基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的黃土塬邊斜坡變形失穩(wěn)模式研究

李福秀, 吳志堅(jiān), 張 丹, 趙多銀, 梁 超

(1. 中國(guó)地震局蘭州地震研究所 黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000;2. 南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 江蘇 南京 210009; 3. 蘭州交通大學(xué), 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

黃土是第四紀(jì)以來(lái),在干旱半干旱氣候條件下,由風(fēng)力作用和成土作用形成一種多孔隙、弱膠結(jié)的第四紀(jì)陸相松散沉積物。主要分布在我國(guó)的昆侖山、祁連山、秦嶺、魯東地區(qū)與遼東半島山地一線以北的區(qū)域[1],分布面積達(dá)64萬(wàn)km2,占國(guó)土面積的6.6%。其中西北地區(qū)的黃土高原以覆蓋廣、厚度大、大面積連續(xù)、地層的完整性而著稱于世。與其他土類相比,黃土具有極強(qiáng)的水敏性、濕陷性、動(dòng)力損傷特性[2]。同時(shí),黃土高原地區(qū)為強(qiáng)震多發(fā)地帶,歷史上強(qiáng)震頻發(fā)(MS≥8:6 次;MS≥7:22 次;MS≥6:52次[3]),高危的地質(zhì)背景與黃土特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定了黃土高原地震地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)性。

黃土塬是黃土高原最主要的居住地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地,也是黃土滑坡、崩塌的高發(fā)地帶。該區(qū)域受斷裂構(gòu)造、暴雨的影響易形成高陡邊坡,為黃土滑坡的形成與發(fā)展提供了有利的地形地貌條件。由于長(zhǎng)期的降雨作用,雨水沿著節(jié)理裂隙進(jìn)入斜坡體,水對(duì)坡體的機(jī)械侵蝕與化學(xué)潛蝕作用促進(jìn)裂隙的貫通,從而破壞了坡體的完整性。在“塬-梁-峁”的演化過(guò)程中,受內(nèi)外營(yíng)力共同作用,尤其是地震活動(dòng)的作用,會(huì)形成大量的塬邊滑坡。這類滑坡具有突發(fā)性、隱蔽性、巨災(zāi)性的特點(diǎn),導(dǎo)致塬面不斷退化,嚴(yán)重影響了人們的生活及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng),制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

斜/邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題是一個(gè)多學(xué)科交叉的復(fù)雜問(wèn)題,由于各學(xué)科間的隔閡,導(dǎo)致其動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題發(fā)展很不成熟[4],同時(shí)國(guó)內(nèi)外對(duì)地震滑坡研究成果較多,但關(guān)于裂隙存在的塬邊斜坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)、變形過(guò)程及其穩(wěn)定性方面的研究較少。目前對(duì)于黃土斜坡失穩(wěn)機(jī)制最主要的研究方法是物理模型法、數(shù)值模擬法。吳志堅(jiān)等[5]通過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了低角度、低含水率的黃土斜坡的失穩(wěn)變形破壞過(guò)程。王蘭民等[6]利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)地震和降雨耦合作用下斜坡失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行劃分,并對(duì)失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行探討。張澤林等[7]通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件與離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)合的方法,研究了坡體內(nèi)部的位移同輸入地震波振幅增加的響應(yīng)情況。Wang等[8]利用粒子圖像測(cè)速分析技術(shù)對(duì)斜坡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。Gao等[9]通過(guò)能量理論與數(shù)值模擬結(jié)合的方法,對(duì)具有初始裂縫的斜坡的破壞過(guò)程進(jìn)行分析。但是上述研究并沒(méi)有對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)的斜坡在同等加載條件下的變形破壞過(guò)程以及力學(xué)機(jī)制。

