近斷層地震動(dòng)對(duì)階梯式順層巖質(zhì)路塹邊坡震裂損傷的作用機(jī)制

摘要： 中國(guó)西南部特殊的地形條件導(dǎo)致公路交通建設(shè)中不可避免地形成大量路塹邊坡，地震作用下公路路塹邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題儼然成為公路工程穩(wěn)定性研究中的重點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析階梯式順層巖質(zhì)路塹邊坡的加速度響應(yīng)，研究邊坡各平臺(tái)的地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。提出加速度放大系數(shù)比表征不同坡表形式的動(dòng)力響應(yīng)差異，結(jié)合Snell定律分析地震波在邊坡中的傳播規(guī)律。結(jié)果表明：邊坡加速度放大系數(shù)隨激振幅值增加而表現(xiàn)出高程放大效應(yīng)，當(dāng)激振幅值超過(guò)0.6g時(shí)，因震裂損傷累積，坡體濾波效應(yīng)增強(qiáng)，加速度放大系數(shù)隨高程增長(zhǎng)趨于平緩。均勻階梯寬度的邊坡抗震性能較好，階梯陰角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)作為重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)的加速度數(shù)據(jù)分析結(jié)果與高速攝像機(jī)記錄的模型損傷結(jié)果相吻合。根據(jù)邊坡的震裂累積破壞過(guò)程，可將破壞現(xiàn)象分為淺層蠕滑（0.1g～0.4g）、局部拉裂（0.4g～0.6g）、加速變形（0.6g～0.8g）和整體失穩(wěn)（0.8g～1.0g）四個(gè)發(fā)展階段，變形破壞模式總體表現(xiàn)為滑移?拉裂式。研究結(jié)果為復(fù)雜坡面與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的震裂破壞機(jī)制及抗震設(shè)防提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為山區(qū)階梯式巖質(zhì)路塹邊坡的防災(zāi)減災(zāi)措施提供參考。

關(guān)鍵詞： 邊坡工程； 階梯式巖質(zhì)邊坡； 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)； Snell定律； 震裂損傷模式

中圖分類號(hào)： TU435""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" 文章編號(hào)： 1004-4523（2025）02-0352-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2025.02.014

收稿日期： 2023-02-13； 修訂日期： 2023-06-05

基金項(xiàng)目："國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52108361，41977252）；四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（23ZDYF2234）；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題和開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（SKLGP2020Z001，SKLGP2020K018）

Action mechanism of near-fault earthquake on shatter damage of stepped bedding rock cutting slope

XIN Chunlei1，3， LI Wenhui2.3， FENG Wenkai1，3， YANG Fei3， LIAO Jun3

（1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；2. Department of Architecture and Civil Engineering， Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu 611130， China；3. College of Environment and Civil Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract： In the southwest region of China， the construction of highways has resulted in the formation of many cutting slopes due to the special terrain conditions of the region. Therefore， the stability of highway cutting slopes under earthquake conditions has become a critical issue in the stability evaluation of highway engineering. In this research， the acceleration response of stepped bedding rock slopes is analyzed by conducting large-scale shaking table tests， and the seismic response of each platform is investigated. A ratio of acceleration amplification factor is proposed to characterize the differences in dynamic responses of various slope patterns and analyzes the seismic wave propagation in the slope using Snell’s law. The test reveals that the acceleration amplification factor of the slope exhibits an elevation amplification effect as the amplitude of the excitation increases. When the excitation amplitude exceeds 0.6g， the continuous accumulation of slope shattering damage and the enhancement of the filtering effect lead to a leveling off of the acceleration amplification factor with increasing elevation. Besides， slopes with uniform step width demonstrate better aseismic performance， while stress concentration is more likely to occur at the corners of each step， making them as key fortification sites. The analysis of the monitored acceleration data is consistent with the model damage patterns recorded by a high-speed camera during the shaking table tests. Based on the cumulative shattering damage process of the slope， four stages of damage are identified： shallow creep （0.1g～0.4g）， local tension （0.4g～0.6g）， accelerated deformation （0.6g～0.8g）， and overall instability （0.8g～1.0g）， exhibiting a slip-tensile damage mode. The research findings provide essential theoretical support and technical guidance for understanding the shattering damage mechanism and seismic fortification of rock slopes with complex formations and geological structures， and offer a reference for disaster prevention and mitigation measures for stepped bedding rock slopes in mountainous areas.

Keywords： slope engineering；stepped rock slope；shaking table test；Snell’s law；shatter damage mode

中國(guó)國(guó)土70%以上都是丘陵和山地，尤其是西南部呈現(xiàn)出地形起伏大、地質(zhì)條件復(fù)雜和山坡巖體結(jié)構(gòu)多變的特點(diǎn)［1?2］。同時(shí)，中國(guó)處于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，呈現(xiàn)出地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣等特點(diǎn)［3?4］。近年來(lái)發(fā)生的大地震均造成了極嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，如2008年汶川8.0級(jí)地震造成滑坡3314處，崩塌2394處，泥石流619處，不穩(wěn)定邊坡1656處［5?6］。誘發(fā)的大光包滑坡滑塌體積達(dá)7.42億立方米，形成的堰塞湖壩高為690 m，是迄今為止世界范圍內(nèi)有記錄的規(guī)模最大的地震誘發(fā)滑坡。2010年發(fā)生在青海玉樹(shù)的7.1級(jí)地震共誘發(fā)了2036處地震滑坡，造成了2220人死亡及70人失蹤。2013年4·20雅安地震觸發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)達(dá)3000處。2017年8月8日，四川省北部的阿壩州九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)境內(nèi)發(fā)生6.5級(jí)地震，造成大量的山體滑坡。滑坡主要分布于九寨天堂、九寨溝國(guó)家地質(zhì)公園內(nèi)樹(shù)正溝及熊貓海附近，滑坡總面積為8.37 km2。九寨溝國(guó)家地質(zhì)公園區(qū)內(nèi)地震誘發(fā)滑坡1022處，總面積為3.88 km2。2022年9月5日，四川省甘孜州瀘定縣發(fā)生6.8級(jí)地震，地震重災(zāi)區(qū)瀘定縣和石棉縣境內(nèi)共誘發(fā)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)565處，包括崩塌331處、滑坡234處，加劇了81處已有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的變形。其中，磨西臺(tái)地兩側(cè)邊坡由于臨空面坡度較陡，巖土體在長(zhǎng)期重力卸荷作用下形成縱向拉裂縫，受強(qiáng)震作用觸發(fā)邊坡發(fā)生大規(guī)模垮塌。近15年高烈度地震頻發(fā)，地質(zhì)災(zāi)害防治任務(wù)任重而道遠(yuǎn)。

