強震作用下反傾薄層巖質斜坡傾倒破壞機制及動力響應研究

龔逸非, 姚愛軍, 谷坤生, 李彥霖, 田 甜

(北京工業大學 城建學部,北京 100124)

三江流域橫跨深切的青藏高原東南部和青藏高原北部,該區域內地形、氣候多變,新構造運動強烈,地震活動頻繁,導致地質災害頻發[1-2]。2008年的汶川地震誘發了兩千多處滑坡,根據地震誘發的大量滑坡調查統計[3],在地震作用下順層巖質滑坡所占的比例最大,但是反傾巖質斜坡巖層往往包含多種巖性,呈現軟硬互層、厚薄互層等現象,巖層內部還往往發育著節理、裂隙,構成層狀復合巖體邊坡[4],對于其的研究更具有難度。目前對于巖質斜坡的動力響應規律以及變形破壞模式的方法主要有現場調查、數值模擬和物理模型試驗三種方法。

其中數值模擬以其適應廣、數據全、成本低等優勢被廣泛應用,其中三維離散元程序在模擬完整巖石的破裂過程、巖石斷裂現象及裂隙發育過程等具有巨大優勢[5],常常作為現場勘查的反演和試驗結果驗證的方法來使用。楊忠平等[6]采用振動臺試驗與數值模擬結合,對比了順層和反傾兩類巖質邊坡在反復微小地震作用下的穩定性。謝良甫[7]引入了新的斜坡穩定性評價指標,利用數值模擬的方法,分別基于最大位移、總位移以及變形區范圍3個指標進行討論,并結合3個指標進行斜坡穩定性的敏感性分析,并引入能量場的概念,詳細分析了傾倒變形的變形演化階段。岑奪豐等[8]用顆粒流PFC(平行黏結模型)模擬方法對反傾厚層邊坡的破壞演化機制進行了研究。言志信等[9-10]運用Flac3D分別建立受地震作用的含軟弱層巖質邊坡以及順傾巖質邊坡錨固數值模型,著重研究了水平和豎向相互耦合的地震波下的錨桿錨固界面上的剪切作用。

振動臺模型試驗能直觀的研究地震荷載下各類斜坡的破壞問題,具有可重復性等優點,被廣大研究者所采用。我國對振動臺的研究從1960年開始,前期發展較為緩慢[11],自2008年汶川地震后引起國家和學者對地震引發的滑坡災害的重視,促進了振動臺試驗對于滑坡模擬的飛速發展。巨能攀等[12]采用地質詳勘和案例類比的方法,構建并完善了順層和反傾巖質斜坡變形破壞的概念模型,并采用大型振動臺試驗對比兩者在強震條件下的動力響應和失穩模式。劉漢東等[13]進一步深入研究了反傾層狀巖質斜坡對低頻輸入波的高程放大效應和對高頻的趨表效應。楊國香等[14-15]采用振動臺試驗分析了地震動參數對反傾層狀巖質邊坡動力放大系數影響,得出在接近斜坡自振頻率時加速度放大系數最大,討論了幅值變化對于動力響應以及坡體分布規律的影響。Gischig等[16]對地震波在巖質斜坡中的放大效應與同震位移之間的相關性進行敏感性分析,著重討論坡度、巖性差異和巖體結構對放大效應的影響。

經大量研究表明斜坡在受地震作用下的破壞模式和破壞程度受巖層在發育的結構面的影響(包括斷層、軟弱夾層等)很大[17]。張家明[18]提出軟弱夾層使得研究巖質斜坡的變形-破壞機理更為復雜,嚴重影響其穩定性。周逸飛等[19]對含軟弱夾層的斜坡在地震作用下的動力特征做了初步研究。上述研究表明,輸入地震動參數和巖層中發育的各種結構面影響斜坡的動力響應和破壞機制。

