
















摘要: 中陡傾順層巖質斜坡在地震作用下的變形破壞機理較為復雜。基于振動臺試驗,設計并制作巖層傾角大于坡角的中陡傾順層巖質斜坡,研究其在單向和耦合向地震波作用下的動力響應特性和破壞模式。試驗結果表明,模型斜坡的水平向動力加速度存在明顯的非線性高程放大效應,在距坡表20 cm深度范圍內存在顯著的非線性趨表放大效應,且斜坡對耦合向地震波的動力響應更強烈。低幅值、低頻率條件下,斜坡對天然波的動力響應較正弦波強烈;斜坡的水平向加速度峰值(PHA)放大系數隨著幅值的增加而增大;當頻率增大且接近斜坡的自振頻率時,斜坡的PHA放大系數會顯著增大。耦合向地震波對波形、幅值、頻率影響下的PHA放大系數均有促進放大的作用;相比單向地震波,耦合向地震波對斜坡的破壞作用更大。地震作用下中陡傾順層巖質斜坡的破壞過程可總結為三個階段:斜坡中上部裂隙產生階段→裂隙擴展、貫通階段→斜坡中上部滑塌、斜坡失穩階段。
關鍵詞: 中陡傾順層巖質斜坡; 振動臺試驗; 動力響應; 破壞模式
中圖分類號: P642.22""""" 文獻標志碼:A"" 文章編號: 1000-0844(2025)02-0393-11
DOI:10.20000/j.1000-0844.20240415002
Dynamic response characteristics and failure modes of medium-steep
bedding rock slopes subjected to earthquake forces
DOU Yanghao1, ZHAO Qihua2, ZHENG Xiuhong1
(1. School of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China;
2. State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University
of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China)
Abstract:
The deformation and failure mechanism of medium-steep bedding rock slopes under earthquake action is relatively complex. A medium-steep bedding rock slope with a rock dip angle greater than the slope angle was designed and fabricated using shaking table tests. The dynamic response characteristics and failure modes of the slope were examined under unidirectional and coupled seismic wave actions. The experimental results reveal a distinct nonlinear elevation amplification effect on the horizontal dynamic acceleration of the model slope. Remarkable nonlinear amplification and surface effect were observed within a depth range of 20 cm from the slope surface. Moreover, the dynamic response of the slope is more pronounced under coupled seismic waves. Under low amplitude and low frequency conditions, the slope exhibits a stronger dynamic response to natural waves than to sine waves. The peak horizontal acceleration (PHA) amplification factor of the slope increases with the amplitude. As the frequency increases and approaches the natural frequency of the slope, the PHA amplification factor experiences a significant increase. Coupled seismic waves further enhance the PHA amplification factor across various waveform, amplitude, and frequency conditions. Compared with other seismic waves, coupled seismic waves exert a more destructive impact on the slope. The failure process of medium-steep bedding rock slopes under earthquake action can be categorized into three stages: crack generation at the upper part of the slope, crack expansion and penetration, and sliding in the upper slope region, leading to slope instability.
