強(qiáng)震條件下巨型滑坡滑帶碎裂機(jī)制物理模擬研究

馬艷波(四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610072)

0 引 言

大光包滑坡因汶川地震致滑，因其破壞強(qiáng)、規(guī)模大、變形獨(dú)特和機(jī)理復(fù)雜，備受世人關(guān)注，它是我國目前已知的危害最廣、破壞最強(qiáng)、規(guī)模最大的滑坡體[1].為了加深對大光包滑坡的認(rèn)識和研究，本研究從分析滑帶和滑床巖體的損傷特征方面著手，結(jié)合振動(dòng)模擬試驗(yàn)演示地震中巖體損傷過程，對強(qiáng)震巨型滑坡滑帶碎裂機(jī)制進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)印證，深化了對大光包滑坡成因機(jī)理的認(rèn)識.

1 工程地質(zhì)條件概況

作為研究對象的大光包滑坡，位于四川省綿陽市安縣高川鄉(xiāng)泉水村北偏西側(cè)5 km，估算體積約為7.5×108m3[2].相關(guān)調(diào)查表明，該滑坡區(qū)域?yàn)楦呱缴钋袓{谷地貌，地勢東南低而平緩，西北高而陡峻，群山起伏，溝谷發(fā)育.該區(qū)地層滑帶巖體由白云巖夾磷礦石組成，滑床為塊狀及葡萄狀富藻白云巖.區(qū)域構(gòu)造為龍門山構(gòu)造帶前陸逆沖推覆體與中央沖斷推覆體結(jié)合處，龍門山前陸逆沖推覆體中NE向延伸的大水閘背斜從大光包滑坡穿過，具逆沖—推覆滑脫—走滑組合特點(diǎn)，主要為脆性兼有韌性.近場區(qū)地震動(dòng)具歷時(shí)漸小、較高峰值和長歷時(shí)的速度脈沖特征，地震波垂直振動(dòng)隨距離增加衰減快，水平沿?cái)鄬佑绊懛秶?相關(guān)研究證實(shí)，汶川地震是龍門山構(gòu)造帶上的中央斷裂和前山斷裂共同錯(cuò)動(dòng)造成的，是一次以逆沖為主，具少量右旋走滑分量的地震[3].

2 滑帶碎裂特征

2.1 滑帶巖體結(jié)構(gòu)特征

研究表明，大光包滑坡滑帶巖體具有組分復(fù)雜、風(fēng)化差異程度高、節(jié)理裂隙極端發(fā)育和完整性差的特殊組合特征(見圖1)[1].現(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn)， 巖體的結(jié)構(gòu)特征受構(gòu)造、風(fēng)化共同作用，先期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使巖體內(nèi)部產(chǎn)生原生裂隙，后經(jīng)風(fēng)化作用改造，巖體發(fā)育眾多原生和次生裂隙，具體如圖2所示.

圖1 滑坡殘留滑帶全貌圖

通過滑床面裂隙素描和探槽開挖查明，該滑床巖體裂隙節(jié)理閉合無填充，具體如圖3所示.

由圖3可知，滑床面節(jié)理發(fā)育雖略有差異，但規(guī)律特征明顯，發(fā)育三組優(yōu)勢節(jié)理，主要是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，組合切割控制著巖體結(jié)構(gòu)特征.巖體結(jié)構(gòu)面組合特征詳見圖4.

圖4 巖體結(jié)構(gòu)面組合特征

圖4表明，巖體結(jié)構(gòu)面空間組合切割控制巖體，弱化了巖體性質(zhì)，為巖體缺陷發(fā)展創(chuàng)造了先決條件和物質(zhì)基礎(chǔ).

2.2 滑帶巖體碎裂特征

本研究通過在典型滑帶剖面處開挖探槽取樣進(jìn)行顆粒分析，查明了各個(gè)粒組占比數(shù)量，從而分析滑帶巖體碎裂化程度，結(jié)果如圖5所示.

(a)1#剖面處滑帶不同深度巖樣顆分曲線

圖5 滑帶不同深度巖樣顆分試驗(yàn)曲線

由圖5可知，研究區(qū)域滑帶碎裂化成角礫和砂土，顆粒上部較下部細(xì).