目前對于含軟弱破碎帶的薄層反傾巖質斜坡在地震作用下的響應及變形破壞的研究并不充分,同時對于巖質邊坡的地震波輸入方案,多選用土壤波和正弦波,考慮基巖地震波輸入的研究較少。本文以金沙江左岸宗絨反傾巖質斜坡為研究原型,通過振動臺縮尺試驗研究了薄層反傾巖質邊坡的動力響應和變形-破壞階段,采用改變地震動參數以及地震波類型,研究反傾巖質斜坡從位移變化、宏觀變形到的起裂和失穩的臨界條件,著重討論了軟弱破碎帶對斜坡動力響應的影響。

1 振動臺試驗概況

1.1 模型概化

本試驗以金沙江左岸歷史性堵江滑坡宗絨滑坡為原型設計振動臺試驗。根據現場調研,宗絨滑坡所在邊坡地層出露的主要巖性從下至上依次為云母片麻巖、古生界蛇綠巖(斜長角閃巖)構成的反傾層狀巖質邊坡?，F場調查表明,該滑坡為反傾巖層的傾倒破壞導致的,預計體積5×107m3,坡底分布大量滑坡堆積物、殘余滑坡體以及湖相沉積物。根據湖相沉積物的年代測序,表明滑坡至少發生于2 600年前,現場調查滑坡內存在正斷層其位置為云母片麻巖、斜長角閃巖的分界面?；虑熬壴诎鍫?、千枚狀、片狀、劈理化等變質地層中可見小規模的傾倒變形,滑坡后緣可見滑坡滑動面擦痕,產狀為NE∠34°～38°,溝底有F17惠遠寺-勒吉普斷裂穿過。

經過現場巖石點荷載試驗和室內力學試驗測定巖體的物理力學參數(如表1所示)。此外,該滑坡距離巴塘斷裂僅48 km,靠近活動斷裂且該區域內地震頻發,未來仍可能發生M≥7.0 級的強震,發生崩塌滑坡的可能性較大。

表1 原型與模型材料的主要物理力學參數

1.2 相似材料與模型設計

Cg=Ca=Cρ=Cφ=1,

Ct=(CL/Ca)1/2,

CL=CD=100,

Cc=CE=100,

(1)

式中,Cg,CL,Cρ,CE,CC,Cφ,Ca,CD,Ct,Cf分別為重力、幾何尺寸、密度、彈性模量、黏聚力、內摩擦角、加速度、位移、時間、頻率的相似系數。

本次振動臺縮尺試驗以地層結構和巖性作為主要的模擬內容,模型邊坡的主要特征為:①模型長(160 cm)×寬(120 cm)×高(100 cm),并選取斜坡發生變形破壞區域為研究對象;②模型坡度與實際一致;③巖性一致,整體保持斜坡角度為45°;④薄層層狀反傾巖質斜坡,巖層傾角為50°,并根據原型邊坡中各層的厚度比例確定模型邊坡中各層的厚度。在詹志發等[21]的研究基礎上,由石英砂、石膏、重晶石、甘油和水五種材料制備成半徑為25 mm,高度為100 mm的試樣,石英砂為骨料,石膏起膠結作用,甘油起保水作用。在經過擊實、烘干、脫模和養護等環節后成兩種試驗的相似材料單元板(長×寬為240 mm×120 mm,厚度分別為12 mm和9 mm)并測得試樣物理參數(見表1)。 在采用單元板搭建物理模型模型時為了保證層面完整性,采用錯縫搭接方式,各巖層接觸面之間采用碎砂、石膏、2%硼砂水溶液按照一定的比例配制后,以薄層狀(約2 mm)均勻地填充在巖層間。最后,在巖層表面覆蓋一層薄層石膏砂漿抹面,保持表面光滑且平整。為減小模型箱效應的影響, 在模型邊界和亞克力板之間放置10 cm厚的聚乙烯泡沫板,以減小模型箱對輸入地震波的反射和折射(如圖1所示)。

圖1 搭建完成的斜坡模型

本次振動臺模型試驗中的傳感器共包括加速度傳感器(18個水平和4個豎向)、速度傳感器(2個水平向)和坡表位移傳感器(4個拉線4個激光),其中激光位移傳感器測定斜坡水平向位移,拉線位移傳感器測定斜坡豎向(沉降)位移,具體布置如圖2所示。