“十四五”規(guī)劃中明確指出，要實(shí)施高鐵工程、高速公路、護(hù)坡堤岸、橋梁隧道等公共基礎(chǔ)設(shè)施安全加固，穩(wěn)步提升工程抗震防災(zāi)能力。現(xiàn)如今，大量巖土工程將建在西南部的強(qiáng)震區(qū)，這對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的順利建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)提出了更高的要求，巖土邊坡的地震穩(wěn)定性問(wèn)題日趨突出［7］。對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和破壞機(jī)制的研究作為邊坡動(dòng)力穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)，是重要的先決條件。邊坡動(dòng)力響應(yīng)是多因素作用的結(jié)果，取決于地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性等內(nèi)在因素以及地震動(dòng)的三要素等外部因素［8?10］。目前，地震作用下的邊坡動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制和穩(wěn)定性的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法、理論分析法，數(shù)值模擬計(jì)算法和物理模型試驗(yàn)法［11?13］。其中，物理模型試驗(yàn)方法中的大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)可以模擬地震波直接作用于邊坡的整個(gè)過(guò)程，對(duì)模型邊坡的破壞過(guò)程進(jìn)行直觀地觀測(cè)，并通過(guò)高精度數(shù)據(jù)采集儀器監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部動(dòng)力參數(shù)的時(shí)空變異性。因此，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)以其試驗(yàn)規(guī)模較大、可實(shí)時(shí)再現(xiàn)震害現(xiàn)象和可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是目前探尋邊坡震害機(jī)理最理想的研究手段［14?16］。加速度傳感器是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)最可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源之一，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和元件能夠保證高采樣頻率下時(shí)程響應(yīng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。SONG等［17］通過(guò)加速度放大系數(shù)增量ΔMPGA研究不連續(xù)結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡在快速降水作用下的動(dòng)力穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明，快速降水和地震協(xié)同作用使邊坡坡面放大效應(yīng)顯著，加劇了邊坡的變形。然而，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案中的加速度傳感器僅反映地震動(dòng)力作用下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位響應(yīng)時(shí)程，須通過(guò)波在不同介質(zhì)之間傳播特性的Snell定律分析地震波在邊坡中的傳播規(guī)律，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中邊坡的破壞現(xiàn)象，才能闡明巖質(zhì)邊坡模型的地震響應(yīng)機(jī)制。FENG等［18］結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中巖質(zhì)邊坡動(dòng)力破壞模式和地震波傳播理論，揭示了軟硬互層的低傾角順層巖質(zhì)邊坡的地震響應(yīng)和破壞機(jī)理。將邊坡破壞演化過(guò)程分為三個(gè)階段，首先在坡頂和坡后緣出現(xiàn)些許張拉裂縫；而后，拉裂縫繼續(xù)加深加寬，坡頂附近萌生新的剪裂縫；最終，坡頂附近的拉裂縫和剪裂縫相互連接貫通，邊坡巖體沿破壞面滑動(dòng)。

本文依托三（曲靖三寶）清（昆明清水）高速公路（K86+380～K86+740）區(qū)段的路塹邊坡，根據(jù)坡體地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，將該順層路塹邊坡概化為含軟弱夾層的階梯式順層巖質(zhì)邊坡模型。以邊坡平臺(tái)寬度為變量，設(shè)置兩組試驗(yàn)工況，開(kāi)展大型振動(dòng)臺(tái)物理模型試驗(yàn)。基于實(shí)時(shí)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，定義加速度放大系數(shù)，探究階梯式順層巖質(zhì)路塹邊坡不同平臺(tái)位置的加速度變化規(guī)律。通過(guò)Snell定律分析地震波在該模型場(chǎng)地內(nèi)的傳播路徑，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中邊坡的破壞現(xiàn)象，闡明階梯式順層巖質(zhì)邊坡模型的地震響應(yīng)機(jī)制和震裂漸近損傷效應(yīng)，進(jìn)而探究階梯式順層巖質(zhì)邊坡原型在實(shí)際地震動(dòng)力作用下的穩(wěn)定性演化過(guò)程和失穩(wěn)機(jī)理。

1 試驗(yàn)原型概述

本文依托三清高速公路（K86+380～K86+740）區(qū)段的路塹邊坡，開(kāi)展大型振動(dòng)臺(tái)物理模型試驗(yàn)。該研究區(qū)段處在川滇斷塊和華南斷塊的邊界附近，橫穿小江活動(dòng)斷裂帶，區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，各體系構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，具有繼承性和多期復(fù)活的特點(diǎn)，如圖1（a）所示。根據(jù)中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306—2015）［19］，該邊坡工程所屬區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.3g，抗震設(shè)防烈度為8度。小江活動(dòng)斷裂帶是青藏亞板塊與南華亞板塊部分邊界的組成部分，是著名川滇菱形地塊東南邊界斷裂。小江活動(dòng)斷裂帶在長(zhǎng)期活動(dòng)過(guò)程中，曾經(jīng)歷壓、張、扭不同力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)化，沿帶有最寬達(dá)500 m的斷層破碎帶，沿?cái)嗝鏀鄬幽喟l(fā)育。第四紀(jì)晚期，斷裂表現(xiàn)出強(qiáng)烈的左旋走滑特征。山脊、水系、地質(zhì)地貌體等位移明顯，最大左旋位移可達(dá)5～7 km。根據(jù)中國(guó)地震局提供數(shù)據(jù)顯示，自2021年5月以來(lái)，川滇地塊至少發(fā)生了7次5級(jí)以上的地震，這說(shuō)明最近2年內(nèi)川滇菱形地塊處于強(qiáng)震活躍時(shí)期。