同時(shí)，進(jìn)一步通過鉆探、槽探編錄、顆粒分析和孔內(nèi)探視發(fā)現(xiàn)，滑床巖體淺表層存在不同程度的碎裂損傷，但整體上巖體質(zhì)量隨埋深漸好.可見，巖體破碎特征與巖體風(fēng)化程度、巖體結(jié)構(gòu)特征和地震荷載關(guān)系密切.本研究中，勘探手段相互印證，結(jié)果一致.

3 滑帶碎裂因素及成因機(jī)制分析

3.1 滑帶碎裂因素分析

滑帶巖體損傷碎裂化是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果.內(nèi)因起主控作用，是巖體發(fā)生損傷碎裂化的先決條件和物質(zhì)基礎(chǔ)；外因是啟動(dòng)因素，通過內(nèi)因發(fā)揮作用.本研究認(rèn)為，導(dǎo)致滑帶損傷碎裂化的內(nèi)因主要含有地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和巖體結(jié)構(gòu)特征等，外因有地震荷載、降雨、風(fēng)化作用及采礦活動(dòng)等.

3.2 滑帶碎裂成因機(jī)制分析

內(nèi)外因共同作用導(dǎo)致滑帶巖體損傷碎裂化.地震波是一種具有沖擊壓剪作用的復(fù)雜的應(yīng)力波，為最主要的外在誘因，其在巖體中的傳播過程非常復(fù)雜.可以認(rèn)為，地震是產(chǎn)生滑坡和滑帶巖體損傷碎裂化的導(dǎo)火索和“元兇”[1].同時(shí)，大光包滑坡巖體受風(fēng)化和構(gòu)造作用，發(fā)育了眾多軟弱帶或裂隙等缺陷部位，地震波在經(jīng)過這些部位時(shí)會(huì)發(fā)生反射、透射和衍射現(xiàn)象，發(fā)生復(fù)雜的動(dòng)應(yīng)力分異[4]，使自由表面或裂紋尖端產(chǎn)生附加應(yīng)力集中，隨著震動(dòng)能量作用正比例變化，張拉裂紋，當(dāng)剪切應(yīng)力超越巖體強(qiáng)度承受極限時(shí)，能量釋放，就會(huì)引起裂紋的擴(kuò)展、穿晶、貫通，最后破裂成宏觀破裂面，劣化巖體質(zhì)量，破壞其完整性和降低其力學(xué)性質(zhì).

4 振動(dòng)臺物理模擬試驗(yàn)研究

4.1 振動(dòng)臺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

本研究在試驗(yàn)中，利用相似原理，滑體采用澆筑的混凝土，提供重力荷載，滑帶巖體采用模擬材料配比制成，為受荷載沖擊作用的一方，振動(dòng)臺上施加豎向振動(dòng)，模擬地震荷載，利用概化的模型演示地震對巖體損傷的作用過程.

4.2 振動(dòng)臺模型試驗(yàn)原理

試驗(yàn)采用的振動(dòng)臺是成都理工大學(xué)研發(fā)的，具有液壓施加初始位移、液壓鎖緊、瞬間釋放型彈簧式二維振動(dòng)機(jī)、電、液一體化試驗(yàn)臺.振動(dòng)臺模型試驗(yàn)原理采用相似理論及量綱分析法[5]，相似常數(shù)見表1.

表1 試驗(yàn)物理量相似關(guān)系[1]

4.3 模型制備與試驗(yàn)方案

4.3.1 模型制備配比.

在試驗(yàn)中，通過與模型相似材料比選及特性研究，最終確定上覆巖體混凝土強(qiáng)度等級為C30，配比為水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.25∶2.91∶0.43；下覆滑帶巖體相似材料的配比方案為重晶石粉∶石膏∶石英砂∶水=75∶1.1∶25∶12.2.具體測試參數(shù)見表2.

表2 測試參數(shù)數(shù)據(jù)表[1]

4.3.2 試驗(yàn)方案選定.

綜合考慮設(shè)備條件、試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，本試?yàn)下部滑床巖體利用模擬材料制作成有側(cè)限和無側(cè)限兩種.主要模擬地震荷載豎向振動(dòng)沖擊波對滑帶巖體的損傷裂化，模擬試塊表層做成水平，并在制成的模擬材料表層、中部和深部分別預(yù)埋應(yīng)力計(jì)用以監(jiān)測應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化過程，養(yǎng)護(hù)7 d備用.模型制作安裝如圖6所示.