本文以甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)代表性的后緣裂隙發(fā)育的黃土塬邊斜坡為原型,設(shè)置含裂隙、不含裂隙的兩個(gè)模型斜坡。對(duì)比分析兩種結(jié)構(gòu)的斜坡在地震作用下的失穩(wěn)特征,探討裂隙對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響。開(kāi)展并完成相似比1∶25的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),揭示含裂隙的塬邊斜坡與不含裂隙的塬邊斜坡在地震下的破壞形式以及變形破壞機(jī)制,為黃土塬邊地區(qū)地震滑坡的防災(zāi)減災(zāi)和抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)在中國(guó)地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型電伺服式振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行(見(jiàn)圖1)。該臺(tái)面尺寸為4 m×6 m,共由28臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)水平(x)、垂直(z)及水平垂直耦合振動(dòng)。最大承載:Fx=25 t,Fz=15 t,頻率范圍fx=0.1～70 Hz。fz=0.1～50 Hz,最大位移:ux=±250 mm,uz=±100 mm;最大加速度:x、z向單獨(dú)加振時(shí),ax=1.7g,az=1.2g;x、z向聯(lián)合加振時(shí),ax=1.2g,az=1.0g,g為重力加速度。

圖1 振動(dòng)臺(tái)與模型箱Fig.1 Shaking table and model box

本次試驗(yàn)順序?yàn)?模型斜坡的選取→相似關(guān)系設(shè)計(jì)→相似材料配比的確定→模型制作→加載方案的確定。

1.2 研究背景

平?jīng)鲠轻紖^(qū)地處六盤山和黃土高原的過(guò)渡地帶,區(qū)內(nèi)溝壑縱橫,梁峁起伏,地勢(shì)西高東低,最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高差1 145 m。黃土塬廣泛分布于涇河兩岸。研究區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。出露地層主要為白堊系泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖,新近系棕紅色黏土,第四系午城、離石、馬蘭黃土,區(qū)域內(nèi)的黃土地貌主要分為侵蝕構(gòu)造低中山、剝蝕堆積黃土丘陵與侵蝕堆積河谷平原三大類[10-11]。

本次試驗(yàn)以崆峒地區(qū)黃土塬邊地區(qū)某含裂隙斜坡為原型,為突出裂隙在斜坡中的影響,引入一個(gè)模型參數(shù)相同的無(wú)裂隙斜坡的對(duì)比模型。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè),原型斜坡長(zhǎng)31.75 m、寬35 m、高25 m,深裂隙長(zhǎng)、寬、深分別為2.5 m、0.125 m、7.5 m,距坡肩5 m,淺裂隙的尺寸為12.5 m、0.075 m、5 m ,距坡體前緣2.5 m。由于實(shí)際地形略微起伏,較為復(fù)雜。因而將原型斜坡進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,斜坡原型與簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。

圖2 原型斜坡與簡(jiǎn)化模型Fig.2 Prototype slope and simplified model

1.3 模型相似設(shè)計(jì)

由于振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸、承載能力等條件的限制,模型試驗(yàn)只能采用縮尺試驗(yàn),為了使模型能夠客觀地反映原型的動(dòng)力特性,原型與模型應(yīng)盡量滿足相似性。原型與模型之間,不僅僅要求幾何條件相似,還包括彈性模量相似、材料相似等。為了模擬大型的黃土塬邊斜坡,尺寸相似常數(shù)應(yīng)盡可能取得較大值,但考慮到模型箱尺寸,本次試驗(yàn)幾何尺寸相似常數(shù)取25,可以模擬27.5 m高的黃土塬邊斜坡。由于模型的復(fù)雜性與客觀條件的局限性,很難滿足所有參數(shù)的相似性,因而需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康尼槍?duì)性地選擇主要控制參數(shù),忽略次要控制參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)以幾何尺寸、材料密度、重力加速度作為基本量綱,其相似常數(shù)分別為Cl=25,Cρ=1,Ca=1,由Buckingham理論(π定理)和量綱分析推導(dǎo)出其余物理量[12-13],最終確定的相似關(guān)系如表1所列。