研究區(qū)段眾多路段處于高原中低山構(gòu)造陡斜坡地貌，路線經(jīng)過(guò)山體斜坡地段，由西向東弧形展布。山體沿北東（N?E）往南西（S?W）向波狀起伏，與線路近平行。邊坡地形較陡，自然坡度為30°左右。根據(jù)鉆孔取樣可知，該段邊坡主要為粉砂巖及砂巖，膠結(jié)程度較低，易被雨水沖刷流失。邊坡開(kāi)挖后在雨水浸潤(rùn)作用下，易產(chǎn)生崩滑現(xiàn)象，不利于邊坡穩(wěn)定。地層產(chǎn)狀呈單斜構(gòu)造，出露基巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，呈松散、淡黃色狀，巖層產(chǎn)狀為138°∠35°。場(chǎng)地未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性構(gòu)造，在自然狀態(tài)下，該段邊坡穩(wěn)定性較好。

根據(jù)坡體附近的地質(zhì)測(cè)繪結(jié)果，該路塹為順層邊坡。巖層產(chǎn)狀對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化巖層呈砂土狀，中風(fēng)化巖層部分呈碎塊狀。在地震等外部環(huán)境作用下，局部陡坡地段易發(fā)生掉塊，出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。因此，建議對(duì)邊坡進(jìn)行階梯式開(kāi)挖，一方面卸載邊坡內(nèi)的應(yīng)力，另一方面降低邊坡的整體坡角，如圖1（b）所示。

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

2.1 振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)

本系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)由成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室提供，如圖2所示，該振動(dòng)臺(tái)設(shè)備由英國(guó)SERVOTEST公司生產(chǎn)，整個(gè)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)由4"m×6 m大型振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面、4套豎向作動(dòng)器及4套水平向作動(dòng)器、1500L@28MPa油源、油源控制系統(tǒng)以及Pulsar激振輸入控制系統(tǒng)組成。振動(dòng)臺(tái)最大負(fù)載為4.0×104 kg，滿載水平向和豎向加速度分別為1.5g和1.0g，滿載峰值水平向速度為1.5 m/s、豎向速度為1.2 m/s，最大水平向位移和豎向位移分別為300和150 mm。

根據(jù)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的尺寸，確定鋼結(jié)構(gòu)模型箱的尺寸為3.6 m×1.5 m×2.1 m（長(zhǎng)×寬×高），如圖3所示。該模型箱由鋼板、型鋼和有機(jī)玻璃構(gòu)成。為減輕地震波在模型箱邊界的反射，保證邊坡模型與模型箱邊界呈現(xiàn)連續(xù)的變形狀態(tài)，在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中應(yīng)設(shè)置柔性材料吸收地震波。柔性材料的彈性模量、密度和阻尼比確定后，最接近自由場(chǎng)振動(dòng)響應(yīng)的柔性材料厚度便已確定。綜合考慮，最合適的柔性材料厚度為20 cm［20］。因此，本試驗(yàn)中在垂直振動(dòng)方向的模型箱內(nèi)側(cè)設(shè)置20 cm厚聚苯乙烯泡沫板，模擬吸波材料。在平行激振方向的模型箱側(cè)壁安裝有機(jī)玻璃，一方面便于在試驗(yàn)過(guò)程中清楚地觀察模型的破壞情況；另一方面，有機(jī)玻璃提供的光滑表面可以有效減小模型箱側(cè)壁摩擦約束對(duì)試驗(yàn)的影響。

2.2 相似關(guān)系與模型制作

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)要求保持模型和原型之間的相似性，模型試驗(yàn)應(yīng)同時(shí)滿足靜力和動(dòng)力條件下的相似關(guān)系。本文采用基于量綱分析法的Buckingham Π定理，由振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸確定原型和模型的幾何相似比為CL=25。模型和原型處于同一重力場(chǎng)中，則重力加速度相似比為Ca=1。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保持原型和模型的重力場(chǎng)相似，這就要求在重力加速度相似比為1的前提下，原型和模型的密度也保持一致。因此，取原型和模型的密度相似比為Cρ=1。基于上述分析，本系列試驗(yàn)選取L、ρ、a為基本控制量，作為其他參數(shù)的相似判據(jù)。本系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的相似關(guān)系如表1所示。

為得到模型材料準(zhǔn)確的物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣的巖體進(jìn)行一系列室內(nèi)直剪試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)以及斜剪試驗(yàn)等，獲取巖體和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。基于邊坡模型相似材料配比的正交試驗(yàn)結(jié)果，最終選取石膏、重晶石粉、石英砂、水和甘油質(zhì)量配比為10∶35∶25∶14∶2，作為該系列試驗(yàn)中邊坡模型巖體的相似材料最優(yōu)配比。其中，重晶石粉和石英砂分別起到細(xì)骨料與粗骨料作用，石膏和水起到膠結(jié)作用，甘油起到保水作用。巖質(zhì)邊坡內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面分布、發(fā)育程度以及力學(xué)性能控制著邊坡的變形、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，軟弱夾層相似材料合理選取和配比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果，選取黏土、重晶石粉和甘油作為邊坡中軟弱夾層的相似材料，質(zhì)量配比為10∶25∶1。邊坡模型的密度、彈性模量及黏聚力等物理量的目標(biāo)值、實(shí)際測(cè)定值及相似度如表2所示，其中相似度定義為邊坡模型的實(shí)際測(cè)定值與模型目標(biāo)值之比。

階梯式順層巖質(zhì)邊坡模型的制作分為巖體、軟弱夾層和基座三部分，模型填筑前，先在亞克力板上標(biāo)定出邊坡的外輪廓、夾層和基座位置，鋪貼于模型箱的有機(jī)玻璃內(nèi)側(cè)，如圖4（a）所示。模型制作過(guò)程中，首先用M5水泥砂漿和磚砌筑模型基座，便于控制邊坡巖體和軟弱夾層的角度，砌筑時(shí)砂漿飽滿，保證基座穩(wěn)定，如圖4（b）所示。模型填筑時(shí)，將邊坡相似材料按照比例均勻拌合，如圖4（c）所示，根據(jù)體積控制原則自下而上分層填筑，每層填筑厚度控制在5 cm左右。巖體和夾層在整個(gè)制作過(guò)程中交替施作，如圖4（d）所示，每層巖體和夾層表面用木板壓實(shí)抹平，如圖4（e）所示。為了保證模型巖體的均一性，每層砌筑完成后使用環(huán)刀法進(jìn)行密度測(cè)試。模型填筑過(guò)程中需配合傳感器的埋設(shè)和安裝，將試驗(yàn)中所需加速度計(jì)和土壓力盒埋設(shè)在方案設(shè)計(jì)的特定位置。為了保證傳感器的正常運(yùn)行，對(duì)傳感器外圍包裹保鮮膜和膠帶作為防水處理，如圖4（f）所示。在模型箱有機(jī)玻璃一側(cè)每隔5 cm粘貼標(biāo)記點(diǎn)，作為模型在激振過(guò)程中位置的參照點(diǎn)，如圖4（g）所示；待模型成型后，為了保證模型材料達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，仍須將模型靜置一段時(shí)間，再開(kāi)展試驗(yàn)。在制作完成的階梯坡面上繪制10 cm的網(wǎng)格線，網(wǎng)格線交點(diǎn)位置粘貼反光標(biāo)，用以采集地震作用下邊坡的位移，如圖4（h）所示。整個(gè)模型的制作流程如圖4所示。