圖2 各類傳感器布置圖(mm)

1.3 輸入波的選取及加載順序

為研究地震動參數和輸入波類型對斜坡動力響應的影響,本次試驗選取正弦波、汶川臥龍波、汶川茂縣波、人工合成波作為輸入波。每階段輸入波加載完成后采用白噪聲進行掃頻,以獲得斜坡的動力特性,具體加載工況如表2所示。由于采集到的天然波中常混有其他噪聲,且會存在基線飄零的現象,因此在對天然波進行基線校準,處理后的地震波時域圖和頻域圖如圖3、圖4所示。

圖3 汶川臥龍波

圖4 汶川茂縣波

表2 地震波加載工況

本次試驗在北京工業大學結構試驗大廳開展,試驗數據采集對象主要包括加速度數據,速度數據和位移數據。通過IMC系統將電信號轉換為加速度時程曲線,在不同工況地震波加載前加載白噪聲,得到斜坡在當前條件下的動力特性。試驗分為2個階段:第一階段為天然波,幅值從0.1g～0.5g方向為x方向擊振,主要研究斜坡的動力響應特征;第二階段為正弦波加載,頻率從10 Hz～35 Hz,間隔5 Hz。最后,增加輸入天然波的幅值,分析斜坡在地震作用下的破壞過程。加載完每一級振幅后,暫停試驗10 min,記錄比較斜坡變形情況,也為位移傳感器記錄斜坡的位移變化留下了足夠的時間。

2 斜坡固有頻率特征

本文基于試驗過程中施加白噪聲激勵獲取的斜坡內在動力相應規律,得到在不同工況地震波加載前白噪聲的相對傳遞函數虛部曲線,試驗過程中共進行11次白噪聲,獲取某一時刻的斜坡自振頻率。斜坡的自振頻率從初始值28.67 Hz(如圖5(a)所示),經過各工況地震波加載完成后最終值為21.38 Hz(如圖5(b)所示),降低7.29 Hz。

圖5 斜坡自振頻率變化圖

隨著輸入波幅值的增加,斜坡的自振頻率整體呈下降趨勢,阻尼比呈上升趨勢,曲線呈現出兩次明顯的線性變化階段(如圖6所示),其輸入波幅值區間為0.4g～0.8g,斜坡自振頻率下降,阻尼比上升明顯,斜坡表面開裂和淺層的傾倒-滑移。輸入波幅值超過0.8g,斜坡自振頻率急劇下降,斜坡阻尼比先下降后上升,且斜坡大變形,出現塑性區發生大規模塊狀滑移-傾倒。同時在以往的試驗中對于斜坡特性分析主要集中在自振頻率上,對于阻尼比鮮少分析求解,在本次試驗中表明阻尼比與自振頻率呈現反相關關系,作為反應斜坡耗能指標的重要參數能直觀的體現斜坡在動力作用下的特征。

按《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50287—99）規定，飽和砂或飽和少黏性土的N63.5值小于按公式算出的液化臨界擊數Ncr時，可判為液化土。

圖6 各工況下斜坡自振頻率及阻尼比

3 反傾巖質斜坡破壞過程分析

由不同幅值地震波作用下邊坡的失穩破壞過程可以發現,0.3g是邊坡啟裂的臨界動力條件,當輸入地震動幅值大于0.3g時(如圖7所示),邊坡坡頂和坡中處產生大量張拉裂縫,坡腳處產生壓剪裂縫,坡體表面塊體碎裂化程度隨著幅值的增加而增強,邊坡由線性階段進入到非線性階段。0.7g～0.8g(如圖8所示)為邊坡破壞的臨界動力條件,此時斜坡表面塊體滑落,坡腳處壓剪裂縫貫通并向上發展,坡頂處張拉裂縫向邊坡內部發展,與下部壓剪裂縫形成主滑面。

