地震誘發低角度黃土-泥巖滑坡動力響應及變形分析

王會娟,王 平,3,李旭東,錢紫玲,柴少峰,郭海濤

(1.中國地震局(甘肅省)黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;3.西安理工大學巖土工程研究所,陜西 西安 710048)

0 引言

斜坡變形失穩研究是滑坡災害關注的重點課題之一。同時,西北黃土區是我國黃土覆蓋面積較廣的區域,并且發生在該地區的地震震級較大,次數較多,造成的地震災害較為嚴重。除此之外,黃土特殊的弱膠結、大孔隙架空結構特性,使其在地震作用下更易發生滑動變形破壞。針對以上幾點,國內外學者多角度多因素進行了研究。

目前針對斜坡動力響應和變形破壞的研究采用理論分析、室內物理試驗和數值模擬等方法,從不同角度全面分析了斜坡在地震作用下的變形失穩規律。如王家鼎等[1-2]從地震作用下黃土解體、斜拋和粉塵化效應以及蠕動液化方面闡釋黃土滑坡及液化的機理;戴福初等[3]基于土的應力應變特性,探討滑坡的發生過程和機理;Schreve[4]提出低角度黃土滑坡的氣墊效應,解釋了低角度高滑速遠滑程現象發生的原因;王平等[5-6]分析了滑坡在強震作用下裂隙的產生、坡面逐漸剝落以及滑坡體崩塌破壞等失穩過程,研究了斜坡滑移面的衍生機制;張澤林等[7-8]通過離心機振動臺試驗和數值模擬,分析黃土-泥巖邊坡在不同振幅作用下的破壞特征和動力響應規律;王文沛等[9]分析了不同傾斜度斜坡在地震荷載作用下的頻譜特性,驗證了斜坡的卓越頻率與斜坡角度無直接影響;并且斜坡的場地效應可分為地形場地效應[10-11]和地質場地效應[12],地形場地效應放大倍數一般較地質場地效應小[13];同時,軟弱夾層的厚度和位置對斜坡的動力響應影響較為明顯[14-15]。其中,振動臺模擬試驗依據相似設計和量綱分析法制作的重塑試樣,在輸入實際地震荷載作用下研究場地的地震動響應特性規律,是目前研究動力響應的最佳方法之一,但單純的振動臺試驗存在尺寸效應和地應力失效等問題,使其結果無法真實反映實際場地,而數值模擬可真實反演場地的重力條件和尺寸,并從宏觀和細觀的角度分析斜坡的動力響應機制和變形破壞路徑。

我國西部地區低角度黃土-泥巖滑坡分布廣泛,該類斜坡既存在地形場地放大效應,也存在地質場地放大效應,在地震作用下極易發生變形失穩破壞,且其動力響應機制和變形失穩破壞分析深度不足,因此亟待開展相關研究。鑒于此,本文針對西部地區典型低角度黃土-泥巖滑坡,開展幾何相似比CL=200的振動臺試驗,基于宏觀現象和動力響應特性探討低角度黃土-泥巖滑坡變形破壞規律,結合數值模擬分析低角度黃土-泥巖滑坡在地震作用下的動力響應,揭示其運動遷移路徑,為低角度黃土-泥巖滑坡的深入研究和抗震設計提供基礎。

1 黃土-泥巖滑坡振動臺試驗

1.1 振動臺系統

試驗依托中國地震局(甘肅省)黃土地震工程重點實驗室的大型地震模擬振動臺(圖1)開展。振動臺有效尺寸長×寬=4 m×6 m,可實現水平和垂直耦合雙向加載和多種地震波型輸入,試驗失真度小于5%。根據相似設計和量綱分析法使得模型接近原場地狀態,由于動力相似難以實現,本文在試驗中只考慮尺寸相似和材料相似。模型以甘肅省天水市秦州區典型低角度黃土-泥巖滑坡為依據,設計實驗方案,具體相關相似量綱列于表1。

