基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的含軟弱夾層堆積體邊坡動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律與失穩(wěn)破壞現(xiàn)象研究

楊長(zhǎng)衛(wèi)，郭雪巖，劉 陽(yáng)，王 棟

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 地勘院 四川 成都 610031)

中國(guó)西南艱險(xiǎn)山區(qū)地勢(shì)起伏大，河流切割強(qiáng)烈，相對(duì)高差大，山坡陡峭，溝谷深切，巖體破碎，為孕育大型滑坡提供了豐富的物源。同時(shí)，分布著鮮水河斷裂、玉龍希斷裂、理塘斷裂、巴塘斷裂、八宿斷裂、嘉黎斷裂等大量區(qū)域性活動(dòng)斷裂帶，斷層活動(dòng)頻繁，地震頻發(fā)、強(qiáng)度高，為孕育大型滑坡提供了強(qiáng)大的內(nèi)動(dòng)力，極易誘發(fā)大規(guī)?；拢瑢?duì)在建的川藏鐵路提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1–2]。作者團(tuán)隊(duì)前期參與了川藏鐵路可研階段的研究工作，對(duì)川藏鐵路沿線的斷裂帶、潛在滑坡點(diǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和初步分析[3]，結(jié)果表明，川藏鐵路沿線分布著大量臨近活動(dòng)斷裂帶且含軟弱夾層的堆積體高陡邊坡，其上覆土體的穩(wěn)定性較差，在地震作用下容易造成滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響川藏鐵路的工程建設(shè)?；诖?，亟待開展含軟弱夾層堆積體邊坡的地震穩(wěn)定性研究。

針對(duì)堆積體邊坡的地震穩(wěn)定性問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)取得了豐碩的研究成果[4–6]。孫志亮等[7–8]發(fā)現(xiàn)較高含水率下邊坡模型具有更多的1階固有頻率、地面峰值加速度（peak ground acceleration，PGA）放大系數(shù)及阻尼比，并且永久位移更大。同時(shí)，可以利用坡面的永久位移評(píng)價(jià)堆積體邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性。周飛等[9]基于相似理論提出在軟弱夾層處模型PGA放大系數(shù)在水平方向上被放大而在豎直方向上被縮小。梁敬軒等[10]發(fā)現(xiàn)不同傾角下邊坡模型的破壞模式由坡面和巖土邊界共同控制，其坡度決定坡體的坍塌程度。于一帆等[11]通過分析邊坡震后再次受荷能力發(fā)現(xiàn)滑坡后坡體的永久變形是造成地質(zhì)災(zāi)害的重要因素。楊長(zhǎng)衛(wèi)等[12]利用CDEM結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)雙面高陡巖質(zhì)邊坡滑坡機(jī)制進(jìn)行研究，分析了滑床和滑體之間的地震動(dòng)響應(yīng)差異。張春生等[13]通過輸入不同幅值的地震波，分析并探討了邊坡塊體的破壞模式，提出判斷邊坡塊體的破壞特征。張澤林等[14]利用離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)和數(shù)值仿真手段闡述了黃土–泥巖邊坡的變形破壞過程及地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。楊忠平等[15]研究了頻發(fā)微震作用下堆積體邊坡的變形演化過程，發(fā)現(xiàn)了含水率的變化對(duì)趨高趨表效應(yīng)有增強(qiáng)的作用。張俊文等[16]通過對(duì)多層次堆積體破壞模式的分析，總結(jié)出3種典型滑坡特征，并給出了加固建議。上述研究成果對(duì)認(rèn)識(shí)堆積體邊坡的動(dòng)力響應(yīng)及失穩(wěn)特征具有一定指導(dǎo)意義，但未系統(tǒng)考慮軟弱夾層的影響，且對(duì)滑床–滑體間動(dòng)力響應(yīng)差異性方面的研究則更是幾近空白。此外，大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)具有成本高、周期長(zhǎng)等問題，有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，造成對(duì)地震作用下含軟弱夾層堆積體邊坡動(dòng)力響應(yīng)及失穩(wěn)特征方面的認(rèn)識(shí)還有待提高。