Keywords:
medium-steep bedding rock slope; shaking table test; dynamic response; failure mode
0 引言
地震對斜坡失穩具有觸發作用,往往會誘發大量的崩塌和滑坡,造成重大的人員傷亡和財產損失,對城鎮化建設是一個極大的安全隱患[1]。巖質斜坡是一種常見的斜坡類型,層狀巖質斜坡更是分布廣泛。斜坡按巖層傾向和坡面傾向的關系可分為順向坡、斜向坡、橫向坡和反向坡,其中順層巖質斜坡穩定性最差,在地震作用下容易發生失穩。
振動臺試驗能直觀地反映斜坡的變形破壞過程和動力響應特征,因此成為大多數學者研究地震斜坡失穩的主要手段[2]。在研究斜坡的動力響應特性方面,許強等[3]設計了坡角為60°的水平層狀上硬下軟和上軟下硬兩種巖性組合概念模型,通過振動臺試驗,系統地研究了模型斜坡的地震動力響應特性。董金玉等[4]通過大型振動臺試驗,研究了地震作用下坡角(60°)大于巖層傾角(25°)的順層巖質斜坡的動力響應規律和破壞特征。楊國香等[5]通過振動臺試驗,研究了坡角(60°)大于巖層傾角(25°)的順層和均質巖質斜坡的動力加速度響應特征,以及動力輸入參數對斜坡動力特性的影響。黃潤秋等[6]通過大型振動臺試驗,研究了巖層傾角等于坡角(60°)的順層和反傾兩種斜坡在強震作用下的動力響應特性。吳多華等[7]通過加載不同峰值、頻率和持時的地震波,研究了地震荷載作用下巖層傾角等于坡角(60°)的斜坡動力響應特征和變形破壞機制。楊長衛等[8]設計并制作了坡角(60°)大于巖層傾角(35°)的順層和反傾兩種斜坡,從加速度時頻特征方面系統地對比了兩類斜坡地震動力響應的差異。郭明珠等[9]通過振動臺模型試驗,研究了強震作用下含軟弱夾層、傾角為35°的順層巖質斜坡的動力響應規律。此外,還有王學伍[10]、李振生等[11]對地震荷載作用下巖質斜坡的動力響應作出了相應研究。
在斜坡變形破壞模式及機制方面,張倬元等[12]總結出了層狀體斜坡4種主要變形破壞模式:滑移-壓致拉裂、滑移-拉裂、滑移-彎曲、彎曲-拉裂,并給出了每種變形破壞模式所對應斜坡的主要結構特征。張社榮等[13]研究發現,層狀巖質邊坡的破壞模式與巖層傾角密切相關,隨巖層傾角增大,邊坡失穩機制可以歸納為滑移拉裂滑劈破壞崩塌破壞傾倒破壞滑移破壞。邱俊等[14]提出層狀巖質邊坡“傾倒臨界傾角”的概念,對于順傾邊坡,當巖層傾角大于時,其可能產生傾倒破壞;當巖層傾角小于時,通常產生順層面的“滑移-彎曲”或“滑移-拉裂”型破壞。賈俊[15]以干磨坊滑坡為例,對強震作用下陡傾順層巖質邊坡的動力響應及失穩機制開展了研究,認為其在強震作用下整體發生了滑移-彎曲式順層潰屈破壞。張陳羊[16]通過對兩種不同巖層結構的陡傾順層邊坡進行離心振動臺模型試驗,提出陡傾層狀硬巖邊坡破壞以崩塌和坡肩巖體拋射形式為主,而軟硬互層狀邊坡的破壞形式以滑移-彎曲為主。
目前,基于振動臺試驗對地震波作用下順層巖質斜坡動力響應的研究較多,但斜坡類型多集中于坡角大于或等于巖層傾角的順層巖質斜坡,且多討論其在單向地震波作用下的動力響應規律。通過對1933年疊溪地震震害區現場調查發現,研究區順向坡坡度為40°~45°,巖層傾角為45°~55°,屬中陡傾順層巖質斜坡。這類斜坡的巖層傾角大于坡角,為相對穩定的坡體結構,卻在地震過程中發生了失穩,說明其在地震作用下的變形破壞機理比靜力狀態下要復雜得多。鑒于此,本文以四川省茂縣松坪溝溝口滑坡為原型開展大型振動臺物理模擬試驗,通過輸入不同頻率、不同波形和幅值的單向和耦合向地震波,研究單向、耦合向地震波和不同地震波動參數對中陡傾順層巖質斜坡動力響應特征的影響,模擬再現斜坡的破壞過程,并總結其變形破壞模式,以期為松坪溝及其他地區類似斜坡的失穩破壞機制和工程防治提供一定的理論依據。