圖6 模型安裝完備圖

綜合考慮地震特點(diǎn)、設(shè)備條件、試驗(yàn)?zāi)康暮图虞d方式，選定振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)如表3所示.

表3 振動(dòng)臺模擬試驗(yàn)方案[1]

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.4.1 巖體損傷動(dòng)力響應(yīng).

試驗(yàn)的加速度時(shí)程曲線如圖7所示.模擬的振動(dòng)波似正弦曲線，加速度隨加載時(shí)程遞減，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和垂向峰值加速度同原型初始條件相當(dāng).

圖7 模擬加速度時(shí)程曲線

本研究共做了5組平行的物理模擬試驗(yàn).試驗(yàn)范圍包括側(cè)限和無側(cè)限、滑帶材料密實(shí)度和硬脆性、邊界條件和滑帶厚度等.其中，側(cè)限，第一組振動(dòng)有側(cè)限，其余四組無側(cè)限；密實(shí)度，一二三組遞減；第四、五組試驗(yàn)?zāi)M材料制作硬脆的夾層，兩者厚度和石膏含量有所不同.

本研究均以第五組試驗(yàn)(無側(cè)限、硬脆)為例進(jìn)行分析，其垂向振動(dòng)各測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線如圖8所示.

模擬振動(dòng)過程中，不同點(diǎn)位上應(yīng)力時(shí)程曲線有所不同，應(yīng)力變化隨振動(dòng)能量向下傳播呈遞減趨勢，應(yīng)變和巖體內(nèi)部損傷情況可由應(yīng)力變化間接反映，監(jiān)測應(yīng)力變化，可揭示損傷碎裂機(jī)制.

4.4.2 巖體損傷特性分析.

通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滑帶模擬材料上發(fā)育程度不同的裂紋，出現(xiàn)碎裂.追蹤主裂紋和細(xì)裂紋以及應(yīng)力變化過程發(fā)現(xiàn)，巖體中先形成眾多的大小各異的主裂紋，而后隨荷載作用，主裂紋繼續(xù)發(fā)展，形態(tài)由直線到齒狀或臺階狀，貫通連接成網(wǎng)狀、輻射狀拓展或延伸，形態(tài)隨振動(dòng)能量衰減漸變曲折生成大量細(xì)裂紋，直至尖滅.滑帶損傷特征如圖9所示.

4.4.3 巖體損傷機(jī)理分析.

本研究用來模擬地震豎向加速度壓剪作用的沖擊荷載由振動(dòng)試驗(yàn)平臺提供.其中模型在加工過程中不可避免存在缺陷，與自然情況較為吻合.振動(dòng)將產(chǎn)生振動(dòng)機(jī)械波，沖擊壓縮作用會(huì)集中于微裂紋發(fā)育的地方，產(chǎn)生界面動(dòng)應(yīng)力效應(yīng)，拉張、 剪切使巖體發(fā)生不同程度的損傷劣化，試驗(yàn)中觀察到的表層碎裂、裂紋發(fā)育擴(kuò)展即為驗(yàn)證.此外，滑帶軟弱層的阻尼效應(yīng)，吸附能量的振動(dòng)波在硬質(zhì)界面之間的夾層內(nèi)來回高頻沖擊，使巖體產(chǎn)生累進(jìn)性損傷.

圖8 試驗(yàn)五垂向振動(dòng)各測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，滑帶巖體損傷碎裂化實(shí)際就是在地震荷載作用下，巖體內(nèi)部微裂紋或缺陷動(dòng)態(tài)演化的累進(jìn)過程[1].

5 結(jié) 論

本研究分析了地震致滑帶巖體碎裂機(jī)制，通過現(xiàn)場調(diào)查查明滑帶巖體碎裂特征后，按相似原理利用室內(nèi)模擬展示了振動(dòng)臺物理模擬試驗(yàn)，再現(xiàn)了地震荷載下巖體損傷過程.野外調(diào)查和室內(nèi)模擬相互佐證， 加深了對地震致滑帶巖體損傷碎裂化的成因機(jī)制的認(rèn)識，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo).本研究認(rèn)為，野外調(diào)查和室內(nèi)物理模擬對分析損傷碎裂化機(jī)理提供了強(qiáng)而有力的支撐.此也表明，物理模擬試驗(yàn)相比單一的理論分析更為有效.

圖9 試驗(yàn)五滑帶損傷特征