層狀巖質(zhì)邊坡動力變形破壞特征的試驗研究

劉漢東，陳鈞龍，牛林峰，王忠福，朱 瑞，姚 亮

(1.華北水利水電大學(xué) 河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗室， 河南 鄭州 450045；2.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司， 河南 鄭州 450016；3.河南東龍控股有限公司， 河南 鄭州 450000)

地震作用下邊坡穩(wěn)定性問題是工程地質(zhì)研究的重要課題[1-4]。由地震引發(fā)的邊坡變形破壞往往會給人民生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成嚴(yán)重?fù)p害。通過對地震誘發(fā)的邊坡變形破壞現(xiàn)象的現(xiàn)場調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)地震作用下邊坡的變形破壞特征與傳統(tǒng)重力作用下的變形破壞特征明顯不同。地震作用下邊坡頂部巖體出現(xiàn)高位臨空拋射現(xiàn)象，邊坡淺表層出現(xiàn)剝皮破壞現(xiàn)象，還有部分邊坡出現(xiàn)高速遠(yuǎn)程碎屑流運(yùn)動現(xiàn)象[5-6]。地震作用下邊坡變形破壞的危害性和獨(dú)特性，吸引了大量學(xué)者投入到對其的研究之中。Wartman J等[7]利用振動臺試驗研究了黏質(zhì)邊坡在強(qiáng)震作用下的變形破壞模式，認(rèn)為黏質(zhì)邊坡的變形主要集中在一個或多個高剪切面附近，以深層轉(zhuǎn)動/平動滑移為主。門玉明等[8]和梁慶國等[9]采用同樣的方法對層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞進(jìn)行了研究，都認(rèn)為結(jié)構(gòu)面對邊坡的變形破壞有著控制性作用。馮文凱等[10]通過對震區(qū)邊坡破壞現(xiàn)象的詳細(xì)調(diào)查，分析了雙面坡震裂變形的力學(xué)機(jī)理和變形破壞模式。史石榮等[11]利用有限元軟件ANSYS分析了高邊坡的動力破壞特性。崔芳鵬等[12]利用離散元數(shù)值模擬技術(shù)探討了地震縱橫波對邊坡變形破壞的影響。段建等[13]利用FLAC數(shù)值模擬技術(shù)研究了地震作用下巖土體的破環(huán)特征。

振動臺試驗具有模型尺寸選擇范圍大、地震波輸入方便、能較真實(shí)客觀反映邊坡漸進(jìn)破壞過程等優(yōu)點(diǎn)，是研究地震作用下邊坡變形破壞特征的重要手段[14-15]。本次試驗研究采用振動臺試驗方法，對反傾層狀巖質(zhì)邊坡的動力變形破壞特征進(jìn)行研究。試驗儀器采用北京波譜世紀(jì)科技發(fā)展有限公司開發(fā)研制的WS-Z30-50精密模擬振動臺，振動臺臺面尺寸為51.6 cm×38.0 cm，水平最大荷載35 kg，水平最大位移±8 mm，水平最大加速度2g，工作頻率為0.5 Hz～2 500.0 Hz。為了研究模型邊坡的變形破壞特征，試驗過程中主要輸入不同頻率、不同振幅和不同持時的正弦波進(jìn)行激振，促使模型邊坡變形破壞，采用筆記、拍照、攝像等手段詳細(xì)記錄試驗過程，分析研究模型邊坡的動力變形破壞特征及相應(yīng)破壞機(jī)制。

1 試驗概況

1.1 相似關(guān)系設(shè)計

模型試驗必須保持模型和實(shí)物原型的相似性，進(jìn)而確保試驗結(jié)果的可靠性。振動臺試驗除了應(yīng)滿足靜力模型的相似條件外，還要滿足動力相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)的相似。在本次試驗研究中針對振動臺試驗的特點(diǎn)，選取部分相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)使之相似或接近相似進(jìn)行試驗。根據(jù)試驗中使用振動臺的性能和模型邊界條件，選取模型尺寸、密度和彈性模量作為基本量綱，其相似常數(shù)分別取Sl=60，Sρ=3,SE=100，按照Buckinghamπ定理和量綱分析法[16-17]，推導(dǎo)出其余物理量相似常數(shù)，模型試驗主要相似常數(shù)如表1所示。

表1 模型試驗主要相似常數(shù)

1.2 模型邊坡的設(shè)計與制作

根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果和前人總結(jié)成果，設(shè)計了一個具有反傾層狀結(jié)構(gòu)的單面坡(見圖1)，設(shè)計的反傾層狀模型邊坡高0.6 m，長0.6 m，寬0.12 m，層面傾角75°，邊坡坡角60°。模型邊坡由尺寸(長×寬×高)為12 cm×6 cm×2 cm的模塊堆砌而成，模塊由水膏比為1∶0.8的石膏漿液澆筑而成，其基本物理力學(xué)參數(shù)為：密度為0.78 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為1.06 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.092 MPa，彈性模量為66.8 MPa，泊松比為0.22，黏聚力為172.29 kPa，內(nèi)摩擦角為34.9°。模塊與模塊之間用濃度為40%的白乳膠溶液進(jìn)行粘結(jié)，其黏聚力為115.36 kPa，內(nèi)摩擦角為30.6°。在模型邊坡與模型箱接觸的邊界用不加水稀釋的白乳膠進(jìn)行粘結(jié)固定，確保在振動過程中模型邊坡與模型箱之間不產(chǎn)生相對位移。