1 振動臺試驗方案
1.1 試驗設備
試驗在成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室下轄的地震模擬振動臺試驗室進行。如圖1所示,振動臺臺面尺寸為6 m(長)×4 m(寬),最大荷載重量為40 t,加載頻段為0.1~60 Hz。具體參數如表1所列。
1.2 模型概化與相似材料設計
松坪溝溝口滑坡位于四川省茂縣松坪溝與岷江交匯處,地處松坪溝主溝左岸,為一巖質滑坡,坡向212°,坡度43°。斜坡巖性以三疊系雜谷腦組(T2z)變質砂巖為主,巖層產狀為190°∠48°,為中陡傾順層巖質斜坡。滑坡所在區發育有松坪溝斷層,斷層整體走向NW,傾向SW,傾角約70°。斜坡工程地質剖面如圖2所示。
為有效建立試驗模型并對試驗結果進行分析,結合現有試驗條件,在185 cm(長)×148 cm(寬)×115 cm(高)的剛性模型箱范圍下,對原斜坡進行相應的簡化處理(圖3)。模型采用直線坡,坡度40°,巖層傾角50°,模型長1.65 m、寬1.48 m、高0.85 m,坡頂寬0.51 m。模型沿長度方向兩側采用透明的亞克力板,以便觀察和記錄試驗過程中斜坡的破壞情況。為減小邊界效應的影響,在模型側壁放置10 cm厚的泡沫板作為減震層,底部使用10 cm厚的與坡體相同的材料作為墊層,以防止模型在振動時發生滑動,影響試驗結果。
受限于振動臺和模型箱的尺寸,模型制作時需要對原斜坡進行縮尺試驗,因此模型的相似比尤為重要。試驗以模型尺寸、密度和彈性模量為控制量,相似常數分別取Cl=200、Cρ=1、CE=200。同時,依據Bockingham π[17] 定理導出了各物理量之間的相似關系(表2)。通過正交試驗,最終確定模擬材料的配比為重晶石粉∶鐵粉∶石英砂∶石膏∶松香∶酒精=51.1∶12.8∶21.3∶9.5∶0.3∶5。原型與模型材料的物理力學參數如表3所列。
1.3 模型制作與傳感器測點布置
斜坡模型制作前,根據設計圖紙,在模型箱的側壁繪制模型輪廓、層面分界線及傳感器位置。在制作模型時,先將材料按照相似比稱重并攪拌均勻;然后,將攪拌好的材料運進模型箱并壓實,每次壓實厚度不超過5 cm,在一層砌筑完成后靜置一段時間,再進行下一層的制作;最后,在巖層表面鋪設一層透明塑料薄膜模擬層面[11]。
本次試驗共布置21個三向壓電式加速度傳感器(圖4)。為減小兩側邊界效應的影響以及傳感器對模型的擾動,將加速度傳感器布置在模型斜坡中間的縱剖面上,以保證監測數據的有效性。其中,A0布置在振動臺臺面上,用來采集臺面的地震波參數;A20布置在模型箱外側壁表面,其與A0形成對比,用來檢驗模型箱的剛度要求,與A19形成對比,用來檢驗泡沫板的隔震作用。圖5為制作好的斜坡模型。
1.4 地震波加載方案