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)坡體地質(zhì)測(cè)繪成果，概化順層路塹邊坡為含軟弱夾層的階梯式順層巖質(zhì)邊坡。以邊坡平臺(tái)寬度為變量，設(shè)置兩組試驗(yàn)工況。為了使得研究成果更具有普適性，選取實(shí)際2 m的均勻平臺(tái)邊坡與8 m和2 m的組合平臺(tái)邊坡作為路塹邊坡的坡表地貌，選取的階梯寬度滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）［21］中對(duì)階梯式邊坡平臺(tái)寬度和通行功能的要求。根據(jù)試驗(yàn)確定的幾何相似比為1∶25，設(shè)置均勻階梯邊坡模型的寬度均為8 cm，不均勻階梯寬度的邊坡模型第二級(jí)平臺(tái)寬度為32 cm，其余平臺(tái)寬度為8 cm。兩組邊坡模型的高度均為118 cm，設(shè)三級(jí)階梯，每級(jí)階梯高度設(shè)為22 cm。其中：階梯寬度均為8 cm的邊坡模型作為試驗(yàn)工況一；階梯寬度不均勻的邊坡模型作為試驗(yàn)工況二，兩個(gè)模型的平面分布位置如圖5（a）所示。此外，邊坡模型中的軟弱夾層厚度為0.5 cm，夾層與水平面夾角為35°，各夾層間距為15 cm。

根據(jù)試驗(yàn)研究目的，本次試驗(yàn)選取加速度計(jì)和土壓力盒兩種傳感器，加速度計(jì)選用DM?JS型，量程為2g，頻率范圍為0～200 Hz，具有輸出靈敏度高、低頻響應(yīng)好和幾何尺寸小等特點(diǎn)，可直接與動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)連接使用。土壓力盒采用DMTY應(yīng)變式微型傳感器，規(guī)格為2 cm×0.48 cm。光滑面為受力面，另一面為支撐面。試驗(yàn)過(guò)程中，支撐面的著力點(diǎn)要牢固，確保土壓力盒的位置和方向不發(fā)生偏移。兩種傳感器埋設(shè)在邊坡模型各階梯平臺(tái)的陰角和陽(yáng)角部位，如圖5（b）所示。利用兩類傳感器分析地震動(dòng)荷載作用下邊坡不同高程處的動(dòng)力響應(yīng)，以期找到坡體的變形和破壞規(guī)律。試驗(yàn)工況加載過(guò)程中，通過(guò)高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄邊坡模型的響應(yīng)狀態(tài)。基于光學(xué)測(cè)量技術(shù)的三維數(shù)字圖像（XTDIC）系統(tǒng)追蹤地震荷載作用下邊坡的位移。該系統(tǒng)包括兩臺(tái)分辨率為200萬(wàn)像素的高速攝像機(jī)，采集頻率為50 Hz。XTDIC測(cè)量系統(tǒng)基于雙目立體視覺(jué)技術(shù)，使用兩臺(tái)高速攝像機(jī)采集物體變形各階段的實(shí)時(shí)圖像。通過(guò)對(duì)坡面標(biāo)記點(diǎn)的準(zhǔn)確識(shí)別，實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)的立體匹配，利用編碼標(biāo)記點(diǎn)重建表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)和位移，計(jì)算邊坡在多期地震作用下的變形過(guò)程。

2.4 加載方案

本次試驗(yàn)選取汶川地震中近斷層臥龍臺(tái)站記錄的強(qiáng)震東西向（E?W）分量，作為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入的動(dòng)力荷載，試驗(yàn)激振加載方向?yàn)樗絏向，輸入的X向地震波可以看作水平剪切波。壓縮地震波的持時(shí)為原波持時(shí)的1/5，因此，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中地震波激振的時(shí)間為36 s。近斷層地震在加速度時(shí)程中呈現(xiàn)出峰值較大的特點(diǎn)，如圖6（a）所示，在速度時(shí)程中表現(xiàn)為長(zhǎng)周期速度脈沖，并且脈沖的幅值大，與地震波的總持時(shí)相比時(shí)間較短，如圖6（b）所示。試驗(yàn)中選擇地震動(dòng)輸入時(shí)應(yīng)注意地震動(dòng)三要素和能量分布的不同，兼顧地震動(dòng)是否有速度和位移脈沖的要素。近斷層地震能量集中在脈沖持時(shí)段內(nèi)，含脈沖的地震動(dòng)造成近斷層路塹邊坡發(fā)生嚴(yán)重破壞。根據(jù)頻譜分析，地震波能量在時(shí)域上主要集中在前10 s，在頻域上主要集中于12 Hz，如圖6（c）所示。為評(píng)估邊坡模型受到不同激振幅值時(shí)的破壞發(fā)展過(guò)程，該系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)置了6個(gè)加載工況，即按照0.1g、0.2g、0.4g、0.6g、0.8g和1.0g逐級(jí)加載，模擬邊坡經(jīng)歷有感地震、小震、中震、強(qiáng)震、大震和巨震不同烈度的多期地震作用，研究邊坡動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律以及震裂損傷作用機(jī)制。每次工況加載完成后間隔20"min，觀測(cè)并記錄模型邊坡的變形與破壞情況。在每次激振開(kāi)始前均施加0.05g的白噪聲，獲取模型邊坡在激振后的自振頻率。試驗(yàn)加載次序如圖6（d）所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 加速度放大效應(yīng)分析