圖1模型設(shè)計(單位：cm)

試驗中模型箱采用剛性模型箱，用硬化有機(jī)玻璃和鋼支架拼接而成，用鋼螺栓固定在振動臺臺面上。為了減小模型箱的邊界效應(yīng)，在模型箱后壁加襯5 cm厚高密度泡沫板，作為吸波材料，減小地震波在邊界的反射。同時，在模型箱側(cè)壁涂抹潤滑油減小振動過程的側(cè)壁摩擦。

1.3 監(jiān)測點(diǎn)分布

試驗中采用的加速度傳感器分為兩種類型，一種是振動臺系統(tǒng)自帶的型號為YD81D-V的ICP單向加速度傳感器，其質(zhì)量為25 g，靈敏度為100 mV/g，頻響為0.5 Hz～10.0 kHz；另一種是DH8302動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)(以下簡稱動采系統(tǒng))配套的IEPE加速度傳感器，其軸向靈敏度約為100 mV/g，頻響為0.5 Hz～10.0 kHz?？紤]到試驗條件以及模型完整性等因素，本次試驗共布設(shè)了12個加速度傳感器，其中有5個屬于動采系統(tǒng)加速度傳感器，編號為DC1—DC5；另外7個為振動臺系統(tǒng)自帶加速度傳感器，編號為ZT1—ZT7。各加速度傳感器按照圖2所示，分布在模型邊坡的不同部位，監(jiān)測各部位的動力響應(yīng)。在模型堆砌過程中，按照監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)計分布及各加速度傳感器形狀大小預(yù)留安裝孔槽，將加速度傳感器安置于相應(yīng)孔槽，用相同配比的石膏漿液對加速度傳感器進(jìn)行封固，待加速度傳感器穩(wěn)固后進(jìn)行振動臺試驗。

1.4 加載方案

試驗過程中輸入地震波以正弦波為主，輸入不同頻率、振幅、持時的正弦波，觀測邊坡模型的動力變形破壞特征。地震波的輸入方向為水平方向，試驗前先輸入加速度峰值為0.05g、持時60 s的白噪聲測試模型邊坡初始動力特性，然后輸入加速度峰值為0.10g的5 Hz正弦波，并依次增加正弦波的加速度峰值和頻率進(jìn)行加載。每次加載完成后，對邊坡模型進(jìn)行白噪聲掃描，記錄邊坡模型的加速度動力響應(yīng)及頻譜特征變化。

圖2監(jiān)測點(diǎn)分布(單位：cm)

2 模型邊坡的變形破壞特征

試驗加載過程通過筆記、拍照、攝像等形式記錄邊坡模型宏觀變形破壞全過程。對試驗過程所得記錄資料進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)邊坡模型的宏觀變形破壞因地震波頻率、幅值、持時的不同而有不同的表現(xiàn)形式和表現(xiàn)程度[8]?，F(xiàn)將試驗過程中在不同地震動參數(shù)地震波作用下邊坡模型變形破壞特征總結(jié)如下：

(1) 當(dāng)?shù)卣鸩ǚ递^小(小于0.6g)時，各頻率、持時的地震波均不能使模型邊坡產(chǎn)生明顯變形。當(dāng)輸入地震波頻率為15 Hz，幅值為0.6g，持時為20 s時，模型邊坡頂部及坡肩部位出現(xiàn)明顯松動變形，松動范圍自坡頂向下延伸10 cm，如圖3所示。

圖3白噪聲加速度時程曲線

(2) 隨著振幅的增大和振動次數(shù)的增加，模型邊坡的松動變形加劇，坡頂及坡肩部位基本呈松散狀，松動變形范圍向模型邊坡下部擴(kuò)展，在坡體內(nèi)部向下延伸至距離坡頂15 cm處，沿坡表向下延伸至距離坡頂25 cm處，如圖4所示。

圖4模型邊坡松動變形加劇

(3) 模型邊坡松動變形加劇的同時，模型邊坡的上部巖體出現(xiàn)傾向臨空面的彎曲傾倒變形，在坡肩部位尤為明顯，如圖5所示。

圖5模型邊坡彎曲傾倒變形

(4) 地震波頻率小于等于15 Hz時，振幅的增加加劇模型邊坡的松動破壞，甚至出現(xiàn)頂部塊體拋出和淺表部松動掉塊的現(xiàn)象，但變形破壞集中在頂部及淺表部并不引起模型邊坡的大面積崩塌破壞。

