]對(duì)巖土界面地震波能量傳遞與耗散特性進(jìn)行了研究；Chen H.J[11]通過離散元數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)兩種手段研究了邊坡的破壞特征；滕光亮等[12]借助數(shù)值計(jì)算探討了地震作用下節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素；韓宜康等[13]利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及波動(dòng)理論研究了坡面角度對(duì)巖質(zhì)邊坡加速度高程放大效應(yīng)的影響。

為進(jìn)一步認(rèn)清地震誘發(fā)的斜坡崩滑機(jī)理及過程，本文借助大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)還原斜坡在地震時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，分析地震作用下坡體的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律以及改變輸入地震波參數(shù)對(duì)其的影響。

1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是在中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院抗震試驗(yàn)室的大型三軸向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)上開展的。該試驗(yàn)設(shè)備是目前國內(nèi)承載能力最大、性能最先進(jìn)的地震模擬臺(tái)，其臺(tái)面尺寸為6 m×6 m，臺(tái)面最大荷載質(zhì)量為60 t，工作頻率范圍為0.1～80 Hz。試驗(yàn)采用剛性模型箱，內(nèi)空尺寸為長、寬各5 m，高2.1 m(圖1)。

圖1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖銯ig.11 Model box used in shaking table test

1.1 相似關(guān)系設(shè)計(jì)

在進(jìn)行相似試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，要使模型試驗(yàn)滿足所有相似條件往往是很困難，甚至是不可能的。為使模型試驗(yàn)?zāi)軌虮M可能真實(shí)地反映原型的動(dòng)力特性，應(yīng)抓住影響現(xiàn)象內(nèi)在規(guī)律的主要因素而省略一些次要準(zhǔn)則。本次試驗(yàn)以模型尺寸L、重度γ和重力加速度g作為基本控制量，按Buckingham π定理和量綱分析法導(dǎo)出各物理量的相似關(guān)系和相似比(表1)。

表 1 模型相似常數(shù)

1.2 相似材料配制

震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)汶川震區(qū)巖質(zhì)斜坡地層巖性主要分為兩類：第一類是以薄層的千枚巖、絹云母片巖和厚層塊狀灰?guī)r、砂巖為主的硬巖；第二類是以泥巖為典型代表的軟巖。因此，本次模型試驗(yàn)基于上述的相似體系，選取軟巖和硬巖作為巖質(zhì)邊坡的組成材料，參考前人總結(jié)的相似材料配比，采用重晶石粉、河砂、石膏、黏土和水作為原材料，通過調(diào)整各組分的質(zhì)量比例來模擬不同巖體，其中軟巖質(zhì)量配比為河砂∶石膏∶水∶黏土=60.5∶16.1∶7.3∶16.1；硬巖質(zhì)量配比為河砂∶石膏∶水∶黏土∶重晶石粉= 31.4∶15.7∶8.8∶18.9∶25.2。相似材料的具體物理力學(xué)指標(biāo)見表2，室內(nèi)配土試驗(yàn)見圖2和圖3。

圖2 應(yīng)變控制式直接剪切儀Fig.2 Strain-controlled direct shear apparatus

圖3 環(huán)刀法測試土體重度Fig.3 Soil gravity test by cutting ring method

1.3 模型設(shè)計(jì)

針對(duì)汶川震區(qū)普遍發(fā)育的兩大類巖體：硬巖類和軟巖類，本試驗(yàn)采用不同巖性(包括以灰?guī)r為代表的硬巖體)來模擬基巖，以泥巖、千枚巖為代表的軟巖體來模擬坡體。另外，為了簡化試驗(yàn)影響因素，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎镁|(zhì)結(jié)構(gòu)，模型特征詳見圖4。斜坡模型的幾何尺寸為：(1)總高1.8 m，其中邊坡高0.8 m，下覆軟巖和硬巖厚度均為0.5 m；長4.4 m，寬4.4 m；(2)斜坡模型的底部長3.53 m，寬1.55 m；上頂面長0.78 m，寬0.1 m；(3)斜坡模型表面包含30°、45°、50°和60°四個(gè)不同坡度的坡面。

表 2 試驗(yàn)材料中硬巖、軟巖的物理力學(xué)參數(shù)

為減小地震波在模型箱邊界的反射，最大程度地消除“邊界效應(yīng)”對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)時(shí)在激振方向模型箱側(cè)壁上粘貼厚度為3 cm的泡沫吸波材料。