基于此，本文將選取川藏鐵路沿線的典型潛在滑坡災(zāi)害點(diǎn)，概化模型，開展含軟弱夾層堆積體高陡邊坡振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究其動(dòng)力響應(yīng)與失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，為后續(xù)川藏鐵路滑坡災(zāi)害防治的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置采用單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)，其臺(tái)面尺寸為3 m×3 m，臺(tái)面結(jié)構(gòu)為鋼焊單層網(wǎng)格，臺(tái)面最大承載量為10 t，最大速度為0.7 m/s，工作頻率為0.1～50.0 Hz，位移范圍±125 mm，最大加速度為15 m/s2，試驗(yàn)采用64通道的DH3820動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。模型箱采用鋼板、高強(qiáng)度玻璃板及角鋼加工而成，通過高強(qiáng)螺栓連接保證其剛度要求，內(nèi)空尺寸為2.2 m×2.0 m×1.6 m，模型箱及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 振動(dòng)平臺(tái)及試驗(yàn)箱Fig. 1 Shaking table and model box

1.1 相似體系及相似材料配置

由于實(shí)際模擬的復(fù)雜性，不能完全保證模型和原型的完全一致。為了盡可能準(zhǔn)確地還原真實(shí)地震作用下邊坡的響應(yīng)特征，試驗(yàn)針對(duì)邊坡模型中17個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，利用相似準(zhǔn)則進(jìn)行推導(dǎo)換算[17–19]。在本次高陡邊坡的大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，涉及到很多物理量，通過分析整理，共有17個(gè)獨(dú)立的物理量，具體如下：幾何尺度L、重力加速度g（Cg=1） 、黏聚力c、動(dòng)彈性模量E、內(nèi)摩擦角φ、動(dòng)泊松比 μ、 重度γ 、剪切波速Vs、輸入加速度A、持續(xù)時(shí)間Td，頻率ω、 角位移θ、線位移s（應(yīng)保證Cs=CL）、響應(yīng)速度V、響應(yīng)加速度a、 應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)拧Ｉ鲜?7個(gè)物理量需滿足物理方程：

采用M、L、T為基本量綱，選取L、γ、ω為基本量，將式（1）改寫成無(wú)量綱的相似準(zhǔn)則方程：

式中，πi為除去基本量后剩余的14個(gè)物理量的無(wú)量綱量。

最后，寫出相似準(zhǔn)則的一般表達(dá)式：

式中，ai為對(duì)應(yīng)物理量相似計(jì)算中的冪指數(shù)。

將上述主要物理量的量綱代入相似準(zhǔn)則的一般表達(dá)式中，合并相同量綱得到：

利用矩陣法求解上述14個(gè)導(dǎo)出的相似常量，具體采用的相似判據(jù)見表1。

在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用相似準(zhǔn)則進(jìn)行推導(dǎo)得出本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)關(guān)鍵物理量的相似關(guān)系，見表2。

表1 矩陣法推導(dǎo)的相似判據(jù)Tab. 1 Similarity criterion derived by the matrix method

表2 關(guān)鍵物理量及相似系數(shù)Tab. 2 Key physical quantities and similarity coefficients

