地震作用下順層巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性研究

劉洋 馬素健 張良 郭雪巖 陳偉庚

（1.中科（湖南）先進軌道交通研究院有限公司，湖南株洲412000；2.西南交通大學土木工程學院，成都610031；3.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣州510000）

我國西南地區(qū)位于印度洋板塊與亞歐板塊交界處，以山地為主，褶皺、斷層發(fā)育密集且活動頻繁，地震頻發(fā)、強度高，易誘發(fā)大規(guī)模滑坡。邊坡發(fā)生滑塌后能夠迅速摧毀周邊建（構(gòu)）筑物，特別是鐵路工程中的隧道、橋梁、路基等基礎(chǔ)設(shè)施。比如2016年長荊鐵路發(fā)生大面積滑坡，導致線路中斷數(shù)十日，造成巨額經(jīng)濟損失。2019年成昆鐵路一處山體發(fā)生滑坡，造成線路被掩埋及人員傷亡。因此，有必要對巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律進行深入探討。

國內(nèi)外學者對于地震作用下的邊坡穩(wěn)定性做了大量研究。言志信等［1］利用FLAC 2D分析了順層邊坡的地震動力響應(yīng)規(guī)律，揭示了多種參數(shù)對響應(yīng)規(guī)律的影響。劉紅帥［2］針對巖質(zhì)邊坡在地震動隨機荷載下的穩(wěn)定性展開研究，給出巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的有限元分析方法。陳鵬等［3］利用地震模型得到使用永久位移作為失穩(wěn)條件模擬計算邊坡破壞可能性的方法。董金玉等［4］設(shè)計了基于汶川地震波的振動臺試驗，揭示了汶川地震波下邊坡的破壞特征和機制。黃潤秋等［5］通過振動臺試驗，對于順層和反傾邊坡在強震作用下坡面和坡體內(nèi)部PGA放大效應(yīng)展開研究，揭示了強震條件下層狀邊坡的地震動力響應(yīng)和失穩(wěn)破壞機制。已有的研究從時域角度分析了邊坡的破壞機制，但未從頻域角度對誘發(fā)邊坡破壞的地震波進行分析。對于地震作用下的巖質(zhì)邊坡，從時域角度分析可以探究其破壞過程，而從頻域角度分析可以研究誘發(fā)其破壞的主要響應(yīng)頻段。

本文基于相似原理設(shè)計不同烈度EL Centro地震波作用下順層巖質(zhì)邊坡振動臺試驗，通過加速度沿標高的放大效應(yīng)以及不同測點的傅里葉頻譜特性研究順層邊坡的地震動力響應(yīng)規(guī)律和破壞機制。

1 試驗方案

目前，研究地震動力響應(yīng)最有效、最可靠的途徑是進行振動臺試驗［6-7］。通過試驗實測，可以直觀地觀察巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律并可通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理為后續(xù)工作提供參考?；谙嗨评碚摰氖覂?nèi)模型振動臺試驗可對邊坡進行重復測量，排除了地震發(fā)生的偶然性、監(jiān)測困難等缺陷，試驗結(jié)果接近實際地震發(fā)生時邊坡的運動狀況。

1.1 相似條件

保持模型和原型相似是振動臺試驗的關(guān)鍵，但由于材料、技術(shù)、相關(guān)試驗設(shè)備及各種操作的原因，模型和原型不可能完全相似。因此，縮尺試驗設(shè)計須針對可以體現(xiàn)試驗關(guān)鍵的指標進行相似設(shè)計。相似理論中認為兩類物理現(xiàn)象是相似的，如它們滿足幾何相似、運動學相似和動力學相似。本試驗的幾何相似比選用1∶10，分析整理了12個獨立的物理量，見表1。