表1 相似準(zhǔn)則計(jì)算表

1.4 材料配比

試驗(yàn)中的模型土土體材料由黃土、粉煤灰、鋸末(0.5mm篩)、水、重晶石粉配合而成。重晶石粉主要起配重作用。粉煤灰是一種無(wú)黏性的彈性顆粒,有降低黏聚力的作用。木屑能夠提高模型土體的內(nèi)摩擦角。通過(guò)調(diào)整模型土中各材料的含量,可以使模型土的黏聚力、內(nèi)摩擦角、密度等參數(shù)與真實(shí)的目標(biāo)值接近[14]。通過(guò)大量的室內(nèi)配比試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、靜三軸試驗(yàn)最終確定模型土的材料配比為黃土∶重晶石粉∶粉煤灰∶鋸末∶水=0.5∶0.2∶0.21∶0.03∶0.06。對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)列于表2。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

1.5 模型制作

本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用剛性模型箱,模型箱內(nèi)部尺寸為2.8 m(長(zhǎng))× 1.4 m(寬)× 1.4 m(高)。由于剛性邊界處波的反射和折射效應(yīng)可能會(huì)對(duì)模型斜坡造成二次破壞,因而在模型振動(dòng)方向的前后兩側(cè)各粘貼一塊5 cm厚的聚苯乙烯泡沫海綿,用于吸收邊界處的能量。模型箱兩側(cè)采用透明有機(jī)鋼化玻璃,便于觀察整個(gè)試驗(yàn)的變形破壞過(guò)程。

模型試驗(yàn)的斜坡制作采用從下到上分層鋪設(shè)的方法。每次夯實(shí)厚度控制在10 cm,在鋪設(shè)的過(guò)程中,通過(guò)控制壓實(shí)度來(lái)控制鋪設(shè)質(zhì)量。每層鋪設(shè)完畢后在表面的三個(gè)不同位置進(jìn)行環(huán)刀測(cè)試,使其與原型土的密度保持一致。在每一層相似材料夯實(shí)后,表面進(jìn)行打毛處理,避免層間出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象,并用預(yù)制鋁制隔板來(lái)模擬后緣裂隙。其中左斜坡為含裂隙斜坡模型,在距離坡肩10 cm和20 cm處,分別布設(shè)一條長(zhǎng)50 cm、寬3 mm、深20 cm的淺裂隙與一條長(zhǎng)100 cm、寬5 mm、深30 cm的深裂隙(圖3)。當(dāng)土層鋪設(shè)至預(yù)設(shè)裂隙發(fā)育處時(shí),插入深、淺裂隙所對(duì)應(yīng)的預(yù)制鋁制隔板,隔板用保鮮膜包裹,并在表面涂抹凡士林。模型鋪設(shè)完成后,養(yǎng)護(hù)24 h后人工拔出隔板。

圖3 斜坡的縱向剖面圖(單位:mm)Fig.3 Longitudinal profile of the slope (Unit:mm)

1.6 加載方案

試驗(yàn)按照相似比將汶川湯峪波進(jìn)行壓縮(5倍),分別對(duì)其水平x向、垂直z向加載,并分別按照Ⅵ(所對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)峰值加速度amax=0.089g),Ⅶ(amax=0.17g),Ⅷ(amax=0.35g),Ⅸ(amax=0.70g)逐級(jí)加載,加載的最大加速度分別54 gal、95 gal、195 gal、355 gal、517 gal。研究不同烈度下斜坡的破壞情況,具體加載工況列于表3。加載用的汶川湯峪波的加速度時(shí)程曲線與頻譜曲線如圖4示。

表3 試驗(yàn)加載工況

圖4 汶川湯峪波Fig.4 Wenchuan Tangyu wave

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 斜坡動(dòng)力破壞特征

試驗(yàn)中對(duì)每一級(jí)地震荷載施加后斜坡的破壞現(xiàn)象進(jìn)行攝影與拍照記錄,通過(guò)分析破壞現(xiàn)象,可以發(fā)現(xiàn):

當(dāng)輸入幅值a=54 gal時(shí)(對(duì)應(yīng)Ⅵ度基本烈度),在水平荷載與垂向荷載作用下,兩種結(jié)構(gòu)的坡體均未出現(xiàn)明顯的裂隙和變形。