地震慣性力是導(dǎo)致邊坡變形失穩(wěn)的重要原因，研究加速度的變化規(guī)律是評(píng)價(jià)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的基本指標(biāo)。因此，本節(jié)以坡面水平向的加速度放大系數(shù)為研究對(duì)象，探究含軟弱夾層階梯式順層巖質(zhì)邊坡不同平臺(tái)位置的加速度變化規(guī)律和實(shí)時(shí)動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)。定義加速度放大系數(shù)AAF（acceleration amplification factor）為各測(cè)點(diǎn)的水平加速度峰值與振動(dòng)臺(tái)面測(cè)點(diǎn)加速度峰值之比。圖7（a）和（b）分別表示不同激振幅值下邊坡各平臺(tái)陰角和陽(yáng)角的加速度放大系數(shù)變化曲線。從圖中可以看出，兩種工況的加速度放大系數(shù)沿著坡底到坡頂逐漸增大，坡頂處最大，即整體都表現(xiàn)出明顯的高程放大效應(yīng)。值得注意的是，圖7（b）工況二坡頂處的加速度小于第一、二級(jí)階梯，這是因?yàn)樵诩ふ駮r(shí)工況二會(huì)產(chǎn)生更大的慣性力，兩者慣性力的差異主要體現(xiàn)在第二級(jí)階梯處，工況二的第二級(jí)階梯處比工況一的慣性力大，向前和向下作用于第一級(jí)階梯，最終導(dǎo)致工況二中第一級(jí)階梯被壓潰。因此，反映在圖7（b）中，即在第一級(jí)階梯陽(yáng)角處的加速度放大系數(shù)甚至超過(guò)了坡頂?shù)募铀俣确糯笙禂?shù)。還可以從變化趨勢(shì)中看出，當(dāng)激振幅值在0.2g～0.6g時(shí)，加速度放大系數(shù)隨激振幅值的增加而增大，超過(guò)0.6g時(shí)，增長(zhǎng)幅度趨于平緩，而后加速度放大系數(shù)隨幅值的增加逐漸減小。這是因?yàn)殡S著地震作用次數(shù)的增加，邊坡震裂損傷不斷累積。坡體的剪切應(yīng)變?cè)龃螅沟眠吰碌淖哉耦l率降低，阻尼比增大。同時(shí)，由于軟弱夾層的物理力學(xué)參數(shù)弱于巖體結(jié)構(gòu)，地震波穿過(guò)軟弱夾層時(shí)的頻譜特性發(fā)生改變。隨著激振幅值的增加，邊坡沿著軟弱夾層滑動(dòng)的趨勢(shì)逐漸顯著，加劇了邊坡中巖體地震動(dòng)力響應(yīng)的非線性特征，坡體的濾波作用增強(qiáng)。這一分析與0.6g時(shí)邊坡模型開(kāi)始出現(xiàn)可見(jiàn)的震裂變形現(xiàn)象一致。

為了更加清楚地展示兩組工況中各平臺(tái)位置抵御地震時(shí)加速度響應(yīng)的差異，引入工況二與工況一各平臺(tái)對(duì)應(yīng)位置加速度放大系數(shù)比（ratio of acceleration amplification factor， RAAF）來(lái)判斷兩種工況動(dòng)力響應(yīng)的相對(duì)大小，如下式所示：

（1）

當(dāng) gt; 1時(shí)，說(shuō)明工況二對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)更大，動(dòng)力響應(yīng)更顯著；反之，工況一對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)更顯著。

從圖7（c）和（d）中可以看出，當(dāng)激振幅值小于0.6g時(shí)，無(wú)論邊坡陰角還是陽(yáng)角，總大于1，說(shuō)明工況二對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)較工況一更顯著，這是因?yàn)楣r二在激振過(guò)程中第二級(jí)寬平臺(tái)受到更大的地震慣性力，邊坡有更明顯向臨空面一側(cè)變形的趨勢(shì)。此時(shí)，第二級(jí)階梯陰角處承受更大的拉應(yīng)力。當(dāng)激振幅值超過(guò)0.6g時(shí)，整體呈現(xiàn)小于1的規(guī)律，說(shuō)明工況二對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)較工況一輕微，這是因?yàn)楣r二在高能量地震激勵(lì)后第二級(jí)階梯陰角被拉裂，邊坡進(jìn)入加速變形階段，其巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較工況一更為碎裂，裂隙的交替張閉耗散了一部分地震能量，導(dǎo)致工況二放大系數(shù)減小。因此，不同的坡面形態(tài)影響地震波在坡內(nèi)的傳播規(guī)律，進(jìn)而產(chǎn)生不同的地震動(dòng)響應(yīng)。以上分析表明均勻平臺(tái)寬度的邊坡具有較強(qiáng)抵御地震破壞的能力。

3.2 模型內(nèi)的地震波傳播特征

基于對(duì)加速度放大效應(yīng)的分析，路塹邊坡場(chǎng)地內(nèi)的地震波傳播特性與坡面形態(tài)和軟弱夾層的存在有關(guān)。本節(jié)基于波在不同介質(zhì)之間傳播特性的Snell定律，研究地震波在階梯式順層巖質(zhì)邊坡中的傳播規(guī)律。以工況二為例，繪制地震波在邊坡場(chǎng)地內(nèi)的傳播示意圖，如圖8所示，探討邊坡在地震作用下的失穩(wěn)機(jī)制。其中，Snell定律是指入射角與透射角正弦之比等于入射區(qū)域波速與透射區(qū)域波速之比，示意圖如圖8（a）所示，表達(dá)式為：

