組合支護結構作用下反傾層狀巖質邊坡加速度響應振動臺試驗研究①

組合支護結構作用下反傾層狀巖質邊坡加速度響應振動臺試驗研究①

付曉, 范剛, 劉飛成， 張建經

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

摘要：設計并完成一個1∶30的大比例尺高陡反傾層狀巖質邊坡的振動臺模型試驗，坡體內部有6個軟弱泥化夾層，研究在組合支護體系作用下EL Centro地震波和汶川-清屏地震波激振下泥化夾層含水量發生變化時邊坡的加速度動力響應規律。試驗結果表明：(1)坡面X、Z向加速度放大系數均具有非線性高程放大效應，但前者大于后者；(2)泥化夾層含水量的變化對坡面加速度放大效應影響顯著，注水后X向減小而Z向增大；(3)支護體系作用下邊坡臨空面放大效應的現象受限制，預應力錨索抗滑樁以下邊坡基本不存在加速度放大效應；邊坡分級支護可有效降低X向加速度放大系數的高程增大效應，但對Z向會產生不利作用；(4)邊坡的破壞模式為上部受軟弱夾層滑動牽引而發生傾倒-拉裂變形，導致頂部框架梁有可能最先發生破壞，且破壞類型可能以繞坡頂為支點向坡體內側轉動，引起上部的錨索產生拔出破壞。

關鍵詞：泥化夾層； 反傾巖質邊坡； 加速度放大； 支擋結構； 振動臺試驗

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：交通運輸部建設科技項目(2013318800020)

作者簡介：付曉(1987-)，男，博士生，主要從事邊坡與支擋結構抗震等方面的研究。E-mail：f_u_xiao@126.com。

中圖分類號:TV223.3； TU457文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0823

Shaking Table Tests on the Acceleration Response of an Anti-dip

Stratified Rock Slope with Composite Retaining Structure

FU Xiao, FAN Gang, LIU Fei-cheng, ZHANG Jian-jing

(SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:Using large 1:30-scale shaking table model tests, we studied the dynamic response characteristics of acceleration of a high steep anti-dip stratified rock slope containing six siltized intercalations with a composite retaining structure, by inputting EL Centro and Wenchuan seismic waves in the X-and Z-directions, respectively. Test results show that: (1) The acceleration amplification coefficient grew nonlinearly with increasing slope height in both the X- and Z-directions, and the values of the former were greater than the latter. (2) The acceleration magnification effect at the slope surface is significantly affected by the water content variations of the siltized intercalation. The X-direction amplification on the water-soaked soft interlayer decreased in comparison with that of the initial conditions, however, the opposite was true in the Z-direction. (3) By the action of the retaining structures, the more restricted the magnification intensity of the slope free face, the more the amplification effect can be ignored where the altitude is less than 1/3 of the slope height. With respect to the elevation amplification effect of X-direction acceleration, a slope supported by hierarchical implementation is beneficial, but it is disadvantageous in the Z-direction. (4) The tilt-split model may be used as a failure model for a counter-tilt layer rock slope under earthquake conditions, which is controlled by the sliding of weak layers, particularly after rain. Damage is possible from the upper frame beam rotating around the slope crest, which can be pulled out using the pre-stressed anchor cable as a fulcrum.

Key words： siltized intercalation; anti-dip rock slope; acceleration amplification; retaining structure; shaking table test

0引言

“5·12”汶川地震和加利福尼亞Northridge地震等震害調查[1-3]顯示地震引起的邊坡失穩是地震災害的主要類型之一，因此邊坡在地震作用下的穩定性分析成為巖土工程中一項重要研究內容。在組成邊坡的巖體中以層狀構造特征最為常見，通常根據邊坡的傾向與結構面的傾向關系分為順層巖質邊坡和反傾巖質邊坡。通常認為順層巖質邊坡容易沿層面發生滑移破壞而反傾巖質邊坡較安全，故對反傾邊坡的研究尚少，尤其是其在地震作用下的穩定性研究。