圖4 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Test model

1.4 測點(diǎn)布置

為了研究斜坡的地震動(dòng)力響應(yīng)特性，試驗(yàn)時(shí)在四個(gè)坡面的不同高程處分別布置加速度傳感器，同時(shí)，為了更加精確地描述地震過程中整個(gè)模型表面位移場的變化過程，本次試驗(yàn)采用自主研發(fā)的高頻數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測，具體如下：

(1) 單向加速度傳感器的布置

本次試驗(yàn)采用單向加速度傳感器設(shè)置了兩個(gè)自由場測點(diǎn)，主要監(jiān)測地震作用下自由場內(nèi)的加速度響應(yīng)。其中，自由場1自上而下布置了3組加速度測點(diǎn)，自由場2則僅在場地表面布設(shè)了1組加速度測點(diǎn)(圖5)。

圖5 自由場測點(diǎn)布置斷面圖Fig.5 Layout of observation spots on the free-field site

(2) 三向加速度傳感器的布置

鑒于單向加速度器尺寸較大，而邊坡體厚度相對(duì)較小，為避免因加速度測量元件的尺寸影響試驗(yàn)結(jié)果的精確性，在邊坡體內(nèi)均布置三向加速度傳感器用于監(jiān)測地震作用下坡體的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，具體見圖6。

(3) 高頻數(shù)字化攝像系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)布置

高頻數(shù)字化攝像系統(tǒng)主要是用于研究地震過程中坡體的變形情況以及整個(gè)模型表面位移場的分布。本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)滿布整個(gè)模型表面，呈0.2 m×0.2 m的網(wǎng)狀分布(圖4)。

圖6 坡面加速度傳感器布置圖Fig.6 Acceleration sensor layout on the slope surface

1.5 加載制度

根據(jù)相似原理，模型與原型輸入地震加速度時(shí)程的波形是完全相同的，僅按照時(shí)間相似比進(jìn)行了調(diào)整。本次試驗(yàn)旨在研究地震波類型、頻率以及振幅對(duì)巖質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的影響，故首先對(duì)輸入地震波進(jìn)行歸一化處理，之后通過調(diào)節(jié)其幅值來施加不同烈度的汶川臥龍地震波、El Centro地震波以及Kobe地震波的三向地震動(dòng)加速度時(shí)程。具體加載制度如表3所示。

表 3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的加載工況

2 模型邊坡的動(dòng)力響應(yīng)

在邊坡和支擋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，目前廣泛采用的擬靜力方法是以加速度及其分布規(guī)律為基礎(chǔ)的，用以計(jì)算地震引起邊坡永久變形的Newmark滑塊理論也以加速度反應(yīng)為基礎(chǔ)。因此，邊坡的加速度響應(yīng)特性是當(dāng)前評(píng)價(jià)邊坡地震穩(wěn)定性和進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，并且在振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)時(shí)加速度的量測精度較高，因此本文選擇對(duì)邊坡體的加速度動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行探討。

2.1 加速度響應(yīng)規(guī)律研究思路調(diào)整

如按常規(guī)的三維坐標(biāo)系對(duì)模型試驗(yàn)中的邊坡體進(jìn)行分析，則會(huì)造成任意選定坡面的臨空面方向是其余坡面的走向方向?；诖耍竟?jié)以工況7的計(jì)算結(jié)果為例，選取兩種坐標(biāo)系對(duì)加速度的高程放大效應(yīng)進(jìn)行研究。第一種是現(xiàn)在使用最為廣泛的X、Y、Z三向坐標(biāo)系；第二種是局部坐標(biāo)系，定義為邊坡的走向M、邊坡的臨空面L、豎直方向N。整體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系的具體情況見圖7，第一種坐標(biāo)系下試驗(yàn)分析結(jié)果見圖8，后者的試驗(yàn)分析結(jié)果見圖9。

圖7 坐標(biāo)系變換示意圖Fig.7 Diagram of coordinate system transformation

圖8 整體坐標(biāo)系下峰值加速度放大系數(shù)(0.1g)Fig.8 PGA amplification factors in the global coordinate system (0.1g)

圖9 局部坐標(biāo)系下峰值加速度放大系數(shù)(0.1g)Fig.9 PGA amplification factors in the local coordinate system (0.1g)