為研究地震波動參數對斜坡動力響應的影響,試驗輸入的地震波分為正弦波和天然波:正弦波采用5、8、15 Hz共3個頻率等級;天然波主要由2017年九寨溝地震中疊溪地震臺記錄到的NS向和UD向地震波組成。為模擬自然狀態下的地震波作用,每類地震波分別施加水平X向、豎直Z向和XZ向合成3個方向的激振。根據推導出的時間壓縮常數,壓縮后得到天然波的時程曲線和幅頻曲線,如圖6所示。由圖6(c)、(d)可知,天然波的卓越頻率為6 Hz。逐級施加不同幅值及頻率的地震波,直至斜坡失穩破壞,并在每一級地震波輸入前施加0.05g、持時20 s的白噪聲波,以獲取模型斜坡的自振頻率。考慮到幅值較大時,相同幅值的正弦波對斜坡的破壞作用大于天然波,故施加了振幅為0.2g的正弦波后,連續施加完所有天然波再繼續施加正弦波。在每一級地震波加載完成后,對斜坡的破壞情況進行觀察、拍照和記錄。具體加載方案如表4所列。
2 斜坡動力響應分析
2.1 斜坡自振頻率分析
通過白噪聲激勵來獲得斜坡的自振頻率:利用各傳感器測點采集的白噪聲信號對振動臺臺面測點A0采集的白噪聲信號做傳遞函數,再借助MATLAB軟件信號處理箱中自帶的求解傳遞函數程序“tfestimate”,獲得相應測點的相對傳遞函數虛部和頻率曲線圖[18],斜坡的自振頻率則近似等于該曲線圖第一個峰值。按照上述步驟,選取表4中工況1和工況81采集的白噪聲信號,對坡表各測點(A1、A6、A10、A14、A17)的白噪聲信號做傳遞函數,得到如圖7(a)、(b)所示的傳遞函數虛部-頻率圖,圖中曲線第一個峰值點對應的頻率即為斜坡的自振頻率。利用MATLAB軟件計算出模型斜坡的初始自振頻率為25.6 Hz[圖7(a)],經過一定工況的地震波激振后,模型的自振頻率降低為23.55 Hz[圖7(b)],說明斜坡內部出現了損傷,斜坡剛度減小,動力特性出現了變化。
選取白噪聲工況1、11、21、31、41、51、61、71、81、85,求出每個工況下的斜坡自振頻率[圖7(c)]。從圖7(c)可以看出,試驗中斜坡模型的自振頻率整體呈減小趨勢,表現出一定的分段性,具體可分為3個階段。第一階段:在0.1g~0.2g幅值的地震波激振下,斜坡自振頻率呈現先減小后增大的趨勢,但整體變化范圍較小(25.6~25.4 Hz),最后出現的小幅增長,可能是由于激振導致斜坡內部塊體擠壓,局部變得密實,使剛度有所增加;通過現場試驗現象觀察可知,此時斜坡未出現明顯的變形破壞,處于穩定狀態。第二階段:在0.2g~0.6g幅值的地震波激振下,斜坡的自振頻率出現了明顯下降,斜坡逐漸進入非線性塑性階段。第三階段:在正弦波加載下,斜坡的自振頻率迅速降低,表明此時斜坡整體剛度降低,阻尼比增大;結合現場試驗現象可知,0.6g正弦波加載完成后斜坡出現明顯的變形破壞。
2.2 加速度動力響應分析
定義水平向加速度峰值(Peak Horizontal Acceleration,PHA)放大系數為各傳感器監測點所記錄的PHA與臺面監測點PHA的比值,討論斜坡的動力響應特征。
圖8為0.1g幅值的X向和XZ向天然波作用下,斜坡內部和坡表不同高程的PHA放大系數變化曲線圖。從圖中可以看出,不同地震波作用下坡表和斜坡內部PHA放大系數變化趨勢基本相同,均隨高程增加而不斷增大,表現出明顯的“高程放大效應”。同時,PHA放大系數隨高程增加呈非線性變化特征,其在3/4坡高以下變化較為緩慢,超過3/4坡高后急劇增大,且坡頂處動力響應最為顯著。此外,XZ耦合向地震波激振下坡頂處PHA放大系數明顯高于X向地震波激振下,說明耦合向地震波對斜坡的高程放大效應有明顯的促進作用。
