基于振動臺實驗的典型滑坡單元體震動滑移特征發(fā)現(xiàn)

錢海濤，肖銳鏵

(1. 中國地震局地殼應力研究所，北京 100085；2. 國土資源部地質(zhì)災害應急技術(shù)指導中心，北京 100081)

地震引發(fā)的滑坡災害早已受到人們的重視并一直是研究的熱點，關(guān)于其穩(wěn)定性分析方法，國內(nèi)外諸多學者進行了大量研究并取得了一系列非常有意義的成果[1～10]。綜合來看，在這些分析方法中，都直接或間接地采納了一個最基本的模型設(shè)定：滑體單元在地震動作用下沿滑帶產(chǎn)生滑動，即典型單元滑動模型，如圖1所示。

圖1 典型單元滑動模型圖Fig.1 Typical earthquake landslide model

然而，對于這種典型單元的滑動機理特征，已有研究多是從理論上著手，其人為設(shè)置的諸多假設(shè)前提可能并不能完全符合實際，不少學者在應用中因此而常存在或多或少的失誤，需要切實的實驗數(shù)據(jù)來進行對比分析論證。

為此，本文針對這種滑坡滑動單元在地震動作用下的滑移特征，制作了典型的實體滑動模型，并在振動臺上開展了一系列的實驗研究工作，取得了一些比較有意義的新成果。

1 振動臺模型實驗設(shè)計

為了盡可能消除外來干擾因素的影響，以對基本模型的地震動力滑移特征有著較為清晰的認識，此次實驗幾何結(jié)構(gòu)上采用了與圖1相對應的經(jīng)典模型，并配以簡單規(guī)則的正弦波。

1.1 模型幾何形態(tài)

物理實驗模型為單斜面滑塊模型，如圖2和圖3所示，上部為長方體滑塊、下部為滑床、中間薄層為滑帶，并設(shè)置了緩、中、陡3種典型滑帶傾角，傾角θ分別為10°，20°和30°，對應字母L，M，H。

圖2 振動臺物理實驗模型及監(jiān)測布置簡圖Fig.2 Layout of physical models and monitoring for the shake table

圖3 滑坡振動臺物理實驗模型圖Fig.3 Physical models for the shake table

1.2 模型材料選取

實驗開始前，為確定模型所以材料及其配比，在參考已有相關(guān)文獻資料[11～18]的基礎(chǔ)上并基于現(xiàn)實情況選取原材料。

滑床物質(zhì)采用石膏、水泥、鐵粉、砂子、水為原料；考慮到預設(shè)實驗中，滑體物質(zhì)自身不產(chǎn)生破壞，故采用加鋼筋的砂子水泥鐵粉；滑帶物質(zhì)采用顆粒為40～70目的石英砂和黏土為原料，配置出軟、中、硬的3種滑帶材料。通過數(shù)十組針對性的配比試驗，模型材料最終配比如表1所示。

表1 滑帶土材料配比及力學性能

1.3 模型工況組合與監(jiān)測設(shè)計

將上述不同角度滑帶和不同材質(zhì)的滑帶類型相組合，并排除那些不合實際的組合(因滑帶傾角過大同時滑帶材料太差，無需動力加載即會產(chǎn)生滑動的組合)，共計構(gòu)建9個典型山區(qū)地震滑坡工程地質(zhì)模型，具體見表2所示。

如圖1所示，在振動臺物理模型上共布置了10個實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳感器：其中模型滑床上不同高度位置加速度傳感器5個，為a1～a5；滑床頂部位移傳感器1個，編號d1；滑體上加速度和位移傳感器坡度位移傳感器各1個，分別為a6和d2；在振動臺基座上布置了加速度和位移傳感器各1個分別為a7和d3。此外，還設(shè)置2條垂直于滑帶的紅色的位移觀測線，以為便于肉眼直觀識別滑體相對于滑床的滑動位移。

表2 模型實驗設(shè)計概況

1.4 地震動加載方案

實驗過程中，為研究地震波頻譜特性(頻率、持時、峰值)對滑坡穩(wěn)定性的影響，在模型底部通過振動臺輸入，輸入地震波為不同峰值強度、頻率和持時的正弦波。

(1)地震波強度

對不同滑帶材料模型，峰值以0.05g為起點，以逐步分級增大的方式施加正弦波，每次增加幅度0.05g，以研究滑動的屈服加速度及相應位移。

實驗過程中，注意控制加載，以盡可能精確地獲得滑體向上和向下滑動時對應的屈服加速度。

(2)地震波持時

若初始加載的30 s內(nèi)無滑移產(chǎn)生或出現(xiàn)較大位移(滑體滑落或接近滑落)，則停止加載，轉(zhuǎn)為其他強度和頻率的地震波，重新開始實驗。