圖7 巖層開裂-變形

圖8 巖層淺層滑移-塊狀傾倒-失穩破壞圖

斜坡整體發生塊狀傾倒破壞,強震作用下的含結構面反傾巖質斜坡破壞模式可以總結為3個主要階段:坡頂張拉裂縫和坡腳剪切裂縫的形成→裂縫的擴展和淺層塊體的剪切破壞滑動-結構面以下巖層塊狀傾倒→斜坡淺層的主滑面的形成。

當輸入波幅值小于等于0.3g時,斜坡無明顯位移。當輸入波幅值大于等于0.3g時,坡趾及坡中處均發生豎向位移(如圖9所示),其中坡頂發生顯著沉降;水平位移在坡高1/3處為峰值。當幅值到達0.6g～0.7g時,斜坡水平位移增加了10 mm;斜坡坡頂豎向位移增量達到30 mm。試驗加載工況結束后,豎向位移達到最值出現在坡肩處,與試驗中觀察到的斜坡早坡頂處發生了明顯的下陷相符;水平位移最大值位置在1/3坡高處,整體斜坡變形過程從坡頂開始,1/3坡高處以下變形破壞最為強烈,坡頂下沉嚴重,結構面的存在對于斜坡受動力影響巨大,結構面以下巖層呈現滑移-塊狀傾倒現象。

圖9 斜坡表面不同位置水平與豎向位移圖

4 反傾巖質斜坡動力響應規律

由于斜坡自身存在阻尼,對于地震波有吸收作用,具體體現為高頻波過濾,低頻波放大,用峰值地面加速度(peak ground acceleration,PGA)放大系數反映各監測點的峰值加速度與振動臺臺面監測點的峰值加速度之比,直觀體現斜坡不同位置對于動力響應的強弱關系[22]。選取幅值為0.2g和0.6g茂縣波作為動力輸入條件,研究線性階段和非線性階段斜坡動力響應規律。根據加速度傳感器的監測結果,做出不同幅值下斜坡的PGA等值線圖(如圖10所示)。在 0.2g茂縣波作用下,斜坡具有明顯的“高程放大效應”,加速度放大系數在坡頂處達到峰值;在加載0.6g茂縣波時,高程放大效應擴散的范圍更廣,在坡中處呈現急劇增的趨勢。斜坡加速度放大系數沿水平方向表現出節律性的變化,表現為越趨于坡表,加速度放大系數越大,且隨著幅值和高程的增加,“趨表效應”越明顯。

圖10 不同幅值下斜坡加速度放大系數等值線云圖

斜坡加速度放大系數在不同幅值地震波作用下隨高程的變化趨勢,如圖11所示。在0.2g茂縣波作用下,斜坡加速度放大系數的峰值出現在坡頂位置;在0.6g茂縣波作用下,高程放大效應范圍更廣,在坡高1/2以上處呈現急劇增的趨勢。斜坡加速度放大系數沿水平方向表現出規律性的變化,表現為越靠近坡表,斜坡的加速度放大系數越大。

圖11 不同幅值下坡表和坡內加速度放大系數曲線

4.1 輸入波頻率的影響

圖12為0.3g正弦波作用下不同頻率的坡面和坡內加速度放大系數變化規律。加速度放大系數隨著輸入頻率的增大呈現先增大后減小的趨勢,當正弦波輸入頻率小于20 Hz時,邊坡表面和坡體內部的加速度放大系數隨輸入頻率的增大而增大。當輸入頻率超過20 Hz時,加速度放大系數隨輸入頻率的增大而減小,并且這種現象隨著坡高的增加而愈加明顯。坡趾處的加速度放大系數隨輸入頻率的增加變化不明顯;在某些情況下,甚至會削弱地震波的放大效應。

圖12 正弦波0.3g幅值下斜坡加速度 放大系數隨頻率變化圖

圖13為0.3g幅值正弦波作用下不同頻率的加速度放大系數隨高程的變化趨勢。在不同頻率的正弦波作用下,坡面加速度放大系數隨高程的增加呈非線性增大;對于不同頻率的輸入波,斜坡加速度放大系數的出現拐點位置也明顯不同。頻率20 Hz的正弦波,加速度放大系數在坡高1/2處急劇增大,而對于其他頻率,加速度放大系數在坡高3/4處急劇增大,呈現出相似的特性。坡體內部加速度放大系數隨高程增加基本呈線性增長趨勢,在不同頻率正弦波作用下增長速率不同,放大系數增長速率拐點出現在邊坡自振頻率附近。