圖1 雙向振動臺Fig.1 Bidirectional shaking table

表1 物理模型試驗相似比Table 1 Similarity ratio of physical model test

1.2 物理模型制作

本試驗采用剛性封閉模型箱,內徑尺寸為長×寬×高=2.8 m×1.4 m×1 m,長度方向安裝有機玻璃板,有助于實驗過程中宏觀現象的觀察,寬度方向為有機碳鋼板,增加模型箱的強度(圖2),實驗過程中采用2 cm的黑海綿減小邊界效應。基于實際工程地質條件對低角度黃土-泥巖滑坡進行簡化處理,模型長寬高分別為2.4 m、1.4 m和1 m,具體相關尺寸見圖3。

圖2 剛性封閉模型箱Fig.2 Rigid closed model box

圖3 低角度黃土-泥巖滑坡物理模型(單位:mm)Fig.3 Physical model of low-angle loess-mudstone landslide (Unit:mm)

滑坡物理模型材料取自研究場地,相關物理力學參數列于表2。根據材料配比相似,將黃土烘干,過篩,采用黃土、重晶石粉、粉煤灰、鋸末、水模擬上覆黃土層,通過夯填方式制作。其中,重晶石粉增加試樣比重,粉煤灰有助于提高試樣的黏聚力,適量鋸末有益于提高試樣內摩擦角,根據原場地土體含水率加入適量的純凈水并攪拌均勻。下伏泥巖采用水泥、砂、鐵紅粉實現其強度和物質含量,采用模具制作模塊,12小時脫模后靜置達到預設強度,進行下伏泥巖砌筑。添加黏土、混合劑和水使其更接近真實場地。

表2 物理模型材料參數Table 2 Material parameters of physical model

輸入的地震動荷載選用2013年7月22日岷縣漳縣地震波加速度時程(圖4)。為了研究不同地震動強度荷載對低角度黃土-泥巖滑坡變形破壞規律和成災模式的影響,輸入地震荷載時,對加速度時程數據乘以相應的強度系數使其峰值分別為0.5 m/s2、1 m/s2、2 m/s2、4 m/s2、8 m/s25種工況。試驗結束后,對其宏觀破壞現行進行描繪,重現低角度黃土-泥巖滑坡變形破壞規律,探討該滑坡在地震荷載作用下的成災模式。

圖4 輸入地震波(水平向+垂直向)Fig.4 Input seismic wave (horizontal+vertical)

1.3 滑坡宏觀變形破壞特征

當輸入地震動荷載強度為0.5 m/s2時,斜坡坡面出現豎向裂紋,并且存在少量土顆粒散落下滑的現象,坡頂出現橫向和豎向微紋。

當輸入地震動荷載強度為1 m/s2時,斜坡坡面裂紋增多,土顆粒下滑距離增大,斜坡表面原有裂紋進一步擴張延伸,坡頂形成的拉張裂紋趨于貫通,坡肩和坡腳側部出現微裂紋。

當輸入地震動荷載強度為2 m/s2時,斜坡坡面出現橫向拉張裂紋,原有裂紋在長度、寬度和深度上均增加,坡頂拉張裂紋基本貫通,坡頂、坡肩和坡腳側部出現微裂紋,并逐漸向下延伸。

當輸入地震動荷載強度為4 m/s2時,斜坡坡面原有裂紋在長度、寬度和深度上進一步擴展延伸,伴有小規模地溜土現象,土顆粒下滑增多,坡頂拉張裂紋完全貫通。

當輸入地震動荷載強度為8 m/s2時,斜坡坡面產生多條拉張裂縫,位移明顯增加,溜土和土顆粒下滑現象嚴重,坡頂拉張貫通裂紋深度增加,裂紋延伸至風化泥巖層,并形成明顯的潛在滑動面。

圖5 地震作用下低角度黃土-泥巖滑坡破壞特征Fig.5 Failure characteristics of low-angle loess-mudstone landslides under earthquake

綜上所述,隨著輸入地震動強度增大,斜坡表面產生松弛拉張裂隙,土體強度降低,坡肩產生拉張裂隙,斜坡體逐漸由表層變形擴展到深層變形,最終與中部風化泥巖層貫通形成滑移面,發生失穩破壞。