若初始30 s內(nèi)有出現(xiàn)少量滑移，下一步則以1.2倍左右強度地震波加載30 s，若滑體滑落或出現(xiàn)較大位移(接近滑落)，則此次實驗結(jié)束。

若還未滑落，則結(jié)合滑移情況(總滑移量、滑移速度、滑帶上可供滑移的剩余長度)再次提高地震波強度加載30～60 s。

上述過程中，若模型發(fā)生破壞并滑體呈大幅度滑動以致落地，則終止該次實驗。

(3)地震波頻率

為研究輸入地震波頻率的影響，依次輸入不同頻率的地震波重復上述實驗過程，對表2中的9個模型的每一個，均依次輸入頻率為5 Hz、10 Hz、15 Hz和20 Hz四種工況的地震波。

2 基于實驗的滑移特征發(fā)現(xiàn)

2.1 滑移地震屈服加速度分析

滑移的地震屈服加速度，是多年來研究關(guān)注的重點問題之一，基于本次實驗數(shù)據(jù)，有以下發(fā)現(xiàn)：

(1)存在向上和向下兩個滑移屈服加速度

輸入地震動達到某一數(shù)值之后，滑體開始出現(xiàn)滑動，即滑動屈服加速度出現(xiàn)，但在輸入地震波強度足夠大時，會出現(xiàn)瞬時向上的滑移行為。

以20°滑帶傾角和滑帶材料2的模型在0.40g、10 Hz地震動下滑移過程為例，從其滑體滑移曲線的局部放大圖(圖4)中明顯可見，滑體永久位移呈階梯性增加，在總體向下不斷滑移的過程中，位移短時間內(nèi)有所減小。這表明當輸入地震動超過某一數(shù)值的時候，滑體相對滑床會產(chǎn)生瞬間向上的反向滑移，即出現(xiàn)向上的滑移屈服加速度。

圖4 較大輸入加速度時滑動位移曲線局部放大圖Fig.4 Local enlarged drawing of the displacement under the strong seismic wave

這種現(xiàn)象與理論推測的情形完全吻合，盡管在目前的研究中，已有學者提出存在這種反向屈服加速的存在，但都停留在理論假設(shè)的層次，一直以來缺乏實際資料證實，本次研究首次從模型實驗的角度給出了驗證。

(2)屈服加速與輸入地震波頻率的關(guān)系

如果以輸入的地震波為參考研究對象，將其對應的屈服加速稱為臺面輸入屈服加速度，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，開始出現(xiàn)滑移的屈服加速度(臺面輸入屈服加速度)大小與輸入地震波的頻率有一定相關(guān)性，其隨著頻率的增加而有所減小，反之隨輸入地震波頻率的減小則有所增大，典型工況記錄如表3所示。這是目前已有研究未曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

表3 實驗所得屈服加速與頻率關(guān)系對照表

結(jié)合傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步分析表明，在其他條件相同的情況下，開始產(chǎn)生滑移時，振動臺臺面輸入屈服加速度大小隨輸入地震波頻率的增加而減小，基于表3的實驗數(shù)據(jù)并參考言志信等的研究成果[19]分析推測，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與坡體相應于不同頻率和強度地震波輸入下產(chǎn)生的動力放大效應不同有關(guān)，其總體形成的結(jié)果是，在滑帶附近，促使滑體產(chǎn)生滑動的局部加速度(滑帶處屈服加速度)相對穩(wěn)定，即其取決于滑體質(zhì)量大小、滑帶傾角和滑帶物理力學性質(zhì)，而與輸入地震波特性無關(guān)。

因此，可以得出結(jié)論，即在以后的研究分析中，切不可以坡底輸入的地震加速度大小為基準，來分析斜坡是否產(chǎn)生滑移和滑移量大小，而應以滑帶處局部加速度大小作為判別滑移與否和計算滑移量的基準參考值。

2.2 地震滑移特征的動態(tài)分析

根據(jù)模型實驗資料，滑體相對滑床的永久位移具有以下特征規(guī)律：

(1)當輸入加速度大小超過某一值時(屈服加速度)，滑體開始沿滑帶產(chǎn)生滑移，隨著時間的增加，其位移大小呈階梯波狀不斷遞增，如圖5所示。

圖5 累積位移所呈現(xiàn)的階梯波狀與周期性特征(模型5、頻率10 Hz、峰值0.50g)Fig.5 The stepped-wave character of the overall displacement in shake-table testes(Model 5, 10 Hz and 0.50g)

