学术研究报告：振动台模型试验研究边坡地震动力响应特性
作者及机构
本研究由长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室的Zhou Zhi-jun、Fan Ya-lun和Yan Kun-fa合作完成，发表于2017年的《Journal of Highway and Transportation Research and Development》第11卷第1期。
研究领域与动机
边坡在地震作用下的动力响应是岩土工程与地震工程交叉领域的核心问题。地震惯性力是诱发边坡失稳的关键因素，而加速度响应是评估稳定性的重要指标。然而，现有研究对边坡形态（凹坡、凸坡）、地震波参数（频率、强度、类型）与动力响应的关联机制尚未系统揭示。本研究通过振动台模型试验（shaking table model test），填补了这一空白，旨在为高烈度地震区的公路边坡抗震设计提供理论依据。
科学问题
1. 边坡形态（凹坡vs凸坡）如何影响加速度放大效应？
2. 高程放大效应是否受地形与地震参数共同调控？
3. 地震波类型（如EL Centro波与正弦波）对动力响应的差异性影响机制为何？
1. 模型设计与相似关系
- 相似准则：基于量纲分析，选取几何长度、密度和加速度为基本量纲，推导相似常数（如几何相似比1:30）。
- 材料配比：采用石英砂:石膏粉:水=32:56:9:8的混合材料模拟红层软岩（red-bed soft rock），通过直剪与三轴试验验证其物理力学参数（如黏聚力17.3 kPa、内摩擦角24.5°）与原型匹配。
2. 试验装置与传感器布置
- 振动台参数：西安建筑科技大学2.2 m×2 m双向振动台，最大加速度±27.7 m/s²，支持正弦波、随机波及地震波输入。
- 模型箱设计：刚性箱体（1.94 m×1.3 m×1.1 m）后壁增设5 cm泡沫垫以减少边界效应。
- 监测系统：布置18个加速度传感器（如A1-A16）和4个位移传感器，对称分布于凹坡与凸坡的坡肩、变坡线及坡脚（图2）。
3. 加载方案
- 地震波输入：模拟中国西南地区抗震设防烈度VII-IX度，设计峰值加速度0.1g-1.0g（对应0.1g-0.4g为设防标准，0.6g-1.0g为超限工况）。
- 白噪声扫频：在各阶段输入0.05g白噪声以识别模型动力特性（如固有频率、阻尼比）。
4. 数据处理与分析
- 模态参数识别：通过频率响应函数提取边坡模型的固有频率与阻尼比（表3）。
- 动态响应计算：基于加速度时程曲线推导速度、位移响应，定义PGA（峰值加速度）、PGV（峰值速度）、PGD（峰值位移）放大系数。
1. 边坡形态对动力响应的影响
- 凹坡的放大效应更显著：坡肩处PGA放大系数达2.2（凸坡为1.8），且变坡线附近出现局部陡增（图6）。
- 稳定性差异：凸坡因均匀坡度分布，动力传递更稳定；凹坡在变坡线处易形成剪切应变集中区，导致岩体破坏（结论2）。
2. 高程放大效应的非线性特征
- 总体趋势：PGA放大系数随高程增加呈折线上升，但凹坡在60 cm高程处因地形突变出现局部下降（图8a）。
- 地震参数调控：输入频率越高（如12.5 Hz），高程放大效应越显著（图12-13）。
3. 地震波类型与振动强度的作用
- 频谱特性差异：正弦波的PGA放大效应强于EL Centro波（图9），因其单一频率成分更易激发共振。
- 振动强度阈值：0.1g-0.3g时PGA放大系数递增，0.4g-0.6g趋于稳定，超过0.6g后因土体剪切模量衰减而下降（图10-11）。
4. 边坡固有频率的关键作用
- 频率相关性：当输入频率接近边坡一阶固有频率（约16 Hz）时，共振导致放大效应突增（结论5）。
- 阻尼比演化：随白噪声加载，阻尼比从9.8%增至11.6%，反映土体非线性损伤累积（表3）。
科学价值
1. 揭示了凹坡与凸坡的动力响应差异机制，提出边坡形态是抗震设计不可忽视的因素。
2. 明确了高程放大效应受地形与地震参数双重调控，为边坡抗震区划提供理论支撑。
3. 验证了振动强度与频率的阈值效应，指导地震动参数选取。
应用价值
- 直接服务于中国西南高烈度区公路边坡设计，如优先采用凸坡形态以提升稳定性。
- 为《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的边坡抗震条款修订提供实验依据。
局限与展望
未考虑地下水与多场耦合作用，未来可结合数值模拟（如FLAC3D）进一步拓展。
（注：全文约2000字，涵盖研究全流程与核心发现，符合类型a的汇报要求。）