強震條件下巨型滑坡滑帶碎裂機制物理模擬研究

馬艷波(四川省地質工程勘察院集團有限公司， 四川 成都 610072)

0 引 言

大光包滑坡因汶川地震致滑，因其破壞強、規模大、變形獨特和機理復雜，備受世人關注，它是我國目前已知的危害最廣、破壞最強、規模最大的滑坡體[1].為了加深對大光包滑坡的認識和研究，本研究從分析滑帶和滑床巖體的損傷特征方面著手，結合振動模擬試驗演示地震中巖體損傷過程，對強震巨型滑坡滑帶碎裂機制進行了理論分析和試驗印證，深化了對大光包滑坡成因機理的認識.

1 工程地質條件概況

作為研究對象的大光包滑坡，位于四川省綿陽市安縣高川鄉泉水村北偏西側5 km，估算體積約為7.5×108m3[2].相關調查表明，該滑坡區域為高山深切峽谷地貌，地勢東南低而平緩，西北高而陡峻，群山起伏，溝谷發育.該區地層滑帶巖體由白云巖夾磷礦石組成，滑床為塊狀及葡萄狀富藻白云巖.區域構造為龍門山構造帶前陸逆沖推覆體與中央沖斷推覆體結合處，龍門山前陸逆沖推覆體中NE向延伸的大水閘背斜從大光包滑坡穿過，具逆沖—推覆滑脫—走滑組合特點，主要為脆性兼有韌性.近場區地震動具歷時漸小、較高峰值和長歷時的速度脈沖特征，地震波垂直振動隨距離增加衰減快，水平沿斷層影響范圍大.相關研究證實，汶川地震是龍門山構造帶上的中央斷裂和前山斷裂共同錯動造成的，是一次以逆沖為主，具少量右旋走滑分量的地震[3].

2 滑帶碎裂特征

2.1 滑帶巖體結構特征

研究表明，大光包滑坡滑帶巖體具有組分復雜、風化差異程度高、節理裂隙極端發育和完整性差的特殊組合特征(見圖1)[1].現場勘探發現， 巖體的結構特征受構造、風化共同作用，先期構造運動使巖體內部產生原生裂隙，后經風化作用改造，巖體發育眾多原生和次生裂隙，具體如圖2所示.

圖1 滑坡殘留滑帶全貌圖

通過滑床面裂隙素描和探槽開挖查明，該滑床巖體裂隙節理閉合無填充，具體如圖3所示.

由圖3可知，滑床面節理發育雖略有差異，但規律特征明顯，發育三組優勢節理，主要是構造運動產生，組合切割控制著巖體結構特征.巖體結構面組合特征詳見圖4.

圖4 巖體結構面組合特征

圖4表明，巖體結構面空間組合切割控制巖體，弱化了巖體性質，為巖體缺陷發展創造了先決條件和物質基礎.

2.2 滑帶巖體碎裂特征

本研究通過在典型滑帶剖面處開挖探槽取樣進行顆粒分析，查明了各個粒組占比數量，從而分析滑帶巖體碎裂化程度，結果如圖5所示.

(a)1#剖面處滑帶不同深度巖樣顆分曲線

圖5 滑帶不同深度巖樣顆分試驗曲線

由圖5可知，研究區域滑帶碎裂化成角礫和砂土，顆粒上部較下部細.

同時，進一步通過鉆探、槽探編錄、顆粒分析和孔內探視發現，滑床巖體淺表層存在不同程度的碎裂損傷，但整體上巖體質量隨埋深漸好.可見，巖體破碎特征與巖體風化程度、巖體結構特征和地震荷載關系密切.本研究中，勘探手段相互印證，結果一致.

3 滑帶碎裂因素及成因機制分析

3.1 滑帶碎裂因素分析

滑帶巖體損傷碎裂化是內因和外因共同作用的結果.內因起主控作用，是巖體發生損傷碎裂化的先決條件和物質基礎；外因是啟動因素，通過內因發揮作用.本研究認為，導致滑帶損傷碎裂化的內因主要含有地形地貌、地層巖性、地質構造和巖體結構特征等，外因有地震荷載、降雨、風化作用及采礦活動等.

3.2 滑帶碎裂成因機制分析

內外因共同作用導致滑帶巖體損傷碎裂化.地震波是一種具有沖擊壓剪作用的復雜的應力波，為最主要的外在誘因，其在巖體中的傳播過程非常復雜.可以認為，地震是產生滑坡和滑帶巖體損傷碎裂化的導火索和“元兇”[1].同時，大光包滑坡巖體受風化和構造作用，發育了眾多軟弱帶或裂隙等缺陷部位，地震波在經過這些部位時會發生反射、透射和衍射現象，發生復雜的動應力分異[4]，使自由表面或裂紋尖端產生附加應力集中，隨著震動能量作用正比例變化，張拉裂紋，當剪切應力超越巖體強度承受極限時，能量釋放，就會引起裂紋的擴展、穿晶、貫通，最后破裂成宏觀破裂面，劣化巖體質量，破壞其完整性和降低其力學性質.

