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边坡地震动力反应分析是开展边坡抗震设计的基础。目前对地震作用下岩体边坡放大效应的机理和规律研究尚不够深入和系统,局部复杂地形地震动放大效应的三维分析也很少。本文开展了岩体边坡和局部地形地震动放大效应的研究工作。 本文系统地叙述了边坡动力学分析的计算原理和方法及其相关技术细节。提出了基于有限带宽白噪声和频域分析的地震动荷载反演方法,并采用了高精度的人工边界条件以提高数值模拟的精度。采用显式的时间逐步积分法进行动力学数值求解,并通过的后处理计算了加速度峰值相对于平坦自由地表面的放大系数。基于此,针对不同的岩体材料参数(Ⅰ~Ⅳ级工程岩体)、不同地震波(简谐波、Taft波和E1 Centro波)分析了坡肩和边坡表面的放大系数与边坡几何参数(坡高和坡度)之间的规律,及其边坡剖面内放大系数的空间分布特征。 通过输入白噪声形式的动荷载,计算和分析发现边坡具有宽频带反应体系的特性。因此,无论是谐波荷载还是实测地震动荷载,边坡都不会出现类似建筑结构的依赖于自振频率的动力放大系数或共振。单面均质岩体边坡的放大系数通常在坡肩处最大且通常不超过2.0,随远离坡肩的距离的增大,坡顶面各点的放大系数是逐渐减小的。通过分析P波和S波在坡肩处的反射和叠加计算了坡肩放大系数,认为对坡度x<0.3的平缓边坡可忽略地形放大效应。 研究了地震动参数和地震动输入方式对放大系数的影响。在地震荷载不足以诱发边坡失稳破坏的前提下,放大系数的大小与地震波的峰值和持时无关,因此计算所得的放大系数适用于任意地震烈度的情形。而地震波的频谱特性对边坡的放大系数影响显著,故抗震设计中应依边坡所在场地的设计地震分组来合理确定边坡的放大系数。对不同入射角度和多分量地震动输入的对比分析表明,在边坡抗震设计中应考虑不利地震动输入对放大系数的影响。较之考虑行波效应的地震动输入,时空一致地震动输入的计算结果是偏于保守的。 岩体边坡的坡肩放大系数依赖于边坡几何形态、岩体材料和地震动荷载三方面的参数关系,单一参量的分析不足以给出坡肩放大系数的参数规律。引入了一个与周期同量纲的参量T,以综合反映坡高、坡度和岩体波速对坡肩放大系数的影响,并针对Taft波和E1 Centro波分别计算获得了坡肩水平向放大系数的谱曲线。该曲线直接表明了具有指定坡高、坡度和岩体波速的单面岩质边坡对强地面运动的放大程度。结果表明,坡肩处放大系数随T近似线性增大,在T=0.035时分别达到1.69(Taft波)和1.64(E1 Centro波)的最大值。陡峭岩质边坡的水平向放大系数的最大值出现在坡肩区域,而竖向放大系数最大值出现在邻近斜坡面的区域内。对坡度x≥2.0的边坡,放大系数的分布特征是几乎一致的,且不再随边坡变陡峭而持续递增。不同地震波频谱特性的差异是影响边坡剖面内放大系数的数值和分布特征的重要因素。 高陡边坡具有如下的动力反应特性:坡肩水平向放大系数随坡高和坡度的增大在不超过2.0的范围内波动变化;不同地震波波形和岩体材料参数的差异对边坡表面放大系数包络曲线的影响并不显著;坡顶面的水平方向放大系数随着远离坡肩距离的增大快速减小;斜坡面上竖向放大系数的的影响是不可忽略的。不同地震动荷载作用下坡体内放大系数的分布区域呈现出相似性;不同岩体材料参数下放大系数的分布规律和趋势是高度相似的,只是分布区域的大小不同。 依据岩质边坡地震动放大效应的分析结果,建议岩质边坡的分类应综合考虑边坡地质条件和动力反应特性两个主要方面。高陡边坡应指的是坡高≥60m的陡边坡,但还应该进一步划分为坡高60m≤H<200m的高边坡和坡高H≥200m的超高边坡。 双面边坡的动力反应分析表明:边坡顶部的放大效应随坡高和坡度的增大而显著加大;开阔的坡顶面显著减弱了边坡的对地震动的放大作用。对非对称双面边坡而言,更陡峭一侧的边坡坡肩和斜坡面上,水平向和竖向放大系数均显著较大。边坡剖面内放大系数等值线的分布区域显著依赖于双面边坡的地形特征。 基于三维动力学数值模拟分析了山丘的地形放大效应,发现局部地形地表面的放大系数等值线图的分布特征与地形等高线图是相似的,放大系数显著依赖于地形的几何特征。在工程场地的抗震分析中,应综合考虑地形、地质情况、不利地震动输入等多方面的影响来确定地形对地震动作用的放大效应。 本文的工作可为岩质边坡的抗震设计提供技术参考。