注：圖中實(shí)線為地震波傳播路徑，虛線為界面法線。

（2）

本次輸入模型的地震動(dòng)類型為水平向剪切波（SV波），初始入射方向垂直向上。地震波在邊坡模型中依次經(jīng)過(guò)巖體和軟弱夾層，最終到達(dá)坡面發(fā)生反射。由于靠近邊坡后緣側(cè)下部存在基座，當(dāng)?shù)卣鸩ù怪比肷鋾r(shí)，部分波將通過(guò)基座與巖體的界面發(fā)生偏折。因此，根據(jù)地震波自模型底部入射到邊坡巖體的傳播路徑，將邊坡模型分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，如圖8（b）所示。由基座、巖體和軟弱夾層三者的剪切模量關(guān)系可知，三者的剪切波速關(guān)系為V巖gt;V基gt;V夾。根據(jù)Snell定律，地震波通過(guò)界面1由基座入射到巖體時(shí)入射角小于折射角，即αlt;β；地震波通過(guò)界面2由巖體入射到軟弱夾層時(shí)入射角大于折射角，即βgt;γ。當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^(guò)界面3從夾層進(jìn)入巖體時(shí)，入射角小于折射角，即γlt;δ。同理，地震波繼續(xù)向上穿過(guò)巖體?界面?軟弱夾層?界面?巖體，最終到達(dá)坡面發(fā)生反射，此時(shí)，反射角=入射角，即η＝φ。此外，由于模型中夾層上下巖體屬于同種材料，所以剪切波速相同，即β=δ。

如圖8（b）所示，地震波在Ⅰ區(qū)斜坡段坡表發(fā)生向坡頂和陰角方向的反射，因此坡頂和邊坡陰角部位是地震波能量匯集的部位。在Ⅰ區(qū)平臺(tái)段，地震波沿著與垂直向上的入射方向呈一定角度向下傳播；在Ⅱ區(qū)斜坡段，地震波在坡表同樣發(fā)生向坡頂和陰角方向的反射；在Ⅱ區(qū)平臺(tái)段，地震波向下沿著與入射波平行的方向傳播至一定深度，與斜坡段的反射波疊加，形成復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)。這說(shuō)明地震波在邊坡巖土體中傳播時(shí)，坡面形態(tài)將對(duì)波的傳播路徑產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響邊坡的動(dòng)力響應(yīng)。同時(shí)，地震波在傳播過(guò)程中遇到界面時(shí)將發(fā)生反射和折射，不同地震波還將疊加協(xié)同作用，導(dǎo)致巖土體張拉和剪切變形。

采用地震波傳播理論，當(dāng)入射SV波通過(guò)巖體和軟弱夾層的界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波場(chǎng)分裂現(xiàn)象，即同時(shí)產(chǎn)生反射SV波、反射P波、透射SV波和透射P波，如圖8（c）所示。每個(gè)界面受到來(lái)自下層入射的SV波和P波以及上層底部反射的SV波和P波，各種類型的波相互匯聚形成復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)。因此，地震波通過(guò)界面?zhèn)髦疗卤頃r(shí)，由于巖體阻尼對(duì)入射波有吸收作用以及應(yīng)力波的反射機(jī)制，造成地震波能量的衰減效應(yīng)，使得地震波傳播路徑較短位置處的能量損失少。因此，該階梯式順層巖質(zhì)邊坡的第一、二級(jí)階梯坡表地震波能量比第三級(jí)階梯和坡頂大，這加劇了邊坡在第一、二級(jí)階梯的破壞程度。

如圖8（b）所示，Ⅱ區(qū)相對(duì)高程較低的第一、二階梯，地震波傳至該部位能量損失較Ⅰ區(qū)的第三階梯和坡頂少，坡面受到輸入地震波激勵(lì)作用而產(chǎn)生向臨空面變形的趨勢(shì)。值得注意的是，邊坡陰角部位受到上部結(jié)構(gòu)的約束較大，且?guī)r體抗拉強(qiáng)度低。因此，在地震波持續(xù)拉?剪作用下，第二級(jí)階梯應(yīng)力集中的陰角處首先出現(xiàn)裂隙。隨著激振烈度的提高，邊坡的震裂損傷不斷累積，巖體出現(xiàn)大量裂隙，動(dòng)力非線性特性逐漸顯現(xiàn)。然而，有一定張開(kāi)度的裂隙，本身就是介質(zhì)特性突變的部位，也將產(chǎn)生反射波并促進(jìn)拉裂，使得巖體濾波效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，剪切作用力還加劇了邊坡第二級(jí)階梯坡面的地震動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度。由于臨空面的存在，入射波與反射波疊加產(chǎn)生趨表放大效應(yīng)。因此第二階梯陽(yáng)角部位能量也較為集中，是易出現(xiàn)破壞的位置。同理，第一級(jí)階梯陰角處在高能量地震波集中拉?剪作用下出現(xiàn)裂隙，該裂隙向下擴(kuò)展貫通至第一夾層。在地震波的持續(xù)激勵(lì)下，裂隙繼續(xù)向深部擴(kuò)展至第二夾層，此時(shí)，較大的地震慣性力和高能量地震波在多裂隙界面形成的應(yīng)力場(chǎng)疊加作用，加劇了巖體損傷累積，導(dǎo)致裂隙的瞬時(shí)動(dòng)力擴(kuò)展，從而加速了邊坡的破壞。最終，第一級(jí)階梯沿著軟弱夾層向下滑動(dòng)并脫離坡體。綜上所述，可以解釋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中第二級(jí)階梯破壞嚴(yán)重以及第一級(jí)階梯處發(fā)生垮塌的現(xiàn)象。

3.3 模型破壞現(xiàn)象的機(jī)理分析

圖9展示了階梯式巖質(zhì)邊坡隨著輸入地震波加速度幅值的增加而逐步破壞的發(fā)展過(guò)程，當(dāng)激振加速度幅值為0.2g時(shí)，邊坡尚未出現(xiàn)明顯的裂隙。階梯陰角是邊坡地形陡緩變化的部位，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，該部位在地震波的拉?剪作用下最先產(chǎn)生破壞，在實(shí)際工程中須重點(diǎn)設(shè)防。當(dāng)激振加速度幅值為0.6g時(shí)，瞬時(shí)的高能量激振加劇了陰角處的應(yīng)力集中。隨著坡高的增加，邊坡表面的動(dòng)力響應(yīng)顯著，即表現(xiàn)出明顯的高程放大效應(yīng)，在地震波張拉作用下造成工況一在第三級(jí)階梯陰角處出現(xiàn)一條初始裂隙。邊坡側(cè)面巖體出現(xiàn)平行于夾層走向的剪切裂隙，如圖9（a）所示；當(dāng)激振加速度幅值達(dá)到0.8g時(shí)，坡體在地震波的反復(fù)拉?剪作用下，在各級(jí)階梯陰角處均出現(xiàn)了張拉裂隙，邊坡側(cè)面臨近坡表的軟弱夾層兩側(cè)出現(xiàn)了大量與夾層走向平行的拉?剪裂隙，此時(shí)，剪切作用力更為集中地作用在邊坡的陰角處，降低了邊坡抗剪強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性，如圖9（b）所示；當(dāng)輸入加速度幅值為1.0g時(shí)，模型在地震波持續(xù)高強(qiáng)度剪切作用下，坡表裂隙持續(xù)加深、加寬，邊坡側(cè)面巖體裂縫發(fā)育密度增加。然而從坡體前部到后緣，裂縫的密度依次降低，說(shuō)明地震波的橫向剪切作用對(duì)底部巖體的改造作用明顯，邊坡有沿著軟弱夾層向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，如圖9（c）所示。值得注意的是，雖然邊坡在多期地震作用下坡體內(nèi)部和坡表存在多處裂隙，整體穩(wěn)定性較差，但邊坡并未發(fā)生整體垮塌。這是因?yàn)檫吰聝?nèi)部和坡表發(fā)展的裂隙在激振過(guò)程吸收了部分地震能量，巖體濾波效應(yīng)增強(qiáng)，阻尼比增加，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)“裂”而未“滑”、“松”而未“動(dòng)”的震裂破壞。