1.4 滑坡加速度響應變化規律

基于物理模型試驗結果,通過分析坡腳(P1X,X=1,2,3)、坡腰(P2X,X=2,3,4)、坡肩(P4X,X=2,3,4)和淺表層(PX,X=1～5)各個監測點的加速度峰值(PGA)放大系數曲線,揭示低角度黃土-泥巖滑坡內部關鍵部位地震動不同分量PGA放大系數的變化規律。

低角度黃土-泥巖滑坡在水平和垂直耦合地震荷載作用下,坡腳處的水平向加速度放大系數變化規律如圖6(a)所示。斜坡淺表層(P12)水平向PGA放大系數普遍大于斜坡底部(P13)和斜坡表層(P11),水平向PGA放大系數最大值為1.9;隨著地震動幅值的增大,水平向PGA放大系數逐漸減小。

圖6 水平分量PGA放大系數曲線(物理模擬)Fig.6 PGA amplification factor curve of horizontal component (physical simulation)

坡腰處的水平向加速度放大系數變化規律如圖6(b)所示。在低強度地震荷載作用下,斜坡風化泥巖接觸面處(P23)略大于巖層和淺表層黃土,隨著地震動荷載的增強,接觸面處水平向PGA放大系數減小,巖層和淺表層黃土水平向PGA放大系數略有增加。

坡肩處的水平向加速度放大系數變化規律如圖6(c)所示。地震荷載作用下,風化泥巖接觸面層(P43)的地震動力響應較大,淺表黃土層(P42)次之,下伏泥巖層(P44)最小;地震波加速度幅值為8 m/s2時,坡肩處各監測點的水平向PGA放大系數均發生陡增,結合滑坡破壞特征宏觀現象可知此時斜坡發生較大破壞。

斜坡淺表層水平向加速度放大系數變化規律如圖6(d)所示。地震波加速度幅值為0.5 m/s2時,坡腳處動力響應最大,坡腰處最小;地震波加速度幅值大于1 m/s2時,滑坡后緣和坡肩處動力響應最大,坡腰處最小,坡腳處呈衰減趨勢,其他部位變化較小;地震波加速度幅值達到8 m/s2時,滑坡后緣和坡肩處動力響應劇增,最大值達到3.2。

低角度黃土-泥巖滑坡在水平-垂直耦合地震荷載作用下,坡腳處的垂直向加速度放大系數變化規律如圖7(a)所示。以斜坡底部(P13)監測點為基準,斜坡淺表層(P12)和斜坡表層(P11)地震動響應均顯示出明顯的增大現象,斜坡表層垂直向PGA放大系數最大可達2.7左右;隨著地震動幅值的增大,淺表層垂直向PGA放大系數略有減小。

圖7 垂直分量PGA放大系數曲線(物理模擬)Fig.7 PGA amplification factor curve of vertical component (physical simulation)

坡腰處的垂直向加速度放大系數變化規律如圖7(b)所示。地震荷載作用下,淺表層黃土(P22)垂直分量的動力響應最為明顯,并與地震動強度呈現負相關性;斜坡風化泥巖接觸面處(P24)垂直向PGA放大系數呈現非線性增加,地震波加速度幅值為8 m/s2時達到最大。

坡肩處的垂直向加速度放大系數變化規律如圖7(c)所示。地震荷載作用下,風化泥巖接觸面層(P43)的地震動力響應較大,淺表黃土層(P42)次之,下伏泥巖層(P44)最小;隨著地震動幅值的增大,垂直向PGA放大系數略有減小,但地震波加速度幅值為8 m/s2時,接觸面處和下伏泥巖層垂直向PGA放大系數均發生陡增。

斜坡淺表層垂直向加速度放大系數變化規律如圖7(d)所示。低強度地震荷載作用下,坡腰處動力響應最大,坡腳處最小;輸入地震動荷載加速度幅值增大至8 m/s2時,斜坡后緣垂直向PGA放大系數發生驟增,此現象與坡頂拉張貫通裂紋深度增加密切相關。