鑒于川藏鐵路沿線堆積邊坡地層巖性主要以石英砂巖夾板巖為主，參考模型試驗(yàn)常用的幾種相似材料及各種配比相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)，試驗(yàn)的相似材料采用河砂、石膏、黏土和水作為原材料[20]，利用直剪試驗(yàn)及環(huán)刀法密度試驗(yàn)對(duì)材料密度、內(nèi)摩擦角及黏聚力進(jìn)行確定，見圖2。通過調(diào)整不同材料配合比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆積體、軟弱夾層以及基巖的制作，其中：堆積體的材料配比為石膏∶黏土∶河砂∶水=1.00∶3.25∶12.14∶0.54，經(jīng)過試驗(yàn)，堆積體模擬材料的密度為1.908 g/cm3，黏聚力為1.55 kPa，內(nèi)摩擦角為37.9°；基巖的材料配比為石膏∶黏土∶河砂∶水=1.00∶5.38∶1.52∶0.27，經(jīng)過試驗(yàn)，基巖模擬材料的密度為2.206 g/cm3，黏聚力為43 kPa，內(nèi)摩擦角為38.91°；軟弱夾層的材料配比為黏土∶河砂∶水=1.00∶13.78∶0.50，經(jīng)過試驗(yàn)，軟弱夾層模擬材料的密度為1.72 g/cm3，黏聚力為0.27 kPa，內(nèi)摩擦角為41.7°。模型制作過程中，邊坡制作按15 cm一層進(jìn)行分層填筑夯實(shí)，考慮到土的重塑作用，在模型靜置一段時(shí)間后再進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 室內(nèi)土工試驗(yàn)Fig. 2 Indoor geotechnical test

1.2 模型設(shè)計(jì)與測(cè)點(diǎn)布置

本文選取的川藏鐵路沿線的典型高陡邊坡點(diǎn)位于理塘—德巫斷裂帶附近，潛在滑坡點(diǎn)、活動(dòng)斷裂及線路走向大致情況見圖3。

圖3 潛在滑坡點(diǎn)、活動(dòng)斷裂及線路走向關(guān)系示意圖Fig. 3 Context diagram of potential landslide site, active fault and line route

圖3中，紅線為活動(dòng)斷裂線，黃線為鐵路走向線，藍(lán)線為潛在滑坡范圍，相關(guān)的幾何尺寸及地質(zhì)資料見文獻(xiàn)[2]。

基于第1.1節(jié)的相似體系，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡撞砍叽鐬?.0 m ×2.0 m×1.5 m（長(zhǎng)×寬×高），堆積體傾斜角度約50°，自由場(chǎng)高0.3 m，滑帶為弧線，見圖4。為了減小邊界效應(yīng)的影響，采用10 cm厚的聚乙烯泡沫板放置在振動(dòng)方向上的鋼板和邊坡模型之間，以降低模型箱對(duì)輸入波的反射和折射。在有機(jī)玻璃與模型之間均勻涂抹凡士林，以減小模型與有機(jī)玻璃之間的摩擦。模型箱底部板面上用環(huán)氧樹脂粘上碎石，使之成為粗糙表面以減少模型箱與模型接觸面的相對(duì)位移。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎矛F(xiàn)場(chǎng)制作，在填筑模型過程中，采用自下而上的方式，逐層填筑，每填筑20 cm進(jìn)行一次密度測(cè)試，并且采用人工振搗的方式進(jìn)行壓實(shí)，即在模型的中央部位與邊界處采用人工壓實(shí)進(jìn)行壓實(shí)，以保證壓實(shí)質(zhì)量。值得注意的是，因受限于試驗(yàn)設(shè)備性能，本次試驗(yàn)邊坡模型長(zhǎng)度較短，可能存在端部效應(yīng)，但是已有的邊坡振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明，端部效應(yīng)的存在并不影響試驗(yàn)結(jié)果的定性分析[21–22]。

鑒于吸波材料與試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g可能存在的摩擦將導(dǎo)致坡體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的剪應(yīng)變，為了盡量降低這一影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴械膫鞲衅魅坎贾糜诰嚯x模型邊界10 cm以上的區(qū)域。本次試驗(yàn)中傳感器主要分為加速度傳感器和拉線式位移傳感器。其中：A1～A10為三向加速度傳感器，A1、A2、A3加速度傳感器自上而下每50 cm放置1個(gè)，A4、A5、A8、A9傳感器將坡面3等分，分別置于軟弱夾層上下；3個(gè)拉線式位移傳感器分別布設(shè)在堆積體頂部、中部和底部。具體傳感器布置情況、地震波傳遞示意及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D4、5。