綜合分析圖8、圖9可知，在PGA=0.1g的汶川臥龍地震波作用下30°、45°、50°以及60°面上的X、Y方向峰值加速度沿高程均具有不同程度的放大。各坡面X方向的加速度放大性規(guī)律如下：60°面>50°面>45°面>30°面；Y方向的加速度放大性規(guī)律為:45°面>30°面>60°面>50°面。然而，在局部坐標(biāo)系(L、M、N)下，各坡面L方向的加速度放大性規(guī)律與整體坐標(biāo)系下X方向的加速度放大規(guī)律相同；而各坡面M方向的加速度放大性規(guī)律基本一致。由此可知，在整體坐標(biāo)系下和局部坐標(biāo)系下得到的結(jié)果是不一致的，出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于X(Y)方向?qū)τ?0°、60°面來講是臨空面方向(邊坡走向)，而此時(shí)30°面、45°面則是邊坡的走向(臨空面方向)。將邊坡臨空面的試驗(yàn)結(jié)果與邊坡走向的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來研究加速度的高程放大效應(yīng)具有一定的片面性，很難清晰地研究坡面角度對(duì)坡面上加速度高程放大效應(yīng)的影響。因此，本文將選取局部坐標(biāo)系對(duì)加速度高程放大效應(yīng)進(jìn)行闡述。

2.2 模型邊坡的加速度響應(yīng)規(guī)律

為了研究加速度峰值的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，將加速度放大系數(shù)定義為邊坡內(nèi)加速度峰值與自由場加速度峰值的比值。以L向加速度為例來說明：假定坡體內(nèi)任意一點(diǎn)C的L向加速度峰值為ALC，自由場D點(diǎn)的X向加速度峰值為ALD，參見圖10，則該點(diǎn)L向加速度放大系數(shù)δL就可以表示為：δL=ACL/ADL。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在輸入地震波類型和峰值加速度改變時(shí)，模型邊坡加速度響應(yīng)具有相似的規(guī)律。圖11顯示了60°坡面的三方向加速度峰值沿高程均具有不同程度的放大效應(yīng)。

圖10 模型示意圖Fig.10 Schematic diagram of test model

圖11 峰值加速度高程放大系數(shù)(60°坡面)Fig.11 PGA elevation amplification factors (slope angle =60°)

2.3 地震動(dòng)參數(shù)對(duì)邊坡的影響

坡面角度、地震烈度以及地震動(dòng)輸入波參數(shù)的差異對(duì)巖質(zhì)邊坡地震動(dòng)特性均具有顯著的影響。下文將研究在輸入汶川臥龍地震波、El Centro地震波和Kobe地震波，且輸入地震波峰值為0.08g、0.1g、0.16g、0.2g、0.32g、0.4g、0.5g和0.9g的情況下邊坡體中不同坡面加速度高程的放大效應(yīng)。

(1) 坡面角度的影響

目前大量研究成果表明坡面角度的不同對(duì)地震動(dòng)加速度的放大效應(yīng)具有顯著影響。本節(jié)選取PGA=0.4g的汶川臥龍地震波激振結(jié)果，對(duì)坡體內(nèi)各測點(diǎn)的三向加速度峰值放大系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖12。

圖12 PGA=0.4g時(shí)峰值加速度放大系數(shù)Fig.12 PGA amplification factors when PGA=0.4g

模型試驗(yàn)中邊坡體各面各方向的峰值加速度沿高程均具有不同程度的放大。臨空面和豎直方向的加速度放大系數(shù)均隨著坡面角度的增加而增大；邊坡走向的加速度放大系數(shù)基本不隨角度的改變而變化。該試驗(yàn)結(jié)果也印證了巖質(zhì)邊坡問題可以近似地簡化為平面應(yīng)變問題。

本節(jié)選取距離邊坡坡頂1/4H處的測點(diǎn)來揭示邊坡角度對(duì)臨空面、走向和豎直向加速度峰值放大效應(yīng)的影響，具體結(jié)果見圖13。加速度放大系數(shù)增長劇烈段發(fā)生在坡面角度由45°→50°時(shí)，加速度放大系數(shù)隨坡面角度的增長而增加的趨勢呈明顯“臺(tái)階狀”形式，臺(tái)階高度與坐標(biāo)軸的關(guān)系為：臨空面>豎直向>走向。上述分析結(jié)果充分說明了坡面角度為45°以上的巖質(zhì)邊坡的地震動(dòng)響應(yīng)明顯高于坡面角度小于45°的巖質(zhì)邊坡，這與“5·12”汶川地震震害調(diào)查結(jié)果——滑坡災(zāi)害主要發(fā)生在40°以上的斜坡這一結(jié)論吻合。

(2) 地震烈度對(duì)加速度高程放大效應(yīng)的影響

為了能夠清晰地說明地震烈度對(duì)加速度高程放大效應(yīng)的影響，本節(jié)仍選取距離邊坡坡頂1/4H處的測點(diǎn)來揭示地震烈度對(duì)臨空面、走向和豎直向加速度峰值放大效應(yīng)的影響程度，具體計(jì)算結(jié)果見圖14。