圖13 不同頻率下加速度放大系數隨高程變化

4.2 輸入波幅值影響

由圖14可知,坡面加速度放大系數隨著幅值的增大先增大后減小,當輸入地震動幅值小于0.3g時,坡面加速度放大系數隨著幅值的增大而增大。當輸入地震波的幅值超過0.3g時,PGA隨著輸入幅值的增大而減小,并且在0.3g時達到峰值。與劉漢香等反傾斜坡振動臺試驗得到的幅值對斜坡動力響應特征的總體趨勢相符,即斜面加速度放大系數隨著幅值的增加呈現先增加后減小的趨勢,但在本次試驗中放大系數最大值對應的幅值高于原結論(0.2g)。坡內加速度放大系數變化規律坡表趨勢相同,也存在先增大后減小的現象,在輸入正弦波振幅為0.3g時達到峰值。

圖14 不同幅值下的加速度放大系數

圖15為不同幅值正弦波作用下邊坡加速度放大系數隨高程的變化圖,坡面加速度放大系數隨高程的增加并非呈線性增大趨勢。當正弦波振幅小于0.3g時,在1/2坡高以下PGA緩慢增長,在1/2坡高處為拐點,PGA急劇增大,在坡頂處達到最大值。當正弦波振幅大于0.3g時,加速度放大系數在坡高3/4處顯著增大。加速度放大系數沿坡體內部豎直方向呈線性增長,幅值變化對加速度放大系數增長速率影響不大。

圖15 加速度放大系數在不同幅值下隨高程變化

基于以上對邊坡動力響應的分析,頻率和幅值共同影響邊坡動力響應,控制坡面加速度放大系數以及出現拐點的位置。當輸入波接近邊坡自振頻率或波幅小于0.3g時,坡面加速度放大系數在坡面中部開始急劇增大。當輸入波頻率高于或低于邊坡自振頻率或幅值大于0.3g時,坡面加速度放大系數的增長拐點都出現在坡高3/4處。坡體內部豎向加速度放大系數的增大趨勢受頻率和幅值的影響較小;但輸入波頻率對加速度放大系數增長率的影響高于幅值。當輸入波頻率越接近邊坡自振頻率時,加速度放大系數曲線增長速率越快。

4.3 輸入波類型的影響

地震波作為一種隨機波,頻譜成分復雜,因而其對邊坡的影響也不盡相同。本研究以茂縣基巖地震波、臥龍土層地震波、基于研究區合成波、正弦波作為動力輸入條件,分析了不同地震波類型下斜坡動力響應特征。斜坡對不同類型地震波的放大效應差別較大(如圖16所示),對于坡面監測點(除坡肩處),天然波的坡面動力放大效應均高于正弦波和合成波,茂縣基巖波的坡面動力放大效應更大。斜坡對合成波的放大作用不明顯,在正弦激勵下,坡頂對地震波的放大效應最大。對于隨著高程的增加,坡內對正弦波的放大作用逐漸增強,造成這種現象的原因可能與輸入的固有頻率和頻帶有關,前文所述茂縣基巖波的卓越頻率為19.3 Hz,卓越頻段在19.3 Hz～80 Hz,低于斜坡的自振頻率,且頻段寬度較寬,導致振動過程中斜坡產生的能量越大,因此斜坡的放大效應越強;汶川臥龍波的卓越頻頻率雖然接近邊坡自振頻率且譜值較茂縣波高,但是頻帶寬度較窄,導致斜坡的放大作用并不明顯。因此關于巖質斜坡的動力研究,輸入地震波選取基巖地震波較為合適。