Goodman等[4]首先運用極限平衡法研究反傾巖質邊坡的穩定性評價；Prichardand等[5]開展了反傾巖質邊坡的應力-應變分析；黃秋香等[6]通過現場監測推斷存在較厚軟弱層的反傾巖坡的變形模式為壓縮-蠕變、傾倒-拉裂復合模式；位偉等[7]討論了巖層傾角、厚度及切坡角度對邊坡穩定性的影響；左保成[8]通過數組模型試驗探討了影響反傾巖質邊坡穩定性的因素，得出巖層層面強度、巖層厚度是影響邊坡穩定性的重要因素，而巖層傾角對邊坡穩定性影響不大的結論；王林峰等[9]構建了由一組結構面切割時反傾巖質邊坡穩定性系數的力學計算方法；阿發友等[10]以汶川地震王家坪滑坡為原型，通過振動臺模型試驗驗證了反傾斜坡的變形破壞為淺層覆蓋層的整體滑動和受淺層覆蓋層滑動牽引而引起反傾巖層的傾倒-崩塌；楊國香等[11]研究了反傾層狀結構巖質邊坡加速度響應特性及在地震作用下的破壞機制；李春生[12]研究了強震作用下反傾巖質邊坡地震響應與變形破壞機理。

從目前國內外的研究現狀來看，鮮有關于支護結構作用下反傾巖質邊坡的動力響應研究。本文基于實際工程背景，選取預應力錨索樁板墻(下部)+預應力錨索框架梁(上部)的組合式支擋結構作為含多個泥化夾層的高陡反傾巖質邊坡的支護體系，對在泥化夾層含水量發生變化時支護結構的抗震性能開展大型振動臺試驗研究。

1振動臺模型試驗

1.1振動臺概況

試驗在中國核動力研究設計院振動臺試驗大廳進行。試驗設備為6自由度(沿3軸平動和繞3軸轉動)6 m×6 m地震模擬試驗臺，其主要特性為：臺面最大負載600 kN；水平向最大位移±150 mm，垂直向最大位移±100 mm；滿載時水平向最大加速度1g，垂直向0.8g；空載時水平向最大加速度3g，垂直向2.6g；頻率范圍在0.1～80 Hz；實驗數據采集系統為128通道BBM數據采集系統。

1.2相似設計

在進行相似試驗設計時，要使模型試驗遵循所有的相似條件往往是很困難的，甚至不可能。為使模型試驗能夠盡可能真實地反映原型的動力特性，應抓住影響現象內在規律的主要因素而省略一些次要準則。本次試驗選取幾何尺寸、密度和加速度作為模型試驗的控制量，按Buckingham π定理和量綱分析法導出其余物理量的相似關系。

1.3模型設計制作及測點布置

根據現場勘察資料，擬研究的原型邊坡為泥質粉砂巖和粉砂質泥巖互層，兩者均為軟巖。試驗采用重晶石:砂子:石膏:水=1:0.2:1:0.2的配比制作5 cm×10 cm×10 cm的模塊砌筑邊坡，泥化夾層取場地原狀土樣模擬(表1)。模型試驗中混凝土抗滑樁和框架地梁根據結構的抗彎剛度EI的相似比關系采用木條模擬，預應力錨索采用12 mm×3 mm(寬×厚)的Q235鋼片模擬，通過拉力傳感器來控制預應力的大小和監測軸力的變化。

表 1　相似材料主要參數

圖1為反傾層狀巖質邊坡試驗方案及傳感器測點位置圖。圖中A代表加速度傳感器，L代表拉力傳感器，J代表激光位移計，所有傳感器均沿模型邊坡中軸線布設。該模型邊坡內部含有6個泥化夾層，支護結構從下到上依次為預應力錨索樁板墻、預應力錨索框架(兩級支護)。制作完成后的模型全貌見圖2。

圖1　反傾巖質邊坡模型及傳感器布置示意圖 Fig.1　Diagram of anti-dip rock slope model and 　　　 sensor arrangement

圖2　制作完成后的模型全貌 Fig.2　The complet picture of test model

1.4試驗加載

試驗共輸入三種類型的地震波：EL Centro地震波(代號EL)、汶川—清屏波(代號WC)和人工波。考慮模型相似比及巖層面間剪切破壞能量等因素的影響，試驗采用原波進行XZ雙向激振，試驗開始前、結束后及輸入地震波峰值加速度發生改變時都進行時間長度不小于48 s的高斯平穩白噪聲激振的微震試驗。具體加載制度如表2所列。

表 2　振動臺試驗加載工況

2模型試驗結果分析

為研究含軟弱夾層的反傾層狀巖質邊坡在支護結構作用下的抗震性能，本次模型試驗從輸入地震波類型、峰值及軟弱夾層含水量的變化等方面進行討論。對模型加速度放大系數的分析，均為各測點的峰值加速度與自由場測點(即A1)的峰值加速度的比值。