圖13 邊坡角度對(duì)加速度放大系數(shù)的影響(距坡頂1/4坡高處)Fig.13 Effect of slope angle on acceleration amplification factor (at 1/4H)

圖14 地震烈度對(duì)加速度放大系數(shù)的影響(距坡頂1/4坡高處)Fig.14 Effect of seismic intensity on acceleration amplification factor at (1/4 H)

隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度的增加，邊坡臨空面、走向及豎直向的加速度高程放大效應(yīng)逐漸減小，表現(xiàn)出“量級(jí)飽和”特性。量級(jí)飽和特性主要是指隨著輸入地震動(dòng)峰值加速度的增大，巖土體的動(dòng)剪切強(qiáng)度和動(dòng)剪切模量下降，阻尼比增加，非線性特征逐漸增強(qiáng)，地震波的耗能增大，進(jìn)而造成了加速度放大效應(yīng)的減弱，巖土體的隔震、減震效果增強(qiáng)。

(3) 地震波類型對(duì)加速度高程放大效應(yīng)的影響

本節(jié)選取邊坡角度為60°坡面，PGA=0.2g的汶川臥龍地震波、El Centro地震波和Kobe地震波來說明地震動(dòng)輸入波類型對(duì)加速度高程放大效應(yīng)的影響，具體結(jié)果見圖15。邊坡的臨空面方向、走向方向和豎直方向的峰值加速度放大效應(yīng)隨輸入地震波類型的變化規(guī)律基本一致，即El Centro波>汶川臥龍波>Kobe波。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于這三種地震波壓縮波的頻譜特性存在較大差異造成的。

圖15 地震波類型對(duì)峰值加速度放大系數(shù)的影響(PGA=0.2g，60°坡面)Fig.15 Effect of seismic wave type on PGA amplification factor (PGA=0.2g,slope angle=60°)

2.4 加速度傅里葉譜沿高程的變化規(guī)律

鑒于L、M、N三個(gè)方向的加速度傅里葉譜沿高程變化規(guī)律基本一致，限于篇幅，本節(jié)僅選取PGA=0.2g的汶川臥龍地震波作用下45°坡面上各個(gè)測點(diǎn)的臨空面方向加速度時(shí)程進(jìn)行分析。該坡面上布置的加速度測點(diǎn)見圖6，計(jì)算結(jié)果見圖16。

臨空面方向加速度傅里葉譜的頻譜成分沿高程的變化均具有一定的規(guī)律，即隨著高程的增大，邊坡巖體對(duì)于3.69～5.48 Hz頻率成分的地震波具有顯著放大作用，而對(duì)于其他頻率成分的地震波則具有濾波作用。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于該邊坡試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡谝浑A自振頻率為4.5 Hz，進(jìn)而引起了3.69～5.48 Hz頻率成分的放大。這與通常所說的“邊坡土體對(duì)地震波的高頻成分具有濾波作用，對(duì)于低頻成分具有放大作用”這一結(jié)論是一致的。

2.5 加速度反應(yīng)譜沿高程的變化規(guī)律

地震作用下巖質(zhì)邊坡加速度反應(yīng)譜的形狀對(duì)認(rèn)識(shí)邊坡動(dòng)力響應(yīng)特征及邊坡的治理設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。為了研究巖質(zhì)邊坡加速度反應(yīng)譜沿高程的變化規(guī)律，本節(jié)仍選取峰值加速度為0.2g的汶川臥龍地震波作用下45°坡面上各個(gè)測點(diǎn)的L、M、N三向加速度時(shí)程進(jìn)行分析。為了能夠更加清晰地說明反應(yīng)譜中不同周期譜值的高程放大效應(yīng)，本節(jié)以邊坡底部的測點(diǎn)4的三向反應(yīng)譜作為基準(zhǔn)，求解10、16及22測點(diǎn)加速度反應(yīng)譜的放大系數(shù)，具體計(jì)算結(jié)果見圖17～18。本次加速度反應(yīng)譜計(jì)算采用了工程上常用的阻尼比5%。

圖16 臨空面方向加速度傅里葉譜Fig.16 Acceleration Fourier spectrum along L direction

圖17 45°坡面加速度反應(yīng)譜Fig.17 Acceleration response spectrum along 45° slope surface

圖18 45°坡面加速度反應(yīng)譜放大系數(shù)Fig.18 Acceleration response spectrum amplification factor along 45° slope surface