(5) 地震波頻率為20 Hz時，模型邊坡開始出現(xiàn)層間錯動現(xiàn)象，形成拉張裂縫，如圖6所示。隨著振幅的增大和振動時間的延長，模型邊坡巖塊層間錯動加劇，拉張裂縫進(jìn)一步發(fā)育，最終引起模型邊坡頂部及淺表部巖體的拋起，如圖7所示。

圖6 拉張裂縫發(fā)育圖

圖7頂部及淺表部巖體拋起

(6) 坡體中下部接近坡腳處層間錯動的進(jìn)一步加劇，拉張裂縫發(fā)育，巖塊出現(xiàn)層間脫層現(xiàn)象，向上頂起脫落，導(dǎo)致坡體大面積的滑動和崩塌(見圖8)，出現(xiàn)明顯階梯形破壞面，散落巖體堆積坡腳，模型邊坡徹底失穩(wěn)破壞，如圖9所示。

圖8 模型邊坡崩塌潰壞

圖9模型邊坡破壞面

3 模型邊坡變形破壞機(jī)制研究

上節(jié)對模型邊坡在試驗過程中的主要變形破壞特征進(jìn)行了描述，這些變形破壞特征與馮文凱等[10]對震區(qū)野外調(diào)查現(xiàn)象相符。通過對模型邊坡變形破壞過程的深入分析，發(fā)現(xiàn)其變形演變過程可分為三個階段：

(1) 頂部及淺表部松動變形破壞階段。模型邊坡的變形破壞首先出現(xiàn)在模型的頂部和淺表部，表現(xiàn)為巖體松動。隨著振動的持續(xù)，松動范圍向下部擴(kuò)展，坡肩部位產(chǎn)生彎曲傾倒變形，見圖10(b)。振幅的增大會使頂部出現(xiàn)巖體拋出和淺表部掉塊的現(xiàn)象，見圖10(c)，這與邊坡在地震作用下的趨表放大效應(yīng)和高程放大效應(yīng)相吻合。但不會引起模型邊坡的大面積崩塌潰壞。

(2) 裂縫發(fā)育、擴(kuò)展及層間錯動階段。隨著振動的持續(xù)和振動強(qiáng)度的增加，在坡體內(nèi)產(chǎn)生層間相對位移，形成拉張裂縫，見圖10(d)，裂縫的產(chǎn)生是地震產(chǎn)生的應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)面相互疊加的結(jié)果，造成局部“拉應(yīng)力集中效應(yīng)”，特別是面波效應(yīng)，是裂縫產(chǎn)生的重要原因。振動持續(xù)使得裂縫進(jìn)一步發(fā)育、擴(kuò)展，層間錯動加劇，出現(xiàn)巖體脫層現(xiàn)象，見圖10(e)。

(3) 坡體大面積崩塌潰壞階段。裂縫的擴(kuò)展、發(fā)育及層間錯動的加劇，導(dǎo)致坡腳巖體的脫層掉落，進(jìn)而快速引發(fā)模型邊坡的大面積崩塌潰壞，出現(xiàn)階梯形破壞面，散落巖體堆積坡腳，見圖10(f)。

從模型邊坡的變形破壞演變過程可以看出，結(jié)構(gòu)面對地震作用下的反傾層狀巖質(zhì)邊坡變形破壞有著控制作用，這與門玉明等[8]和梁慶國等[9]的研究結(jié)論相符。地震作用可能造成反傾層狀巖質(zhì)邊坡頂部巖體的局部崩塌及淺表部巖體的滑落或大規(guī)模的崩塌。

圖10模型邊坡變形破壞示意圖

4 結(jié) 論

(1) 地震作用下邊坡變形破壞特征與地震動參數(shù)密切相關(guān)，在地震動參數(shù)不同的地震波作用下邊坡的變形破壞特征有不同表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)面對邊坡的變形破壞有著控制作用。

(2) 邊坡變形破壞首先出現(xiàn)在頂部及淺表部。頂部巖體松動，出現(xiàn)彎曲傾倒變形，有巖體拋出；淺表部巖體松動滑塌。但頂部和淺表部的變形破壞均為局部變形破壞，均未引起邊坡的大面積崩塌潰壞。

(3) 隨著振動的持續(xù)和振幅的增加，坡體出現(xiàn)層間錯動現(xiàn)象，拉張裂縫發(fā)育，層間錯動和拉張裂縫的擴(kuò)展進(jìn)一步增加了邊坡頂部及淺表部的破壞程度。坡腳拉張裂縫的擴(kuò)展及巖塊的層間錯動最終引起邊坡大規(guī)模崩塌，邊坡徹底破壞。

(4) 地震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞過程可概化為：地震誘發(fā)——頂部及淺表部的松動變形——坡體裂縫發(fā)育、擴(kuò)展及層間錯動加劇——頂部及淺表部破壞加劇——坡腳拉張裂縫擴(kuò)展及層間錯動加劇，引起邊坡大規(guī)模崩塌，散落巖體堆積坡腳。

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