2.1軟弱夾層干燥狀態下加速度響應

(1) 水平向加速度放大系數

汶川波激振下，坡面的加速度放大系數隨高程的增加而增大，隨輸入地震波峰值加速度的增大而變大，邊坡分級處加速度放大系數具有明顯的非線性特征。但當輸入PGA=0.3g地震波時各測點的加速度放大系數均開始出現減小的現象，尤其是邊坡中下部基本上不存在加速度放大效應。坡體內部的加速度放大趨勢現象與坡面上一致，坡面上各測點的加速度放大系數略大于坡體內部，說明在該支護結構體系作用下邊坡水平向加速度放大系數的臨空面放大效應顯著減小(圖3)。同時由于該振動臺試驗中受模型邊坡長度條件的限制，坡體內部的個別加速度測點由于離錨索距離較近，導致其測量的加速度與坡面上的相差不大。

圖3　汶川波激振下坡面及坡內X向加速度 　　　放大系數 Fig.3　Acceleration amplification coefficients in X-direction 　　　of the slope surface and inner slope under WC wave

EL Centro波激振下，坡體內部的加速度放大趨勢現象與坡面上的一致，限于篇幅本文只給出坡面上的放大效應(圖4)。與汶川波激振時不同的是EL Centro波激振下輸入PGA=0.3g地震波時，坡面各測點的加速度放大系數增加較劇烈且大于汶川波激振時，其他工況下各測點的加速度放大系數相差不大且均小于汶川波激振時。由此可得出，在支護結構體系作用下，坡面加速度放大系數的非線性高程增大效應和臨空面放大效應受限制的現象與輸入地震波類型無關，加速度放大系數出現轉折點的峰值加速度與輸入地震波的類型有關，但在輸入PGA≤0.3g地震波時，坡頂的加速度放大系數的最大值為1.9。

(2) 豎直向加速度放大系數

圖4　EL Centro波激振下X向加速度放大系數 Fig.4　Acceleration amplification coefficient in X-direction 　　　 under EL centro wave

在輸入地震波作用下，坡面上各測點的豎直向加速度放大系數為0.95～1.17(圖5)。坡體中上部的豎直向加速度放大系數略大于坡體下部，但無明顯的非線性高程放大效應，說明支護結構的作用和軟弱夾層的存在顯著地改變了邊坡坡面上的豎直向加速度放大效應。在組合支護結構體系作用下，坡面上各測點的水平向加速度放大系數均大于豎直向。

圖5　汶川波激振下Z向加速度放大系數 Fig.5　Acceleration amplification coefficients in Z-direction 　　　 under WC wave

2.2軟弱夾層飽和狀態下的加速度響應

(1) 水平向加速度放大效應

圖6　汶川波激振下X向加速度放大系數 Fig.6　Acceleration amplification coefficients in X-direction 　　　 under WC wave

軟弱夾層在注水飽和狀態下，其水平向加速度放大系數隨著高程的增加呈非線性增大趨勢，隨著輸入地震波PGA的增加而增大(圖6)。在輸入地震波PGA=0.3g時，坡體頂部的水平向加速度放大系數顯著增加，在PGA=0.4g時達到最大。當激振加速度峰值不大于0.21g時，受預應力錨索抗滑樁和框架地梁的共同作用，坡面中下部位受軟弱夾層的影響不明顯，其水平向加速度放大系數較小，且差異不大，最大值為1.13，這表明在組合支擋結構的作用下坡體中下部的整體性較強。在預應力錨索抗滑樁和預應力錨索框架結合處，其水平向加速度并沒有異常現象，這表明組合支擋結構結合處雖然約束作用相對較弱，但對水平向加速度放大系數的影響可以忽略不計。

軟弱夾層在注水飽和狀態與干燥狀態下的比較：在輸入地震波PGA≤0.21g時，泥化夾層飽水前各測點的加速度放大系數均大于飽水后；當輸入地震波PGA=0.3g時由于其加速度放大系數在飽水前開始減小而飽水后仍然隨激振加速度峰值的增加而增大，故表現為飽水前小于飽水后。產生這種現象的原因可能是由于軟弱夾層飽水后，其抗剪強度降低導致層與層之間的往復性滑動增強進而增加了能量的消耗，地震波攜帶的能量在坡體內向上傳播的過程中衰減變快。坡體下部3層軟弱夾層最先達到塑性狀態，坡體頂部即第二級邊坡的軟弱夾層達到塑性狀態的時間晚于底部，其在0.4g時加速度峰值放大系數達到最大。由此可判斷巖層傾角較小的含軟弱夾層的反傾高陡巖質邊坡在組合支擋結構的作用下，巖層的破壞模式為受軟弱夾層滑動牽引而發生傾倒-拉裂，導致框架梁上部最有可能先發生破壞，且破壞類型為以坡頂為支點向坡體內側轉動，導致頂部的錨索產生拔出破壞。地震作用下坡面框架測點的動位移峰值和永久變形值也能證明這種破壞類型的發生，如PGA=0.3g時，J2測點的動位移峰值和永久變形值分別為3.77 mm和-3.04 mm,而坡頂J4測點分別為1.92 mm和-1.00 mm。