當(dāng)?shù)卣鸩ㄝ斎敕礱=95 gal時(shí)(Ⅶ度基本烈度)。在水平向地震荷載作用下,含裂隙斜坡在坡面中上部產(chǎn)生兩條橫向拉張裂縫,其中1#裂縫位于坡面上部,距坡肩6 cm,長(zhǎng)8 cm;2#裂隙距坡肩9 cm,長(zhǎng)4 cm。此時(shí)距坡肩較近的淺裂隙附近土體完全震松坍塌,距坡肩較遠(yuǎn)的深裂隙部分坍塌。而無(wú)裂隙斜坡僅在坡面出現(xiàn)數(shù)條微裂隙。在垂向地震荷載作用下,兩種結(jié)構(gòu)的坡體破壞現(xiàn)象未發(fā)生明顯變化(圖5)。相對(duì)而言,水平加載的地震波對(duì)坡體的破壞更大。

圖5 Ⅶ度基本烈度斜坡破壞情況Fig.5 Slope failure in the area of basic seismic intensity Ⅶ

當(dāng)輸入幅值a=195 gal時(shí)(Ⅷ度基本烈度),在水平向地震荷載作用下,兩種結(jié)構(gòu)的表面發(fā)生小規(guī)模的溜土。含裂隙斜坡坡頂深裂隙附近的土體完全坍塌,深淺裂隙之間的土體呈碎散狀破壞,并且淺裂隙的兩端逐漸向臨空面呈弧形擴(kuò)展。坡面中上部的兩條裂隙繼續(xù)擴(kuò)張,坡腳處附近出現(xiàn)數(shù)條微裂隙。而無(wú)裂隙斜坡分別在坡頂、坡面產(chǎn)生了兩條裂隙。其中3#裂隙位于坡體頂部,斷斷續(xù)續(xù)的分布于距坡肩8 cm處的位置;4#裂隙位于坡面,距坡肩17 cm,長(zhǎng)10 cm。在垂向地震波作用下,含裂隙斜坡坍塌、碎散面積進(jìn)一步擴(kuò)大,同時(shí)無(wú)裂隙斜坡的兩條裂隙繼續(xù)擴(kuò)張(圖6)。

圖6 Ⅷ度基本烈度斜坡破壞情況Fig.6 Slope failure in the area of basic seismic intensity Ⅷ

當(dāng)輸入幅值a=355 gal時(shí)(Ⅸ度基本烈度)。在水平向地震波作用下,含裂隙斜坡坡肩部分的土體發(fā)生崩塌,坡面中部、坡腳處鼓脹隆起,并且距離坡肩較遠(yuǎn)的深裂隙也開(kāi)始向臨空面擴(kuò)展,坡體側(cè)面出現(xiàn)多條剪切裂隙。而無(wú)裂隙斜坡坡肩處的拉張裂隙繼續(xù)向兩側(cè)以及內(nèi)部延伸,同時(shí)坡腳區(qū)域也發(fā)生鼓脹。在垂直向地震波作用下,含裂隙斜坡坡肩附近的土體繼續(xù)下墜,同時(shí)兩種結(jié)構(gòu)的斜坡鼓脹區(qū)域繼續(xù)增大(圖7)。

圖7 Ⅸ度基本烈度斜坡破壞情況(a=355 gal)Fig.7 Slope failure in the area of basic seismic intensity Ⅸ (a=355 gal)