表1 振動臺試驗相似常數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

本次試驗所采用的大型單向地震模擬振動臺見圖1。臺面尺寸為3 m×3 m，最大承載量為10 t，最大速度為0.7 m/s，工作頻率為0.1～50.0 Hz，位移為-125～125 mm，最大加速度為15 m/s2。由于模型的尺寸較大且剛度要求較高，試驗采用鋼板+型鋼的剛性模型箱，內(nèi)部測量尺寸為2.2 m（長）×2 m（寬）×1.6 m（高）。

圖1 順層巖質(zhì)邊坡單向地震模擬振動臺

為了便于觀察和記錄試驗過程中邊坡模型變形破壞現(xiàn)象，模型箱兩側(cè)采用有機玻璃實現(xiàn)可視化，在模型與玻璃之間涂抹凡士林減小摩擦。為減小模型的邊界效應(yīng)，采用聚乙烯泡沫作為減震層。為增大箱底與模型之間的摩擦從而減小相對位移，在模型箱底部采用環(huán)氧樹脂黏結(jié)碎石構(gòu)造摩擦面。

采用電容式三向加速度傳感器，量程0～2g；諧振頻率大于5.5 kHz；三軸靈敏度450 mV/g左右；誤差±3 dB下的頻率響應(yīng)：x軸為0～1 400 Hz，y軸為0～1 400 Hz，z軸為0～600 Hz；外形尺寸為16 mm（長）×15 mm（寬）×8 mm（高）。此外，在傳感器的外面澆筑一層硅膠用于防水。

1.3 試驗工況

輸入EL Centro地震波，根據(jù)相似理論模型與原型之間的輸入波形保持一致，僅按照時間的相似準則進行調(diào)整。通過從小到大逐級調(diào)節(jié)加速度的幅值實現(xiàn)不同烈度地震波的加載，在加載前均進行0.05g白噪聲掃描，見表2。在邊坡表面和內(nèi)部從上到下均勻布置4個測點，在自由場布置1組加速度測點，見圖2。

表2 順層巖質(zhì)邊坡振動臺試驗加載工況

圖2 順層巖質(zhì)邊坡測點布置（單位：cm）

2 試驗結(jié)果

2.1 邊坡加速度響應(yīng)特征

地震作用下邊坡不同部位加速度會產(chǎn)生不同的放大或減小效果［8］。由于不同坡體之間巖土層的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、形態(tài)特征等差異，地震波在坡體內(nèi)的傳播也有差異，因此不同邊坡的失穩(wěn)形式也不同［9］。為探究不同烈度EL Centro地震波下PGA放大系數(shù)沿標高的變化情況，沿邊坡坡面布置4個測點，在邊坡底部布置2個測點，將測量結(jié)果對比分析，得到各點沿標高的PGA放大系數(shù)以及在輸入地震波加速度峰值為0.1g，0.2g，0.4g，0.7g時順層巖質(zhì)邊坡的響應(yīng)特征，見圖3?？芍?，邊坡中上部均呈現(xiàn)不同程度的PGA放大，基本呈現(xiàn)非線性關(guān)系。在標高0.4 m以下，輸入地震波加速度峰值為0.1g時放大最明顯，輸入地震波加速度峰值為0.2g，0.4g，0.7g時放大系數(shù)接近；在標高0.5 m附近，中高烈度PGA放大系數(shù)差異不大。因此邊坡下部更易受低烈度地震波影響而產(chǎn)生破壞。

在0.2g和0.4gEL Centro地震波作用下，邊坡走向和豎直方向PGA放大系數(shù)彼此相差不大且沿標高變化規(guī)律相似。地震波烈度對標高0.5 m以上部位的影響由大逐漸變小，即0.5 m以上標高時PGA放大系數(shù)與地震波烈度成正相關(guān)關(guān)系。定義PGA放大系數(shù)為A（Amplification Coefficient），即不同烈度放大效應(yīng)關(guān)系為A0.7g＞A0.4g＞A0.2g＞A0.1g；對于順層邊坡臨空面方向，即地震波的加載方向，PGA放大系數(shù)與地震波烈度在標高0.5 m以下基本成負相關(guān)關(guān)系，說明邊坡的穩(wěn)定性與地震波的施加方向有關(guān)。