總之,在黃土層內部,隨著斜坡高度的增加,坡肩和斜坡后緣加速度放大效應較為明顯,表現出明顯的高程效應;下伏泥巖層和中部風化泥巖層及上覆黃土層形成顯著的滑動面,使得地震波在此附近發生折射、反射和散射等改變其幅值和頻率特性,體現了顯著的巖性效應,即巖體的性質對地震波的傳遞存在明顯的影響;分析水平-垂直耦合地震荷載作用下,各監測點不同分量PGA放大系數變化規律,低角度黃土-泥巖滑坡中地震波垂直分量影響大于水平分量,在抗震設計和研究中對地震波垂直分量的動力響應不容忽視。

2 數值模擬驗證

由于大型地震模擬振動臺試驗費用昂貴,試驗周期較長,且一些數據的測量難以實現,但數值模擬在研究斜坡動力響應、穩定性分析和細觀分析方面具有一定的優勢。因此,采用有限差分方法(FLAC3D),對實際低角度黃土-泥巖滑坡進行簡化模擬,更為明確地觀測其位移隨時間的變化規律及其穩定性變化,同時分析斜坡的滑動特征。

2.1 數值模型

低角度黃土-泥巖滑坡數值建模長×寬×高=480 m×280 m×200 m,其中黃土層厚60 m,數值模擬計算模型的建立、監測點的布設以及邊界條件的設置如圖8所示。模型邊界和底部設置自由邊界和黏滯邊界提供與無限邊界相同的效果,使得地震波在邊界上不會發生扭曲、折射、反射等現象對模擬結果產生影響。模擬計算時,采用摩爾庫倫模型,模型相關物理力學參數列于表2,模型網格尺寸為2 m。采用的地震波類型和加載方式與振動臺試驗相同,由于模型網格較多,計算時采用18～63 s之間的加速度時程曲線作為數值模擬計算的輸入荷載。

圖8 低角度黃土-泥巖滑坡數值模型Fig.8 Numerical model of low-angle loess-mudstone landslide

結合數值模擬靜力作用下斜坡內部塑性區域及其安全系數(圖9)可知,在地應力作用下,黃土層坡肩與風化泥巖層形成潛在滑移面,表明該類斜坡極易從接觸面處發成滑動破壞,坡腳位置剪應變增量數值為負,表明坡腳位置土體發生堆積,同時黃土斜坡體的安全系數為1.152,說明自重荷載作用下低角度黃土-泥巖滑坡相對較為穩定。

圖9 低角度黃土-泥巖滑坡塑性區域Fig.9 Plastic zone of low-angle loess-mudstone landslide

依據有效應力原理,土坡安全系數計算公式如下:

(1)

式中:z為斜坡滑動面深度;mz為滑面以上的水頭高度值,其中0≤m≤1;γ為土的天然重度;γsat為土的飽和重度;γw為水的重度;φ′為有效內摩擦角;c′土體黏聚力;α為斜坡角度。

該低角度黃土-泥巖滑坡坡面和坡腳角度不同,因此α取兩者平均值即為20°。本次試驗研究對象為黃土-泥巖滑坡,黃土與接觸面處為斜坡的軟弱結構面,及潛在滑移面,因此斜坡滑動面深度為黃土層厚度,即z=60 m,滑面以上不考慮水頭高度,因此m=0,計算得出該滑坡的理論安全系數為1.16,與數值模擬計算結果接近,進一步驗證了該斜坡在自然條件下處于穩定狀態。

2.2 滑坡地震動變形破壞特征

以輸入地震動荷載加速度幅值為8 m/s2為例,為更明確觀測低角度黃土-泥巖滑坡數值模型在地震荷載作用下位移變化特征,沿斜坡中心軸方向切片(圖10),據此分析該類滑坡破壞衍生規律。

振動初期,即t=2 s[圖10(a)],地震動荷載未出現明顯振動現象,分化泥巖層內在坡腳處發生細微滑動,并延伸至坡腰處,厚度達4～6 m,坡腳處下伏泥巖和斜坡后緣淺表層發生細微的反向位移,上覆黃土和下伏泥巖基本未發生相對位移。