圖16 不同地震波類型下的加速度放大系數

4.4 結構面的影響

軟弱破碎帶的存在對斜坡的動力響應有顯著的影響,本文在結合實際斷層的基礎上采用下薄上厚的楔形狀結構面。同時在軟弱夾層上下各布置3個加速度傳感器,用來研究結構面對反傾巖質斜坡的動力響應的影響和對輸入地震波的影響,其中上層加速度傳感為A6,A7,A8,下部傳感器為A3,A4,A5。試驗分析結果如圖17所示。

圖17 不同幅值下結構面上下層放大系數

試驗中設置的軟弱破碎帶厚度不一致,導致不同位置放大效應不同。當地震波幅值較低,坡底處軟弱破碎帶對地震波的放大作用不明顯;隨著高程增大,監測點A6～A8的PGA體現出先大后小的現象,即地震波經過結構面中部時放大效應明顯,趨于坡表體現為抑制放大效應。當輸入地震波的幅值為0.6g時,結構面下層的放大作用明顯增強,結構面中部的放大效應較低幅值地震波作用更弱。傅里葉譜反映了輸入地震波在頻域內的特性,實現了地震波從時域分析到頻域分析的轉換,可以清晰的看出各頻段內的地震動響應程度和振動能量在各頻率范圍內的分布情況,進而對地震波在斜坡的傳播過程進行深入的研究。為了更加直觀的分析軟弱破碎帶對輸入地震波的影響和對斜坡動力響應的影響,采用快速傅里葉變換得到 0.2g茂縣波和0.6g茂縣波作用下,軟弱夾層兩側測點傅氏圖,如圖18所示。

圖18 不同幅值結構面上下測點傅里葉譜圖

由于軟弱破碎帶厚度不一致,導致地震波頻段在穿越不同位置軟弱破碎帶時發生的改變也不盡相同。坡底軟弱破碎帶較薄,地震波由下層監測點到上層監測點,8 Hz～21 Hz頻段發生了明顯的放大作用;對于軟弱破碎帶中部監測點,地震波經過軟弱破碎帶,在20 Hz～25 Hz 頻段內有所放大;對于接近坡表的監測點,軟弱破碎帶的存在抑制了斜坡對地震波的放大作用。由以上分析可以看出,不同厚度軟弱破碎帶對地震波在斜坡內的傳播影響不同,軟弱破碎帶厚度較薄時,對輸入的地震波起到放大作用,隨著軟弱夾層厚度的增加,這種放大效應逐漸減弱,當超過某一厚度時,會抑制斜坡對地震波的放大作用。產生該現象的原因是由于軟弱破碎帶較薄時,地震波在軟弱破碎帶上層和下層發生反射和折射,增強了地震波的能量。

5 結 論

本文采用北京工業大學西區結構試驗大廳3 m×3 m的振動臺,以宗絨滑坡為試驗原型,建立了幾何相似比為1∶100的縮尺反傾巖質斜坡模型,開展了大型振動臺模型試驗,研究了強震作用下反傾巖質斜坡的動力學響應規律,分析了斜坡的啟裂和失穩臨界動力條件。得到以下結論:

(1)隨著輸入波次數的增加,斜坡自振頻率逐漸降低,在0.3g輸入波加載后,斜坡進入了非線性階段。強震作用下斜坡對地震波產生明顯的高程放大效應和趨表效應,且幅值越大,現象越明顯,斜坡的動力放大效應的分布范圍與幅值正相關。

(2)低幅值作用下,斜坡加速放大系數在輸入波頻率接近斜坡自振頻率時達到最值;高幅值作用下,斜坡加速度放大系數最大值出現在低于斜坡自振頻率附近。同時加速度放大系數增長速率受頻率的影響更大,越接近斜坡的固有頻率,加速度放大系數曲線上升的越快。

(3)軟弱破碎帶的存在對斜坡動力響應和穩定性具有很大的影響,其厚度對放大效應存在明顯的差異,整體上表現為厚層段抑制,薄層段放大。幅值0.3g～0.4g是斜坡啟裂的臨界動力條件,0.7g～0.8g是斜坡失穩破壞的臨界動力條件。