圖4 傳感器布置及地震波傳遞示意圖Fig. 4 Diagram of sensor layout and seismic wave transfer

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 5 Test model

1.3 加載方案

結(jié)合川藏鐵路建設(shè)背景，考慮地震動(dòng)三要素原則及地震基本烈度（7度、8度、9度），對(duì)模型邊坡施加水平方向地震波，加載波型選取3種具有代表性的天然波：汶川臥龍地震波（簡(jiǎn)稱汶川波，WC）、Kobe地震波（KB）以及EL Centro地震波（EL），并且依次輸入加速度峰值為0.1g、0.2g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g的不同地震動(dòng)強(qiáng)度。為了更準(zhǔn)確地模擬地震前場(chǎng)地環(huán)境，在輸入每個(gè)峰值加速度之前對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行0.05g白噪聲（WN）掃頻處理。具體加載順序見表3。

表3 加載工況Tab. 3 Loading conditions

為了研究地震動(dòng)幅值對(duì)堆積體邊坡動(dòng)力響應(yīng)的影響，本次試驗(yàn)先對(duì)WC、Kobe及EL Centro地震波進(jìn)行歸一化處理。圖6～8分別為幅值歸一化后汶川臥龍地震波（簡(jiǎn)稱WC）、Kobe地震波及EL Centro地震波的Y方向（單向振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)方向?yàn)閅方向）震動(dòng)加速度時(shí)程及傅里葉譜。由圖6～8可知：為了清楚地反映地震波對(duì)邊坡的影響，汶川臥龍地震波持續(xù)時(shí)間為50 s，強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間約20 s，傅里葉譜為0～50 Hz頻段；Kobe地震波持續(xù)時(shí)間為12 s，強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間約5 s，傅里葉譜為0～50 Hz頻段；EL Centro地震波持續(xù)時(shí)間為12 s，強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間約4 s，傅里葉譜為0～50 Hz頻段。

圖6 WC地震波加速度時(shí)程及傅里葉譜Fig. 6 Acceleration time history and Fourier spectrum of WC seismic wave

圖7 Kobe地震波加速度時(shí)程及傅里葉譜Fig. 7 Acceleration time history and Fourier spectrum of Kobe seismic wave

圖8 EL Centro地震波加速度時(shí)程及傅里葉譜Fig. 8 Acceleration time history and Fourier spectrum of EL Centro seismic wave

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞現(xiàn)象

本文選取峰值加速度為0.1g、0.2g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g的WC地震波對(duì)模型進(jìn)行加載，得到邊坡滑塌現(xiàn)象，見圖9。

圖9 邊坡滑塌過程Fig. 9 Slope collapse process

滑塌過程如下：在峰值加速度為0.2g的WC地震波作用下，滑體開始松動(dòng)，表面出現(xiàn)少量土顆粒剝落，見圖9（a）；在峰值加速度為0.4g的WC地震波作用下，滑體表面出現(xiàn)大量剝落的碎土，剝落深度逐漸增大，滑體頂部出現(xiàn)裂縫，見圖9（b）；隨著地震動(dòng)的持續(xù)，在峰值加速度達(dá)到0.5g時(shí)，滑體表面出現(xiàn)大量開裂，逐漸向坡腳處發(fā)展，見圖9（c）；最后，當(dāng)峰值加速度達(dá)到0.6g時(shí)，滑體出現(xiàn)整體滑動(dòng)，滑體與滑床發(fā)生較大相對(duì)位移，滑體頂部出現(xiàn)明顯錯(cuò)臺(tái)，在距離坡腳0.25H處滑體出現(xiàn)剪切破壞滑出，進(jìn)而產(chǎn)生滑坡，見圖9（d）。因此，邊坡試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐R界輸入地震動(dòng)PGA為0.5g。出現(xiàn)上述滑塌現(xiàn)象可能是由于滑床–滑體間運(yùn)動(dòng)的差異性導(dǎo)致滑動(dòng)面破壞點(diǎn)增多，進(jìn)而滑動(dòng)面逐漸聯(lián)通所造成的。