振動中期,即t=10 s[圖10(b)],輸入地震動荷載到達加速度峰值,最大水平位移擴展至斜坡表面,基本涉及整個坡面,潛在滑移面明顯,坡腳處黃土發生顯著的堆積現象;同時,整個黃土層最大位移清晰的出現分層、分塊由接觸面處向坡面、有坡腰向坡肩處延伸。

圖10 低角度黃土-泥巖滑坡破壞衍生規律Fig.10 Failure derivative law of low-angle loess-mudstone landslide

振動中后期,即t=30 s[圖10(c)],輸入地震動荷載主頻結束,低角度黃土-泥巖滑坡最大滑動涉及范圍長達200 m左右,由斜坡后緣到坡腰發生整體下滑,并且由接觸面處到坡面下滑程度呈現遞減趨勢,坡腰至坡腳逐漸堆積。

對比數值模擬中位移結果與振動臺試驗中得到的裂縫可得,輸入地震動荷載加速度幅值為8 m/s2時,數值模擬得出滑坡最大滑動涉及范圍長達200 m左右,根據相似比得出振動臺模型最大滑動長度為1 m。由振動臺試驗實際宏觀裂縫描繪圖可知裂縫延伸長度為1.2 m,誤差為0.2 m,因此可認為數值模擬結果與振動臺試驗結果基本相同。

總而言之,在地震荷載作用下,低角度黃土-泥巖滑坡首先在接觸面處、坡肩處發生細微滑動,隨后,接觸面和坡肩、斜坡后緣處的拉張裂縫形成弧形滑移面,上覆黃土層沿滑移面先由接觸面處帶動上覆黃土層向下滑動,最后,上覆黃土層表面土體整體向下滑動,在坡腳處由于坡度改變發生堆積,阻止土體進一步向前滑動。

2.3 動力響應

以輸入地震動荷載加速度幅值8 m/s2為例,分析低角度黃土-泥巖滑坡位移變化規律(圖11),斜坡表面位移最大,淺表層次之,下伏泥巖層內基本處于穩定狀態。黃土層內,0～5 s斜坡基本處于穩定狀態,5～10 s位移發生陡增現象,隨后基本穩定。

在同一荷載作用下,斜坡表面水平位移如圖11(a)所示,斜坡后緣位移量較小,且沿坡面負方向偏移,坡腰位移響應最大,坡腳處的水平位移相對較小;相比于斜坡表層,斜坡淺表層水平位移坡腰偏上(P32)位移響應最大[圖11(b)],其他部位水平位移相對不變,但總體幅值減小;垂向位移的變化規律與水平向相反[圖11(d)],坡肩處位移響應最大,說明在地震荷載作用下,坡肩發生較大規模的沉降,此沉降一方面由于土體沿斜坡坡面下滑引起,另一方面由于震陷形成,坡腳處的水平位移相對最小且幅值為正,說明土體在坡腳處發生堆積,導致坡腳處略顯隆起。

圖11 低角度黃土-泥巖滑坡位移變化規律Fig.11 Displacement change rule of low-angle loess-mudstone landslide

由此可得,地震作用下低角度黃土-泥巖滑坡坡肩產生拉張裂隙,土體沿坡面向下滑移,坡肩處土體的下滑力和地震力促使坡腰土體大面積長距離滑動,由于摩擦力和角度的突變,使得土體下滑至坡腳發生堆積并產生隆起。

3 結論

(1)在黃土層內部,隨著斜坡高度的增加,坡肩和斜坡后緣加速度放大效應較為明顯,黃土層內相對于基巖動力響應較大。

(2)低角度黃土-泥巖滑坡對地震波垂直分量影響較大于水平分量,在抗震設計和研究中對地震波垂直分量的動力響應不容忽視。

(3)低角度黃土-泥巖滑坡在地震荷載作用下,接觸面和坡肩、斜坡后緣處的拉張裂縫形成弧形滑移面,上覆黃土層由內向外依次連帶下滑,又由外向內促進進一步滑動。

(4)隨著輸入地震動強度增大,斜坡表面產生松弛拉張裂隙,土體強度降低,坡肩處土體的下滑力和地震力促使坡腰土體大面積長距離滑動,土體下滑至坡腳發生堆積并產生隆起。