圖3 順層邊坡PGA放大系數(shù)

2.2 邊坡加速度頻譜變化規(guī)律

將0.2gEL Centro地震波作用下邊坡表面4個測點的加速度時程進行傅里葉變換，得到各測點不同方向的傅里葉譜曲線。邊坡走向方向加速度傅里葉譜見圖4。可知，在0.2gEL Centro地震波作用下，邊坡走向方向傅里葉譜的卓越頻率主要集中于0～20 Hz，20～40 Hz，40～60 Hz。隨著標高增大（4#測點至1#測點），0～20 Hz頻段加速度幅值在中下部差別不大，在頂部放大2倍左右，20～40 Hz和40～60 Hz頻段加速度幅值隨標高逐漸增大，在頂部近似放大2倍；而高頻段（60～80 Hz）幅值則在中下部無明顯改變，在頂部甚至有被削弱的趨勢。

圖4 邊坡走向方向加速度傅里葉譜

臨空面方向加速度傅里葉譜見圖5，可知在0.2gEL Centro地震波作用下，邊坡臨空面方向傅里葉譜的卓越頻率主要集中于0～20 Hz，20～40 Hz，40～60 Hz。隨著標高增大，0～20 Hz頻段加速度幅值在中下部以2倍速率逐漸增大，在頂部測點處則迅速減弱；20～40 Hz頻段加速度幅值在中下部也以接近于2倍速率增長，而在頂部測點處迅速減弱；40～60 Hz頻段加速度幅值則隨標高上下波動；而高頻段（60～80 Hz）幅值則無明顯變化。推測這種現(xiàn)象可能與地震波的加載方向有關(guān)。

圖5 邊坡臨空面方向加速度傅里葉譜

豎直方向加速度傅里葉譜見圖6，可知在0.2gEL Centro地震波作用下，邊坡豎直方向傅里葉譜的卓越頻率主要集中于0～20 Hz，20～40 Hz，40～60 Hz。隨著標高增大，3個頻段內(nèi)加速度幅值呈遞增趨勢，在頂部測點處加速度幅值放大效應(yīng)最明顯，0～20 Hz，20～40 Hz頻段加速度幅值遞增趨勢較明顯，而40～60 Hz頻段加速度幅值增加幅度比前2個頻段小，高頻段幅值（60～80 Hz）大致呈減弱趨勢，在頂部逐漸趨于0，即巖質(zhì)邊坡對于高頻段地震波產(chǎn)生了削減作用。

圖6 邊坡豎直方向加速度傅里葉譜

綜上，EL Centro地震波作用下順層邊坡模型第一階自振頻率可能位于20 Hz附近，且?guī)r質(zhì)邊坡對于地震波低頻段的加速度幅值具有顯著的放大作用，而對于高頻段的加速度幅值則具有一定的削減作用。

3 結(jié)論

1）在不同烈度地震波下，順層巖質(zhì)邊坡中上部均呈現(xiàn)不同程度的PGA放大效應(yīng)，邊坡下部更易受低烈度地震波影響出現(xiàn)破壞，邊坡走向方向和豎直方向的PGA放大系數(shù)相差不大且變化規(guī)律相似，邊坡中上部PGA放大系數(shù)與地震波烈度成正相關(guān)關(guān)系。臨空面方向PGA放大系數(shù)與地震波烈度成負相關(guān)關(guān)系。

2）在0.2gEL Centro地震波作用下，順層巖質(zhì)邊坡傅里葉譜的卓越頻率大致集中于低頻段。隨著標高增大，3個方向加速度幅值都產(chǎn)生放大效應(yīng)，且低頻段的放大效應(yīng)較顯著，高頻段的加速度幅值基本無變化，甚至在頂部減小。因此，巖質(zhì)邊坡對于地震波低頻段的加速度幅值具有放大作用，而對于高頻段的加速度幅值則具有一定的削減作用。