以PGA為0.6g的汶川波作用下滑體頂部和中部測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線（圖10）為例，在地震動(dòng)全過程中，滑體頂部位移與中部位移均向下發(fā)展，滑塌過程分為3個(gè)階段：一是，前者大于后者，滑體頂部擠壓中部向下發(fā)展，造成頂部開裂；二是，兩者運(yùn)動(dòng)基本一致；三是，后者大于前者，兩者間相互拉伸，中部滑體向鎖固段發(fā)展的速度較快，進(jìn)而造成裂縫逐漸向鎖固段發(fā)展，最終堆積體整體發(fā)生滑塌。另外，位移突變的發(fā)生時(shí)刻分別約為4.2 s和12.6 s，主要由于此時(shí)輸入汶川臥龍波達(dá)到雙峰值。

圖10 堆積體不同測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線Fig. 10 Displacement time history curves of different locations in deposit

綜上所述，含軟弱夾層堆積體邊坡發(fā)生滑塌是一個(gè)均衡、漸進(jìn)的過程。在重力和地震力的作用下，首先，在堆積體表面出現(xiàn)土體剝落；隨著，地震動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，堆積體頂部開裂，滑體表面裂縫增多并向前緣鎖固段發(fā)展；最終，鎖固段發(fā)生漸進(jìn)性破壞，滑動(dòng)面貫通，滑體從前緣剪出口滑出形成滑坡。同時(shí)，本次試驗(yàn)結(jié)果與梁敬軒[10]、劉婧雯[23]等針對(duì)堆積體邊坡破壞現(xiàn)象的研究成果一致。

2.2 滑床中加速度沿高程放大效應(yīng)

地震作用下邊坡放大效應(yīng)的研究是研究邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文針對(duì)含軟弱夾層的堆積體邊坡在不同高程下的地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，通過設(shè)置A1、A4、A5、A6（基準(zhǔn)點(diǎn)）加速度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于在輸入相同地震波加速度下，汶川波的幅值最大且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，因此，選取汶川波進(jìn)行討論。為了更清晰地反映不同高程下堆積邊坡的加速度放大系數(shù)規(guī)律，下面分析在汶川波作用下，輸入峰值加速度為0.1g、0.2g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g時(shí)含軟弱夾層的堆積體邊坡臨空面方向、豎直方向上PGA放大系數(shù)沿高程演化規(guī)律，見圖11～12。

圖11 滑床內(nèi)邊坡臨空面方向加速度沿高程放大效應(yīng)Fig. 11 Amplification effect of slope-to-air surface acceleration along the elevation in sliding bed

圖12 滑床內(nèi)邊坡豎直方向加速度沿高程放大效應(yīng)Fig. 12 Amplification effect of vertical acceleration along the elevation in sliding bed

綜合分析圖11、12可知：在PGA為0.1g、0.2g、0.4g、0.5g、0.6g及0.7g的汶川臥龍地震波的作用下，堆積體邊坡臨空面方向、豎直方向上PGA沿著高程均有不同程度的放大，且邊坡臨空面向加速度放大系數(shù)集中在1.00～1.75之間，邊坡豎直方向的加速度放大系數(shù)集中在1.00～1.69之間，前者大于后者。此外，不論是邊坡臨空面方向還是豎直方向，兩者的峰值加速度沿高程放大效應(yīng)的變化規(guī)律基本一致，即隨著輸入地震動(dòng)峰值的增大，加速度放大系數(shù)沿高程逐漸增大，在PGA為0.4g時(shí)達(dá)到峰值；之后，隨著輸入地震動(dòng)峰值的持續(xù)增大，放大性逐漸減弱，在PGA為0.7g時(shí)達(dá)到最小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于隨著地震動(dòng)的增大，土體的動(dòng)剪切強(qiáng)度和動(dòng)剪切模量減小，土體的阻尼比逐漸增大，非線性特征逐漸明顯，地震波的耗能增大，進(jìn)而減弱了地震動(dòng)加速度的高程放大效應(yīng)[24]。