圖9為天然波激振作用下同一高程上與坡表不同水平距離的PHA放大系數變化趨勢(橫坐標從左往右是從坡表往坡體內部)。從圖中可以看出,在單向和耦合向地震波作用下,PHA放大系數總體上呈現出先減小后增大的特征;在距坡表20 cm深度范圍內,PHA放大系數呈現出明顯的“趨表放大效應”。距離坡表82 cm處的監測點,其PHA放大系數大于坡表位置監測點,是因為在加載過程中模型箱壁所產生的剛性反射使地震波能量被放大,從而導致靠近模型箱側壁監測點的PHA放大系數也變大。
2.3 地震波動參數對斜坡動力響應的影響
2.3.1 頻率對斜坡動力響應的影響
為研究地震波輸入頻率對斜坡動力響應的影響,試驗采用了5、8、15 Hz三種頻率的正弦波進行激振。
圖10為不同頻率地震波(0.2g)作用下斜坡的PHA放大系數隨高程變化趨勢圖。從圖中可以看出,不論是斜坡內部還是坡表,PHA放大系數均隨地震波頻率的增大而增大;當頻率達到15 Hz時,PHA放大系數急劇增大,放大效應最為明顯,這是由于斜坡的自振頻率為25.6 Hz,當輸入地震波頻率接近斜坡的自振頻率時,斜坡與輸入地震波發生共振,導致斜坡的動力響應特征更加顯著。在X向地震波激振下[圖10(a)、(b)],當正弦波頻率為5、8、15 Hz時,PHA放大系數的曲線形狀基本不變,表明低頻率的地震波對斜坡的動力響應規律分布無顯著影響。在XZ耦合向地震波作用下[圖10(c)],坡內的PHA放大系數在不同頻率的正弦波激振下出現了先增大后減小再增大的趨勢,這是因為在0.2g正弦波激振下,斜坡開始出現破壞,而斜坡內部塊體擠壓使局部巖層變得密實,導致PHA放大系數增加,在持續的激振下斜坡內部變得松散,導致此時的PHA放大系數減小。XZ耦合向地震波激振作用下,坡表和坡內的PHA放大系數最大值為4.18(坡表處),約為X向地震波作用下的1.5倍[圖10(b)、(d)],表明耦合向地震波對斜坡動力響應特性產生了促進放大的作用。
2.3.2 波形對斜坡動力響應的影響
試驗采用正弦波和天然波,對比研究地震波波形對斜坡動力特性的影響。由前文可知,天然波的卓越頻率為6 Hz,故在對比中選取5 Hz的正弦波以減小頻率不同產生的影響。圖11為不同波形地震波(0.1g)激振作用下坡內和坡表PHA放大系數隨高程的變化趨勢。從圖中可以看出,不論是在坡表還是坡內,天然波作用下的放大系數均大于正弦波;隨著高程的增加,PHA放大系數呈非線性增大,且在坡頂處達到最大值。此外,斜坡對XZ耦合向天然波的響應較X向更強烈。
2.3.3 幅值對斜坡動力響應的影響
圖12為不同幅值地震波作用下斜坡坡內和坡表的PHA放大系數變化曲線。從圖中可以看出,在X向正弦波激振下,隨著幅值的增加(0.1g~0.4g),斜坡的PHA放大系數呈非線性增大[圖12(a)、(b)];在XZ耦合向地震波激振下,斜坡的PHA放大系數也隨著幅值的增加而增大[圖12(c)、(d)]。這表明隨著幅值的升高,斜坡的動力響應效果愈發強烈。從圖12(a)、(b)可以看出,在0.5g~0.6g幅值之間,斜坡的PHA放大系數迅速降低且走勢忽高忽低,這是因為在0.4g高幅值正弦波作用下,斜坡內部破壞,結構變得松散,導致地震波能量在斜坡內反射和折射時損失嚴重。從圖12(c)、(d)可以看出,在斜坡內部豎直剖面上,PHA放大系數隨著高程的增加而增大;在XZ耦合向天然波激振作用下,斜坡的PHA放大系數遠高于相同幅值的X向天然波作用下的值,表明耦合向地震波對斜坡動力響應特性產生了促進放大的作用。