相較于工況一，工況二表現(xiàn)出更加嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象。當(dāng)激振加速度幅值僅為0.2g時(shí)，第二級(jí)寬平臺(tái)相較其他平臺(tái)受到更大的慣性力，邊坡有向臨空面一側(cè)發(fā)生變形的趨勢(shì)。但由于此時(shí)地震波能量相對(duì)較小，邊坡未出現(xiàn)明顯裂隙。當(dāng)激振加速度幅值為0.6g時(shí)，地震動(dòng)力作用下的第二級(jí)階梯陰角部位首先出現(xiàn)拉裂隙。同時(shí)，由于邊坡受到高程放大效應(yīng)的影響，在地震波拉?剪作用下模型側(cè)面高程較大的位置巖體發(fā)育較多平行于軟弱夾層走向的剪裂隙，并且有沿軟弱夾層滑動(dòng)的趨勢(shì)，如圖10（a）所示；這一破壞現(xiàn)象在實(shí)際坡面起伏的巖質(zhì)邊坡工程中經(jīng)常出現(xiàn)，如青川縣紅光鄉(xiāng)三元壩多級(jí)階梯邊坡在汶川地震后，裂縫沿著邊坡陡緩變化部位擴(kuò)展，即在邊坡的階梯陰角處發(fā)生拉裂變形，如圖10（b）所示。當(dāng)激振加速度幅值達(dá)到0.8g時(shí)，作用于第二級(jí)階梯的地震慣性力更為顯著，表現(xiàn)為第二級(jí)階梯陰角處的張拉裂縫沿深度擴(kuò)展，第二級(jí)階梯坡面產(chǎn)生多條與初始裂隙橫向接近平行的裂縫。由于臨空面放大效應(yīng)和地震慣性力的協(xié)同作用，第二級(jí)階梯陽(yáng)角位置的震裂變形表現(xiàn)出向坡外旋轉(zhuǎn)和傾倒，具體表現(xiàn)為裂縫在往復(fù)振動(dòng)過(guò)程中發(fā)展方向沿邊坡臨空面發(fā)生彎轉(zhuǎn)，如圖10（c）所示。這說(shuō)明邊坡陡立臨空面對(duì)振動(dòng)過(guò)程較為敏感，是易發(fā)生震裂變形甚至破壞的部位。相似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在2008年汶川地震中的青川縣房石鎮(zhèn)馬池梁邊坡，從圖10（d）中可以清楚地看到，坡體突出部位震裂裂縫變形強(qiáng)烈，裂縫順邊坡走向延伸時(shí)逐漸向邊坡傾向方向彎轉(zhuǎn)，即向弧形轉(zhuǎn)化，反映了邊坡穩(wěn)定性逐漸惡化。邊坡側(cè)面巖體在激振催生的瞬時(shí)高能量拉?剪應(yīng)力作用下出現(xiàn)與振動(dòng)方向垂直的裂縫，裂縫呈拉裂性質(zhì)，總體呈上寬下窄的楔形狀，向下逐漸延伸，有些裂縫與平行夾層走向的剪切裂隙相互貫通呈網(wǎng)格狀，使邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加碎裂，削弱了邊坡的整體穩(wěn)定性。激振加速度幅值達(dá)到1.0g時(shí)，邊坡破壞發(fā)展過(guò)程如下：當(dāng)?shù)卣鸩虞d到第一次能量集中釋放的第6 s時(shí)，由于第二級(jí)寬階梯受到強(qiáng)地震慣性力作用有向下沿軟弱夾層滑動(dòng)的趨勢(shì)，加之上部邊坡結(jié)構(gòu)在地震反復(fù)動(dòng)力作用下不斷擠壓下部坡體，邊坡側(cè)面巖體的第一級(jí)階梯陰角部位出現(xiàn)了垂直振動(dòng)方向的裂隙；地震波加載至第12 s時(shí)，邊坡側(cè)面沿夾層走向發(fā)展的裂縫在地震波的拉?剪作用下不斷張開(kāi)閉合，且第一級(jí)階梯坡表處的拉?剪裂隙在持續(xù)激振作用下寬度急劇增大并繼續(xù)沿邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，第一級(jí)階梯有沿軟弱夾層滑動(dòng)的趨勢(shì)。值得注意的是，邊坡后緣在循環(huán)往復(fù)的激振作用下逐漸被拉裂，向遠(yuǎn)離吸收邊界的方向運(yùn)動(dòng)；加載第29 s時(shí)，在地震波持續(xù)張拉作用下，第一級(jí)階梯被徹底拉裂，沿著軟弱夾層快速向下滑動(dòng)并脫離坡體。在裂縫拉開(kāi)的瞬間碎裂的巖塊掉入縫隙中，形成楔劈效應(yīng)，使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，如圖10（e）所示。加載結(jié)束后，邊坡后緣遠(yuǎn)離吸收邊界8 cm，發(fā)生9 cm沉降，這說(shuō)明邊坡上部結(jié)構(gòu)沿軟弱夾層發(fā)生了滑動(dòng)，震后的邊坡模型各平臺(tái)位置較初始狀態(tài)均有一定程度的下錯(cuò)。汶川地震后有很多邊坡后緣被拉裂，發(fā)生明顯沉降，例如廣元市朝天區(qū)西北鄉(xiāng)高廟子斜坡在汶川地震的強(qiáng)烈作用下，坡體后緣產(chǎn)生50～120 mm貫通的張拉裂縫，后緣發(fā)生0.8～1.0 m的下沉，坡體上出現(xiàn)多處梯級(jí)張拉裂縫，如圖10（f）所示。試驗(yàn)中兩種邊坡模型的最終破壞情況如圖11所示。根據(jù)邊坡的震裂累積破壞過(guò)程，可將破壞現(xiàn)象分為淺層蠕滑（0.1g～0.4g）、局部拉裂（0.4g～0.6g）、加速變形（0.6g～0.8g）和整體失穩(wěn)（0.8g～1.0g）四個(gè)發(fā)展階段。模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，變形破壞模式總體表現(xiàn)為滑移?拉裂式。