2.3 滑床–滑體間運(yùn)動(dòng)非一致性

2.3.1 滑床–滑體間加速度響應(yīng)差異性分析

為系統(tǒng)研究滑床–滑體間加速度響應(yīng)的差異性，本次試驗(yàn)通過設(shè)置（A5、A8）與（A4、A9）測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加速度時(shí)程監(jiān)測(cè)。鑒于篇幅限制，本文選取輸入峰值加速度為0.1g、0.2g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g的汶川臥龍地震波試驗(yàn)結(jié)果，以A5、A4測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，分析滑床–滑體間加速度響應(yīng)的差異，具體加速度放大效應(yīng)見圖13～14。

圖13 滑床–滑體間邊坡臨空面方向加速度放大效應(yīng)Fig. 13 Amplification effect of acceleration in the direction of the airspace between sliding bed and sliding body

圖14 滑床–滑體間邊坡豎直方向加速度放大效應(yīng)Fig. 14 Amplification effect of vertical acceleration between sliding bed and sliding body

綜合分析圖13、14可知：在輸入地震動(dòng)PGA為0.1g～0.5g時(shí)，滑體臨空面的加速度放大系數(shù)穩(wěn)定在1.00～1.15之間，而豎向加速度的放大系數(shù)穩(wěn)定在1.0左右，充分說(shuō)明了兩者運(yùn)動(dòng)具有一定的一致性，滑體結(jié)構(gòu)面并未形成貫通型滑破壞面。同時(shí)，滑體臨空面方向振動(dòng)強(qiáng)于滑床內(nèi)，可能是由于滑體的波阻抗小于滑床的波阻抗，進(jìn)而造成地震波在此存在放大效應(yīng)。在輸入地震動(dòng)PGA達(dá)到0.6g時(shí)，滑體臨空面的加速度放大系數(shù)小于1.0。在輸入地震動(dòng)PGA達(dá)到0.7g時(shí)，滑床–滑體間加速度差增大，進(jìn)而加劇了滑面破壞，逐漸形成貫通型破壞面，滑動(dòng)面兩側(cè)土體出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。然而，隨著滑動(dòng)量增大，地震動(dòng)能量在滑面處耗散逐漸增大，滑體內(nèi)的加速度減小，致使滑床內(nèi)加速度大于滑體內(nèi)的加速度。此外，滑體豎直方向的加速度放大效應(yīng)突然成倍增大，可能是由于滑體發(fā)生滑塌，從而產(chǎn)生附加豎向加速度造成的。由此可知，邊坡在發(fā)生滑塌時(shí)的臨界加速度為0.5g，這與前述的滑塌現(xiàn)象基本一致。因此，滑床–滑體間加速度放大系數(shù)的變化可以間接反映邊坡發(fā)生滑塌的臨界峰值加速度，滑床–滑體間加速度響應(yīng)差異性是誘發(fā)滑坡的一項(xiàng)重要因素。在放大效應(yīng)變化規(guī)律方面，本次試驗(yàn)結(jié)果與謝顯龍等[20]結(jié)果較一致，但文獻(xiàn)[20]未在滑床–滑體間運(yùn)動(dòng)的差異性方面深入探討。

2.3.2 滑床–滑體間加速度傅里葉譜分析

頻譜分析是研究地震動(dòng)響應(yīng)的重要手段。選?。ˋ5、A8）測(cè)點(diǎn)的臨空面方向的加速度時(shí)程進(jìn)行分析。鑒于PGA為0.1g、0.2g、0.4g的汶川臥龍地震波作用下，滑床–滑體間加速度傅里葉譜的變化規(guī)律基本一致，本文將選取輸入峰值加速度為0.5g、0.6g的汶川臥龍地震波試驗(yàn)結(jié)果，用于分析滑塌前后滑床–滑體間加速度傅里葉譜的差異性，具體結(jié)果見圖15。