3 斜坡模型的破壞特征
在試驗過程中,逐級加載地震波直至斜坡發生破壞,并對斜坡模型的破壞過程進行詳細的記錄和拍照,以便對其變形破壞現象進行分析。
初始階段,在幅值為0.1g和0.2g的天然波和正弦波交替激振下,斜坡坡面中上部出現細小裂隙,如圖13(a)所示;輸入0.4g和0.6g幅值天然波后,坡頂靠近坡肩處和斜坡后緣也相繼出現不同長度的裂隙,如圖13(b)所示,此時裂隙均未貫通。在試驗過程中還發現,在上述階段,斜坡均是在施加了耦合向地震波之后才出現破壞的,進一步說明斜坡對耦合向地震波的動力響應更強烈,即XZ向地震波對斜坡的破壞作用更大。輸入0.4g正弦波后,坡表裂隙貫通,位置為巖層層面出露處[圖13(c)]。輸入0.5g正弦波后,斜坡模型后緣出現兩處寬1~2 cm的拉裂縫,局部巖塊掉落,形成凹腔[圖13(d)];由圖12(a)、(b)可以看出,此時斜坡的PHA放大系數急劇降低,說明斜坡內部結構發生了較為嚴重的破壞。輸入正弦波幅值達到0.6g后,由于地形放大效應,斜坡中上部發生失穩滑塌,局部巖層出露,形成了拉裂陡坎,坡表局部可見“剝皮”現象;掉落的巖土塊體大多堆積在坡腳,少部分殘留塊體在坡體上部,形成具有安全隱患的危巖堆積塊體[圖13(e)]。
中陡傾順層巖質斜坡受巖層層面控制,常規條件下以滑移-彎曲變形為主,且彎曲一般發生在坡腳或近坡腳部位,其變形往往是在長期的重力累積作用下形成的[12]。而在地震作用下,由于高程放大效應,這類斜坡的變形破壞部位多在其中上部,一般首先從后緣發生張拉破壞,然后沿層面發生張剪破裂。因此,結合斜坡變形破壞特征,將強震作用下中陡傾順層巖質斜坡的變形破壞過程歸納為三個階段:斜坡中上部裂隙產生階段裂隙擴展、貫通階段斜坡中上部滑塌、斜坡失穩階段。模型試驗破壞過程很好地揭示了地震作用下巖層傾角大于坡角的中陡傾順層巖質斜坡的變形破壞機制。
4 結論
本文基于振動臺試驗,對地震作用下中陡傾順層巖質斜坡的加速度動力響應特性和破壞模式進行研究,得出以下結論:
(1) 通過MATLAB軟件求得斜坡的初始自振頻率為25.6 Hz,試驗結束后為23.55 Hz,斜坡自振頻率整體呈降低趨勢。
(2) 斜坡的PHA放大系數在豎直方向上表現出了高程放大效應,超過一定坡高后高程放大效應更顯著,且在坡頂達到最大值;在水平方向上距離坡表20 cm深度范圍內,斜坡坡表的PHA放大系數大于斜坡內部,表現出趨表放大效應。斜坡對耦合向地震波的響應更加強烈。
(3) 隨著輸入地震波頻率的增加,斜坡的PHA放大系數增大,地震波頻率越接近斜坡的自振頻率,PHA放大系數增加越顯著。輸入地震波頻率相同時,斜坡在耦合向地震波激振下的PHA放大系數為單向地震波激振下的1.5倍,表明此時斜坡在耦合向地震波作用下的動力響應特性更顯著。
(4) 低幅值、低頻率條件下,斜坡對于天然波的動力響應效果較正弦波顯著,對耦合向地震波的響應效果較單向地震波顯著。隨著地震波幅值的升高,斜坡的動力響應效果越強烈。當輸入地震波的幅值相同時,斜坡在耦合向地震波作用下的動力響應特性更顯著。
(5) 將地震作用下中陡傾順層巖質斜坡的破壞過程歸納為三個階段:斜坡中上部裂隙產生階段→裂隙擴展、貫通階段→斜坡中上部滑塌、斜坡失穩階段。
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(本文編輯:趙乘程)