4 討" 論

本文通過(guò)地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究階梯式順層巖質(zhì)邊坡的地震響應(yīng)機(jī)制和震裂損傷效應(yīng)，選取兩種不同寬度的階梯平臺(tái)邊坡，基于實(shí)時(shí)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析階梯式順層巖質(zhì)邊坡不同平臺(tái)位置的加速度變化規(guī)律，提出加速度放大系數(shù)比表征兩種邊坡動(dòng)力響應(yīng)的相對(duì)大小，重點(diǎn)探討不同坡面形態(tài)對(duì)應(yīng)部位地震動(dòng)響應(yīng)的差異。通過(guò)Snell定律分析地震波在模型場(chǎng)地內(nèi)的傳播規(guī)律，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中邊坡的破壞現(xiàn)象，闡明階梯式順層巖質(zhì)邊坡模型在多期地震下的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)詳細(xì)地揭示了這兩種階梯狀順層巖質(zhì)邊坡的破裂演化過(guò)程和破壞模式，直觀地反映了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際地震破壞現(xiàn)象的關(guān)系，有力地驗(yàn)證了傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在一系列的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中，第一條初始裂縫均出現(xiàn)在階梯的陰角部位，并依次在巖體中傳播擴(kuò)展，隨著激振加速度幅值的提高，巖體沿軟弱夾層滑動(dòng)趨勢(shì)明顯。最終，在高能量地震動(dòng)激勵(lì)下，階梯狀順層巖質(zhì)邊坡沿軟弱夾層出現(xiàn)剪切滑移。邊坡最終發(fā)生震裂破壞是地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性以及地震動(dòng)等多因素耦合作用的結(jié)果。文中試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析方法與試驗(yàn)加載時(shí)邊坡的震裂漸近破壞過(guò)程相吻合。本研究選取階梯寬度不同的兩種邊坡坡形來(lái)模擬人類活動(dòng)和自然作用下邊坡可能呈現(xiàn)的形態(tài)，如：路塹邊坡、人工開(kāi)挖的礦山以及自然作用下形成的黃土塬都呈現(xiàn)出階梯狀的特點(diǎn)。因此，選取的階梯式順層巖質(zhì)邊坡模型具有較為廣泛的普適性。在試驗(yàn)中裂縫均最先出現(xiàn)在階梯陰角處，說(shuō)明階梯陰角是抗震薄弱部位，在實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)設(shè)防。綜上所述，由于本文選取的邊坡模型兼顧了人類活動(dòng)和自然作用共同的影響，因此，論文研究成果對(duì)地震作用下的邊坡工程既有實(shí)際的指導(dǎo)意義，也具有普遍性的示范應(yīng)用價(jià)值。在未來(lái)進(jìn)一步的研究中，還可通過(guò)改變邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形地貌和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，建立巖體物理力學(xué)參數(shù)與邊坡破壞演化過(guò)程之間的關(guān)系，分析邊坡地震響應(yīng)機(jī)理。此外，關(guān)于軟弱夾層的地震響應(yīng)規(guī)律需要更多的試驗(yàn)和數(shù)值模擬來(lái)驗(yàn)證和探討，特別是關(guān)于軟弱夾層和邊坡形態(tài)之間如何相互影響，需要進(jìn)一步定量研究和參數(shù)化分析。

5 結(jié)" 論

（1） 通過(guò)對(duì)階梯式順層巖質(zhì)邊坡不同平臺(tái)位置的加速度放大系數(shù)分析表明，邊坡整體表現(xiàn)出明顯的高程放大效應(yīng)。當(dāng)激振幅值在0.2g～0.6g時(shí)，加速度放大系數(shù)隨幅值增加而增大；當(dāng)激振幅值超過(guò)0.6g時(shí)，由于邊坡震裂損傷不斷累積，坡體的濾波作用增強(qiáng)，加速度放大系數(shù)的增加幅度趨于平緩。

（2） 提出加速度放大系數(shù)比判斷兩種邊坡動(dòng)力響應(yīng)的相對(duì)大小，分析表明均勻階梯寬度的邊坡具有較強(qiáng)抵御地震破壞的能力。

（3） Snell定律研究地震波在階梯式巖質(zhì)邊坡中的傳播規(guī)律，地震波在邊坡巖土體中傳播時(shí)，坡面形態(tài)影響波在邊坡中的傳播路徑，進(jìn)而影響邊坡的動(dòng)力響應(yīng)。地震波通過(guò)界面?zhèn)髦疗卤頃r(shí)，由于巖體阻尼對(duì)入射波有吸收作用以及應(yīng)力波的反射機(jī)制，造成地震波能量的衰減效應(yīng)。

（4） 根據(jù)邊坡的震裂累積破壞過(guò)程，將破壞現(xiàn)象分為淺層蠕滑（0.1g～0.4g）、局部拉裂（0.4g～0.6g）、加速變形（0.6g～0.8g）和整體失穩(wěn)（0.8g～1.0g）四個(gè)發(fā)展階段。邊坡變形破壞模式總體表現(xiàn)為滑移?拉裂式。

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第一作者： 信春雷（1986―），男，博士，副教授。E-mail： xinchunlei@cdut.edu.cn

通信作者： 馮文凱（1974―），男，博士，教授。E-mail： fengwenkai@cdut.cn