綜合分析圖15可知：在輸入地震動(dòng)PGA為0.5g時(shí)，滑體臨空面加速度傅里葉幅值大于滑床，且前者卓越頻帶穩(wěn)定在4.5～5.8 Hz，后者的卓越頻帶穩(wěn)定在5～6 Hz，主要是由于此階段滑體與滑床間具有較好的一致性，兩者的振動(dòng)頻率基本一致，且前者的加速度峰值大于后者，而卓越頻帶略微的差異可能是由于軟弱夾層自身阻尼吸收了高頻成分的地震波，對(duì)部分低頻成分的能量進(jìn)行了放大所造成的。隨著輸入地震動(dòng)PGA的增大，當(dāng)其達(dá)到0.6g時(shí)，滑體臨空面加速度傅里葉譜的卓越頻帶逐漸向低頻轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)了1 Hz左右的卓越頻帶，且幅值小于滑床，而滑床內(nèi)的加速度傅里葉譜的主頻和幅值基本不變，兩者振動(dòng)頻率出現(xiàn)了差異，這將會(huì)加劇滑體結(jié)構(gòu)面的破壞。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于堆積體發(fā)生了滑塌，滑體與滑床之間出現(xiàn)了相對(duì)滑動(dòng)，土體非線性特性表現(xiàn)明顯，坡體的剪切破壞點(diǎn)逐漸增多，進(jìn)而造成滑體內(nèi)的卓越頻帶降低[25]。

圖15 滑床–滑體間加速度傅里葉譜Fig. 15 Fourier spectrum of acceleration between sliding bed and sliding body

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)完成了幾何相似比為1∶10的含軟弱夾層堆積體高陡邊坡振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，從滑塌現(xiàn)象、加速度放大效應(yīng)及滑床–滑體間加速度響應(yīng)差異性等方面開展了系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論：

1）邊坡滑塌是一個(gè)均衡漸進(jìn)的過程，地震初期，在重力和地震力耦合作用下，滑體表面出現(xiàn)土體剝落；隨著地震動(dòng)持續(xù)，滑體頂部開裂，滑體表面裂縫增多并向前緣鎖固段發(fā)展；最終，鎖固段發(fā)生漸進(jìn)性破壞，滑動(dòng)面貫通，滑體從前緣剪出口滑出形成滑坡。

2）在地震動(dòng)全過程中，滑體頂部與中部位移存在以下變化規(guī)律：第1階段，前者大于后者，滑體頂部擠壓中部向下發(fā)展，造成頂部開裂；第2階段，兩者運(yùn)動(dòng)基本一致；第3階段，后者大于前者，兩者間相互拉伸，中部滑體向鎖固段發(fā)展的位移速度較大，進(jìn)而造成裂縫逐漸向鎖固段發(fā)展，最終導(dǎo)致滑體整體發(fā)生滑塌。

3）以坡腳處的加速度峰值為基準(zhǔn)，在不同烈度的汶川臥龍地震波的作用下，堆積體邊坡臨空面方向、豎直方向上PGA沿著高程均有不同程度的放大，且邊坡臨空面向加速度放大系數(shù)集中在1.00～1.75之間，邊坡豎直方向的加速度放大系數(shù)集中在1.00～1.69之間，前者大于后者。此外，不論是邊坡臨空面方向還是豎直方向，兩者的峰值加速度沿高程放大效應(yīng)的變化規(guī)律基本一致，即：隨著輸入地震動(dòng)峰值的增大，加速度放大系數(shù)沿高程逐漸增大，在PGA為0.4g時(shí)達(dá)到峰值；之后，隨著輸入地震動(dòng)峰值的持續(xù)增大，放大性逐漸減弱，在PGA為0.7g時(shí)達(dá)到最小。

4）滑床與滑體間運(yùn)動(dòng)的不一致性是誘發(fā)滑坡的一項(xiàng)主控影響因素，在堆積體滑塌前，滑體臨空面的加速度峰值及其傅里葉幅值大于滑床，且兩者的卓越頻帶基本一致，略有差別；當(dāng)堆積體開始滑塌時(shí)，滑體臨空面的加速度峰值及其傅里葉幅值小于滑床，且卓越頻帶逐漸向低頻轉(zhuǎn)移，而滑床內(nèi)的加速度傅里葉譜的主頻和幅值基本不變。