邊坡的臨空面方向、走向方向及豎直方向的加速度反應(yīng)譜存在一定的共性和差異性。共性為：三個(gè)方向的加速度反應(yīng)譜沿高程的形狀基本一致，卓越周期集中在T=0.22 s左右，即卓越頻率f=4.54 Hz，并且卓越周期對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜幅值沿高程具有一定的放大作用，而在其他周期T處，尤其是長周期部分(低頻部分)則存在一定的減小作用，這與傅里葉譜的計(jì)算結(jié)果基本一致。差異性：加速度反應(yīng)譜的頻率分布存在一定的差異，對(duì)于臨空面方向來講，具有明顯的波峰現(xiàn)象；對(duì)于邊坡走向和豎直方向來講，波峰現(xiàn)象不如臨空面方向明顯。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并完成一個(gè)1∶10 大比例尺的邊坡大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究地震作用下模型邊坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 對(duì)于包含不同坡面角度的山體來講，按照常規(guī)方法使用X、Y、Z坐標(biāo)系對(duì)加速度高程放大效應(yīng)進(jìn)行分析，具有一定的片面性，即X方向既是某一坡面的臨空面方向又是另一個(gè)坡面的邊坡走向方向，不能清晰地反映坡面角度的影響。因此建議采用三維局部坐標(biāo)系，即邊坡的臨空面方向、走向方向和豎直方向來研究邊坡的動(dòng)力問題。

(2) 在坡面角度由45°→50°變化時(shí)，臨空面方向和豎直方向加速度放大系數(shù)的增加趨勢呈明顯“臺(tái)階狀”形式，而邊坡走向方向的峰值加速度高程放大效應(yīng)與角度基本無關(guān)。

(3) 邊坡臨空面、走向及豎直方向的峰值加速度的高程放大效應(yīng)隨著輸入地震波幅值的增大而減小，表現(xiàn)出“量級(jí)飽和”特性；地震波類型對(duì)局部坐標(biāo)系下加速度高程放大效應(yīng)的影響是：El Centro地震波>汶川臥龍地震波>Kobe地震波。

(4) 邊坡的臨空面方向、走向方向及豎直方向的加速度傅里葉譜的頻譜成分沿高程的變化均具有一定的規(guī)律性，即隨著高程的增大，邊坡巖體對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥哉耦l率f周圍的頻率成分具有顯著的放大作用，而對(duì)于其他頻率成分則具有濾波作用。

(5) 邊坡的臨空面方向L、走向方向M及豎直方向N的加速度反應(yīng)譜沿高程的形狀基本一致，并且卓越周期對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜幅值沿高程具有一定的放大作用，而在其他周期T處，尤其是長周期部分(低頻部分)則存在一定的減小作用。另外，對(duì)于臨空面方向來講具有明顯的波峰現(xiàn)象；對(duì)于邊坡走向和豎直方向來講，波峰現(xiàn)象不如臨空面方向明顯。

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Shaking Table Model Tests on the Seismic Response of a High and Steep Rock Slope

FU Xiao1, YANG Chang-wei1, HAN Yi-kang2

(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.NanjingInstituteofRailwayTechnology,Nanjing210031,Jiangsu,China)

A large-scale shaking table model test of a slope with a height of 1.8 m, length of 4.4 m, and width of 4.4 m was introduced. The materials are made of blanc fixe, river sand, gypsum, clay, and water in different ratios. The slope comprises 30°, 45°, 50°, and 60° inclined surfaces. A series of tests were performed for different seismic waves, amplitudes, and frequencies. The results indicate that the local coordinate system is more adequate than the whole coordinate system when conducting research on the dynamic problems of the slope. Thus, we should use the airport surface directionL, the strike directionM, and the vertical directionN. The amplifications of the peak accelerations gradually increase with the increase of slope angles, and there are two inflection points at 45° and 50°. However, the amplification along the slope strike direction is consistent. The amplifications of the accelerations in different directions gradually reduce with the increase of the peak ground acceleration of the input wave, which is an intensity saturation phenomenon. Simultaneously, there are predominant peak values in the airport surface directionL; however, there are no predominant peak values in the strike directionMand in the vertical directionN. Therefore, the results reveal the mechanism of slope instability during an earthquake and provide seismic design references for slope engineering.

rock slope; dynamic response; shaking table test; ground motion parameter

2015-11-04

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318800020)

付 曉(1987-)，男，博士研究生，主要從事邊坡與支擋結(jié)構(gòu)抗震等方面的研究。E-mail:f_u_xiao@126.com。

TU457

A

1000-0844(2016)05-0775-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0775