組合支護結構作用下，EL Centro波激振時坡面上的水平向加速度放大系數具有明顯的分帶性，即當輸入地震波PGA≤0.3g時，坡面上各測點的加速度放大系數較小且不同激振加速度峰值時其值基本相同;輸入地震波峰值為0.4g和0.6g時二者的加速度放大系數明顯增大，但其值基本相同(圖7)。與軟弱夾層注水前比較：在輸入地震波PGA≤0.21g時，坡面的水平向加速度放大系數注水后略小于注水前，但差別不大，也就是說可以不考慮泥化夾層含水量變化的影響；當輸入地震波PGA=0.3g時，注水后的坡面水平向加速度放大系數基本不隨激振輸入地震波PGA的增加而增大，明顯小于注水前。產生這種現象的原因可能是由于泥化夾層注水后其剪切強度明顯降低，巖層之間相互錯動的趨勢增強，拉筋的彈性變形增強，在往復循環的拉伸-回彈變形過程中消耗能量急劇增多，從而導致放大系數顯著減小。如圖8所示，拉筋軸力監測點L3

圖7　EL Centro波激振下X向加速度放大系數 Fig.7　Acceleration amplification coefficients in X-direction 　　　 under EL Centro wave

的軸力響應時程曲線的波動性在泥化夾層注水后顯著大于注水前。

圖8　錨索監測點L3的響應軸力時程曲線 　　　(PGA=0.3g) Fig.8　Response axial force time-history curves at 　　　 monitoring point L3 (PGA=0.3g)

與汶川波激振時比較：組合支護結構作用下含泥化夾層的反傾巖質邊坡，在地震波PGA相同時，EL Centro波激振時坡面上的水平向加速度放大系數均小于汶川波激振下；隨著輸入地震波PGA的不同，EL Centro波激振時坡面的加速度放大系數具有分帶特征，在PGA=0.4g時加速度放大系數才開始出現增大的現象，而汶川波激振時其放大系數隨輸入地震波峰值加速度的增大逐漸增大，在PGA=0.4g時達到峰值。

(2) 豎直向加速度放大效應

泥化夾層注水后，坡面各測點的豎直向加速度放大系數介于1.01～1.36之間，基本上是隨著高程的增加而增大(圖9)。A2測點的豎直向加速度放大系數略大于A4，造成這種現象的原因是由于A2位于不同類型支護結構的結合處，其約束作用相對較弱。泥化夾層注水后，在組合支護體系作用下，反傾巖質邊坡1/3高度以下基本不存在加速度放大效應，坡面上各測點的水平向加速度放大系數均大于豎直向。

圖9　汶川波激振下Z向加速度放大系數 Fig.9　Acceleration amplification coefficients in Z-direction 　　　 under WC wave

3結論

本文依據某原型工點設計并完成了一個1∶30的大比例尺高陡反傾層狀巖質邊坡的振動臺模型試驗，通過分析試驗數據，得出以下結論：

(1) 在組合支護結構作用下，坡面水平向加速度放大系數的非線性高程增大效應和臨空面放大效應均受限制，與輸入地震波類型無關。其值在汶川波激振下隨著輸入地震波PGA的增加而呈現先增加后減小的現象，但出現轉折點時的PGA受泥化夾層含水量變化的影響顯著，注水前早于注水后；EL Centro波激振時注水飽和后坡面上的水平向加速度放大系數具有明顯的分帶特征；

(2) 坡面各測點的豎直向加速度放大系數在泥化夾層含水量增加時具有明顯的非線性高程放大效應，且均小于水平向加速度放大系數；注水后的水平向加速度放大系數小于注水前，豎直向加速度放大系數則相反；

(3) 組合支護體系作用下坡體中下部的抗震加固效果顯著，預應力錨索樁板墻以下基本不存在加速度放大效應；邊坡分級支護可有效降低水平向加速度放大系數的增加，但會使豎直向加速度放大系數增大，從而產生不利作用；

(4) 對于巖層傾角較小的含多個軟弱夾層的反傾高陡巖質邊坡，在組合支護結構作用下，邊坡的破壞模式可能為上部受軟弱夾層滑動牽引而發生傾倒-拉裂變形，導致頂部框架梁最有可能先發生破壞，且破壞類型可能為以坡頂為支點向坡體內側轉動，引起上部的錨索(桿)產生拔出破壞。

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