(2)進一步分析可見，其在每一正弦波的周期內(nèi)(圖4和圖5)，位移具有幾乎同步的周期性滑移特征，這種周期性的滑移累積就構(gòu)成了總體呈階梯狀的永久位移。這表明，每一周期時間內(nèi)的滑動速度不大、周期累積滑移量有限，每一周期內(nèi)的滑移量大小基本相同，每一周期振動時間結(jié)束時，滑體相對滑床運動的速度基本為零，因此不同時刻任一周期的振動滑移特征可認為是彼此獨立的，總體滑移量是無數(shù)周期滑移量的累加。

(3)在輸入的地震加速度較大時，在每一正弦波的周期內(nèi)，滑體在短時間具備相對滑床向上的滑移特性(圖4)，即每一周期內(nèi)會產(chǎn)生暫時性的沿滑帶向上的滑移，其向上滑移和向下滑移疊加的結(jié)果，構(gòu)成每一周期時間內(nèi)的永久位移。

在每一周期時間內(nèi)，當輸入加速度超過向下的屈服加速時，滑體相對滑床開始產(chǎn)生向下的滑動，其速度先是逐步增大，隨后由于輸入加速的減小和反向，其速度逐步減小至零，并在反向加速達到一定值時，開始反向向上滑移。每一周期時間內(nèi)，其向下永久位移的大小受控于相應向下的屈服加速度，相對反向向上滑移量的大小受控于相應的向上的屈服加速度。

2.3 實驗過程中滑體瞬間懸空現(xiàn)象分析

上述地震屈服加速和滑移特征適用的前提條件是：滑體一直與滑帶始終保持有效接觸不脫離并一直沿滑帶滑移。但是在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，在滑帶傾角和輸入地震加速度同時較大的“雙大”情況下，滑體會由于垂直滑面的分項加速度過大而產(chǎn)生瞬間脫離滑帶和滑床的行為，即瞬間的“懸空”行為，滑帶物質(zhì)出現(xiàn)一定程度的破壞，滑體也同時出現(xiàn)一輕微的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖6)。

圖6 伴隨懸空出現(xiàn)的滑體旋轉(zhuǎn)和滑帶破壞現(xiàn)象Fig.6 Rotation of the slid-body and disruption of the slid-belt accompany the suspending in shake table tests

綜合分析看來，這或與實驗過程中滑體質(zhì)量不夠大有關(guān)(不夠抵擋垂直滑面的加速度)，而實際自然界的大多數(shù)滑坡，一般由于滑體夠大夠重，不易產(chǎn)生這種“懸空”脫離行為。

但是，對于某些坡面很陡、節(jié)理切割嚴重的斜坡，其單塊滑體的質(zhì)量較小，在遭遇強地震動的情況下，則很有可能會出現(xiàn)巖石塊體脫離滑帶的現(xiàn)象，即出現(xiàn)“拋射”或“彈射”現(xiàn)象。這與目前一些學者的野外調(diào)查分析結(jié)果相一致[18～20]。本次實驗的成果，對這些學者的理論分析研究提供了有力的實驗支撐。

3 結(jié)論

(1)存在向上和向下兩個滑移屈服加速度。輸入地震動達到某一數(shù)值之后，滑體開始出現(xiàn)向下的滑動，向下屈服加速度出現(xiàn)；在輸入地震波強度足夠大時，會出現(xiàn)瞬時沿滑帶向上的滑移行為，即向上的屈服加速度出現(xiàn)。

(2)在研究分析中，不可以坡底輸入的地震加速度大小為基準，來分析斜坡是否產(chǎn)生滑移和滑移量大小，而應充分考慮斜坡結(jié)構(gòu)和巖土體特性對地震波的放大效應，以滑帶處局部加速度大小作為判別滑移與否和計算滑移量的基準參考值。

(3)滑體沿滑帶產(chǎn)生的永久滑移總量隨地震波持時增加呈階梯波狀增長。

(4)在地震波的周期時間內(nèi)，永久位移具有幾乎相同的周期性滑移特征，不同時刻任一周期的振動滑移特征相對獨立，總體滑移量是無數(shù)周期內(nèi)滑移量的累加。

(5)在每一地震波周期時間內(nèi)，滑體均可能出現(xiàn)相對滑床的瞬時向上和向下滑移行為，其滑移特征受控于相應向上和向下屈服加速度，其向上和向下滑移矢量疊加構(gòu)成每一周期時間內(nèi)的永久位移。

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