4 振動臺物理模擬試驗研究

4.1 振動臺模型試驗設計思路

本研究在試驗中，利用相似原理，滑體采用澆筑的混凝土，提供重力荷載，滑帶巖體采用模擬材料配比制成，為受荷載沖擊作用的一方，振動臺上施加豎向振動，模擬地震荷載，利用概化的模型演示地震對巖體損傷的作用過程.

4.2 振動臺模型試驗原理

試驗采用的振動臺是成都理工大學研發的，具有液壓施加初始位移、液壓鎖緊、瞬間釋放型彈簧式二維振動機、電、液一體化試驗臺.振動臺模型試驗原理采用相似理論及量綱分析法[5]，相似常數見表1.

表1 試驗物理量相似關系[1]

4.3 模型制備與試驗方案

4.3.1 模型制備配比.

在試驗中，通過與模型相似材料比選及特性研究，最終確定上覆巖體混凝土強度等級為C30，配比為水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.25∶2.91∶0.43；下覆滑帶巖體相似材料的配比方案為重晶石粉∶石膏∶石英砂∶水=75∶1.1∶25∶12.2.具體測試參數見表2.

表2 測試參數數據表[1]

4.3.2 試驗方案選定.

綜合考慮設備條件、試驗目的和要求，本試驗下部滑床巖體利用模擬材料制作成有側限和無側限兩種.主要模擬地震荷載豎向振動沖擊波對滑帶巖體的損傷裂化，模擬試塊表層做成水平，并在制成的模擬材料表層、中部和深部分別預埋應力計用以監測應力動態變化過程，養護7 d備用.模型制作安裝如圖6所示.

圖6 模型安裝完備圖

綜合考慮地震特點、設備條件、試驗目的和加載方式，選定振動試驗模擬參數如表3所示.

表3 振動臺模擬試驗方案[1]

4.4 試驗結果與分析

4.4.1 巖體損傷動力響應.

試驗的加速度時程曲線如圖7所示.模擬的振動波似正弦曲線，加速度隨加載時程遞減，振動持續時間和垂向峰值加速度同原型初始條件相當.

圖7 模擬加速度時程曲線

本研究共做了5組平行的物理模擬試驗.試驗范圍包括側限和無側限、滑帶材料密實度和硬脆性、邊界條件和滑帶厚度等.其中，側限，第一組振動有側限，其余四組無側限；密實度，一二三組遞減；第四、五組試驗模擬材料制作硬脆的夾層，兩者厚度和石膏含量有所不同.

本研究均以第五組試驗(無側限、硬脆)為例進行分析，其垂向振動各測點應力時程曲線如圖8所示.

模擬振動過程中，不同點位上應力時程曲線有所不同，應力變化隨振動能量向下傳播呈遞減趨勢，應變和巖體內部損傷情況可由應力變化間接反映，監測應力變化，可揭示損傷碎裂機制.

4.4.2 巖體損傷特性分析.

通過模擬試驗發現，滑帶模擬材料上發育程度不同的裂紋，出現碎裂.追蹤主裂紋和細裂紋以及應力變化過程發現，巖體中先形成眾多的大小各異的主裂紋，而后隨荷載作用，主裂紋繼續發展，形態由直線到齒狀或臺階狀，貫通連接成網狀、輻射狀拓展或延伸，形態隨振動能量衰減漸變曲折生成大量細裂紋，直至尖滅.滑帶損傷特征如圖9所示.

4.4.3 巖體損傷機理分析.

本研究用來模擬地震豎向加速度壓剪作用的沖擊荷載由振動試驗平臺提供.其中模型在加工過程中不可避免存在缺陷，與自然情況較為吻合.振動將產生振動機械波，沖擊壓縮作用會集中于微裂紋發育的地方，產生界面動應力效應，拉張、 剪切使巖體發生不同程度的損傷劣化，試驗中觀察到的表層碎裂、裂紋發育擴展即為驗證.此外，滑帶軟弱層的阻尼效應，吸附能量的振動波在硬質界面之間的夾層內來回高頻沖擊，使巖體產生累進性損傷.

圖8 試驗五垂向振動各測點應力時程曲線

試驗結果表明，滑帶巖體損傷碎裂化實際就是在地震荷載作用下，巖體內部微裂紋或缺陷動態演化的累進過程[1].

5 結 論

本研究分析了地震致滑帶巖體碎裂機制，通過現場調查查明滑帶巖體碎裂特征后，按相似原理利用室內模擬展示了振動臺物理模擬試驗，再現了地震荷載下巖體損傷過程.野外調查和室內模擬相互佐證， 加深了對地震致滑帶巖體損傷碎裂化的成因機制的認識，達到了預定目標.本研究認為，野外調查和室內物理模擬對分析損傷碎裂化機理提供了強而有力的支撐.此也表明，物理模擬試驗相比單一的理論分析更為有效.

圖9 試驗五滑帶損傷特征