當(dāng)輸入幅值a=517 gal時(shí)(對(duì)應(yīng)Ⅸ度基本烈度),兩種結(jié)構(gòu)的坡體均受到了破壞。在水平向地震波作用下,含裂隙斜坡坡肩前緣崩塌區(qū)域進(jìn)一步增大,深裂隙后部出現(xiàn)一條弧形的拉張裂隙,坡面中部與坡腳處發(fā)生剪出,坡體側(cè)面的剪切裂隙逐漸延伸貫通,其中坡面中部、坡腳處分別與淺裂隙、深裂隙開(kāi)始貫通。而無(wú)裂隙斜坡坡肩處的拉張裂縫逐漸加深變寬,并且拉張裂隙不斷向坡體中下部位發(fā)展。受坡肩拉張裂縫的影響,距坡肩22 cm處的坡面出現(xiàn)一條長(zhǎng)85 cm、寬25 cm的密集條形裂縫區(qū),同時(shí)坡面中下部發(fā)生滑塌,呈現(xiàn)低位剪切,在垂向地震波作用下,含裂隙斜坡坡頂裂隙進(jìn)一步延長(zhǎng),深裂隙后部的拉張裂隙繼續(xù)變寬,呈現(xiàn)出多級(jí)滑動(dòng)的特征。而無(wú)裂隙斜坡的滑塌區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大(圖8)。相對(duì)而言,含裂隙斜坡破壞情況明顯比無(wú)裂隙斜坡更加嚴(yán)重,并且含裂隙斜坡已接近完全失穩(wěn)。

圖8 Ⅸ度基本烈度斜坡破壞情況(a=517 gal)Fig.8 Slope failure of in the area of basic seismic intensity Ⅸ (a=517 gal)

基于上述兩種結(jié)構(gòu)的斜坡振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)震害結(jié)果分析可知:

(1) 對(duì)于含裂隙黃土斜坡,斜坡初始變形主要分布在坡頂深、淺裂隙附近,斜坡的變形破壞也通常在這些部位產(chǎn)生,這與實(shí)際地震作用下的斜坡變形相一致。由于地震波傳播過(guò)程中在裂隙處將會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象,造成振幅發(fā)生明顯改變,并使坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布情況發(fā)生明顯改變。坡體在響應(yīng)較強(qiáng)的前緣與裂隙之間的土體先發(fā)生破壞,然后沿著強(qiáng)度較低的裂隙方向發(fā)展。在往復(fù)振動(dòng)下,造成預(yù)設(shè)裂隙底部剪應(yīng)力集中,并不斷深入坡體內(nèi)部,朝臨空面方向發(fā)展延伸。另外,受預(yù)設(shè)裂隙的影響,坡頂深隙后部也開(kāi)始出現(xiàn)拉張裂隙,呈多級(jí)滑動(dòng)的趨勢(shì)。

(2) 對(duì)于無(wú)裂隙斜坡,受地震波的作用,將導(dǎo)致斜坡坡肩區(qū)域的拉應(yīng)力處于動(dòng)態(tài)變過(guò)程,其幅值和方向根據(jù)地震波的特點(diǎn)而不斷變化,使坡頂處于拉壓循環(huán)。同時(shí),坡體內(nèi)部與坡腳處剪應(yīng)力集中,并伴隨著土體的墜落。隨著地震波持續(xù)施加,拉裂隙逐漸與坡體內(nèi)部的潛在滑動(dòng)面貫通,呈單級(jí)滑動(dòng)面發(fā)育的趨勢(shì)。并在坡頂發(fā)生小規(guī)模的震陷,也與實(shí)際震例相符。

通過(guò)宏觀變形分析,不同烈度下的含裂隙黃土塬邊斜坡變形破壞過(guò)程為:原始裂隙坍塌→坡面橫向裂隙→坡肩崩塌→坡面中、下部鼓脹→原始裂隙與坡面貫通→多級(jí)滑動(dòng)。無(wú)裂隙斜坡變形過(guò)程為:坡頂拉張裂隙→坡面裂隙→坡面下部鼓脹→坡頂拉張裂隙與鼓脹區(qū)域貫通→單級(jí)滑動(dòng)。

2.2 失穩(wěn)破壞機(jī)制分析

黃土斜坡的失穩(wěn)演化是一個(gè)長(zhǎng)期的漸進(jìn)性破壞過(guò)程,也是一個(gè)量變達(dá)到質(zhì)變的過(guò)程,其中變形屬于量變階段,而破壞屬于質(zhì)變階段。

2.2.1 含裂隙斜坡破壞機(jī)制

黃土塬邊上的裂隙分隔了黃土的結(jié)構(gòu)面,破壞了斜坡完整性。當(dāng)黃土塬區(qū)遭受突發(fā)地震時(shí),裂隙的存在加速了斜坡變形失穩(wěn)的發(fā)生。當(dāng)水平地震力作用時(shí),地震波體波中S波產(chǎn)生的慣性力使坡體發(fā)生剪切作用,P波產(chǎn)生的慣性力使坡體發(fā)生超重與失重。P波、S波與重力三者組合方式?jīng)Q定了黃土源邊斜坡的運(yùn)動(dòng)方式以及破壞模式。由于P波幅值小,對(duì)斜坡影響不大,本文僅考慮S波與重力的耦合作用。當(dāng)S波初動(dòng)向右,將產(chǎn)生與坡體相反的慣性力,當(dāng)與重力耦合時(shí),合力的方向分別指向左下方,其作用效果在一定程度上使含裂隙斜坡坡頂土體壓密,穩(wěn)定性得到改善。同時(shí),無(wú)裂隙斜坡表面將出現(xiàn)水平向左的剪切運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),甚至?xí)谄马斆姘l(fā)生破裂,會(huì)對(duì)無(wú)裂隙斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,如圖9所示。當(dāng)S波初動(dòng)向左,會(huì)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)斜坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生相反的效果,見(jiàn)圖10。

圖9 S波初動(dòng)向右示意圖Fig.9 A right-hand sketch of the initial movement of S-wave

圖10 S波初動(dòng)向左示意圖Fig.10 A left-hand sketch of the initial movement of S-wave

在水平地震波作用下,坡體左右擺動(dòng),斜坡處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)力場(chǎng)作用,其方向與大小反復(fù)變化。以最大主應(yīng)力與剪應(yīng)力為例,S波作用下,坡體內(nèi)部的最大主應(yīng)力反復(fù)變化,使坡體處于正拉、反拉的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,坡面與坡頂附近的土體出現(xiàn)反復(fù)的正剪和負(fù)剪狀態(tài)。反復(fù)變化的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作用將使坡體處于反復(fù)的拉剪狀態(tài),致使斜坡體處于漸近失穩(wěn)狀態(tài)。大量研究發(fā)現(xiàn),地震作用下,斜坡上部的加速度響應(yīng)大于下部[15-16]。即隨著斜坡坡高的增加,兩種結(jié)構(gòu)的坡體上部慣性力也更大。鑒于黃土的抗拉、抗剪強(qiáng)度較低,裂隙處為應(yīng)力集中區(qū)域,一旦慣性力達(dá)到土體的強(qiáng)度,則易使土體向外旋轉(zhuǎn)傾倒的同時(shí)不斷下滑。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ亮严秲蓚?cè),地震波在裂隙界面處由于兩側(cè)介質(zhì)差異,導(dǎo)致兩側(cè)發(fā)生顯著的界面動(dòng)力效應(yīng)。在界面處發(fā)生折射、繞射現(xiàn)象,產(chǎn)生反射波應(yīng)力的同時(shí)還產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切作用力,促進(jìn)裂隙部位的拉裂與坡體剪切作用。同時(shí)在地震波作用下,斜坡原始裂隙在拉開(kāi)的瞬間裂隙兩側(cè)的土體墜落,掉入的土體不斷地填充裂隙,起到了楔劈作用。使坡體裂隙不能愈合只能擴(kuò)大,如圖11所示。

圖11 張拉-剪切破裂效應(yīng)示意圖Fig.11 Diagram of tension-shear fracture effect

研究表明斜坡對(duì)輸入地震波存在著明顯的坡面放大效應(yīng)與垂向放大效應(yīng),并且含裂隙斜坡坡面放大系數(shù)約為無(wú)裂隙斜坡的1.4倍[17]。使得含裂隙邊坡坡頂附近拉應(yīng)力與剪應(yīng)力變化幅度更大。并且由地震波傳播相關(guān)理論可知,地震波傳播至坡面時(shí),產(chǎn)生的瑞利波呈橢圓形沿著斜坡表面向上傳播,在此過(guò)程中為坡面持續(xù)施加一瞬時(shí)的鼓脹力。坡體內(nèi)部潛在滑動(dòng)面處集中的剪應(yīng)力與鼓脹力綜合作用使坡腰、坡腳發(fā)生鼓脹開(kāi)裂。隨著地震的重復(fù)加載,邊坡土體的力學(xué)特性不斷發(fā)生損傷。當(dāng)?shù)卣鸩虞d至一定程度時(shí),土體力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到極限狀態(tài),坡面發(fā)生坍塌,并且于原始裂隙端部先后形成了兩個(gè)滑動(dòng)面。此時(shí),坡頂后緣出現(xiàn)新的拉裂隙,產(chǎn)生新一輪的滑動(dòng)面。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一規(guī)律。因此,含裂隙斜坡原始裂隙在重復(fù)拉剪作用下是造成斜坡變形破裂的主要因素。

2.2.2 無(wú)裂隙斜坡破壞機(jī)制

無(wú)裂隙斜坡的破壞模式與含裂隙斜坡相比具有顯著區(qū)別,并且在相同地震波作用下的穩(wěn)定性明顯高于含裂隙斜坡。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ某鮿?dòng)向右,慣性力與重力的合力使坡表面出現(xiàn)斜向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),坡面附近將產(chǎn)生一些微裂隙,尤其是坡肩附近,由于該部位動(dòng)力響應(yīng)較強(qiáng),可能會(huì)有破裂現(xiàn)象發(fā)生。隨著地震的往復(fù)振動(dòng),坡肩的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)最為明顯,坡頂附近迅速形成一些垂直向下、上窄下寬的拉裂隙,在合力作用下坡體產(chǎn)生剪切滑移的現(xiàn)象。地震波持續(xù)加載下,拉裂隙與潛在滑動(dòng)面逐漸貫通,形成單一滑動(dòng)面。當(dāng)拉裂隙與潛在滑動(dòng)面未發(fā)生貫通時(shí),裂隙會(huì)在后期的改造運(yùn)動(dòng)中逐漸愈合,穩(wěn)定性會(huì)得到改善。

在此過(guò)程中,兩種結(jié)構(gòu)斜坡的變形破裂過(guò)程包括傾倒-拉裂與剪切-滑移兩種模式,但是這兩種模式并非是簡(jiǎn)單的過(guò)渡,而是同時(shí)發(fā)生又相互制約,斜坡的變形過(guò)程是兩者相互作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)平?jīng)鲠轻紖^(qū)地區(qū)的兩種不同結(jié)構(gòu)黃土塬邊斜坡的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),揭示了該地區(qū)在不同強(qiáng)度地震作用下塬邊斜坡的變形破壞機(jī)制,得到以下結(jié)論。

(1) 隨著地震波的增加,兩種不同結(jié)構(gòu)的斜坡在不同強(qiáng)度地震作用下的破壞特征顯著不同,受初始裂隙的影響,含裂隙斜坡的地震穩(wěn)定性明顯低于無(wú)裂隙斜坡。

(2) 地震作用下的含裂隙黃土塬邊斜坡變形破壞過(guò)程為:原始裂隙坍塌,坡面橫向裂隙,坡肩崩塌,坡面中、下部鼓脹,原始裂隙與坡面貫通,多級(jí)滑動(dòng)。

無(wú)裂隙斜坡變形過(guò)程為:坡頂拉張裂隙,坡面裂隙,坡面下部鼓脹,坡頂張拉裂隙與鼓脹區(qū)域貫通,單級(jí)滑動(dòng)。

(3) 當(dāng)?shù)卣鸩ㄖ蠸波的運(yùn)動(dòng)方向與臨空面一致,其瞬時(shí)作用效果在一定程度上使斜坡的穩(wěn)定性得到改善;當(dāng)初動(dòng)方向與臨空面相反,則使得斜坡的穩(wěn)定性惡化。隨著地震波的重復(fù)加載,邊坡土體的抗剪強(qiáng)度逐漸降低,隨著地震波在界面處發(fā)生折射、繞射,共同促進(jìn)斜坡體的傾倒-拉裂、剪切-滑移的變形破壞過(guò)程。