含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力響應特性相似模型試驗研究

閆長斌，李嚴，黃戡，張彥昌，姚文敏

(1.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州，450001；2.長沙理工大學土木工程學院，湖南長沙，410114)

泥化夾層是層狀巖體地區(qū)常見的一種軟弱結構面，由于泥化夾層工程性質(zhì)較差，往往構成順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的控制性因素[1]。特別是在地震、爆破等動荷載作用下，含泥化夾層巖質(zhì)邊坡極易發(fā)生動力失穩(wěn)破壞[2]，因此，研究泥化夾層動力響應特性并深入揭示泥化夾層誘發(fā)巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災變機理，對于預防含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災害具有顯著意義。

對于泥化夾層工程地質(zhì)性質(zhì)及其動力響應特性，相關研究表明，泥化夾層具有成因復雜、結構破碎、黏粒含量高、強度低、壓縮性高等諸多特點[3]，其動力響應特性受自身發(fā)育特征、動荷載作用性質(zhì)等多方面因素影響，例如圍壓、含水量和礦物成分等[4]。MA等[5]通過環(huán)剪試驗研究了重塑樣含水量和正應力對排水條件下軟弱夾層抗剪性能的影響，發(fā)現(xiàn)軟弱夾層的峰值強度、殘余強度、剪切位移和含水量損失率與含水量和正應力成正相關。YAN等[6]利用動三軸試驗系統(tǒng)研究了泥化夾層動力響應特性及其累積損傷效應，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)動荷載作用下，泥化夾層產(chǎn)生疲勞劣化效應，強度參數(shù)明顯下降。對于含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)特征，鑒于模型試驗可以直觀揭示邊坡失穩(wěn)破壞模式與過程，許多學者利用振動臺試驗開展了相關研究。范剛等[7]進行了含泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡模型的大型振動臺試驗，發(fā)現(xiàn)地震波輸入和飽和情況對邊坡失穩(wěn)破壞模式有顯著影響。劉樹林等[8]通過振動臺模型試驗發(fā)現(xiàn)在頻發(fā)微震作用下，邊坡的自振頻率減小，阻尼比增大，坡體結構損傷不斷發(fā)展并累積，具體表現(xiàn)為層面與次級節(jié)理的起裂、擴展、貫通，坡體永久變形逐漸增大，穩(wěn)定性系數(shù)減小。李福秀等[9]發(fā)現(xiàn)隨著邊坡高程的增加，坡體會對中高頻段進行選擇性放大作用，在含裂隙斜坡側，這種作用更為明顯，并且隨著地震波的幅值增加，卓越頻率向低頻方向轉移；在豎向地震波作用下，卓越頻率衰減現(xiàn)象卻不明顯。許強等[10]構建了軟硬互層的組合概念模型邊坡，通過振動臺試驗研究分析了模型邊坡的動力響應特性，發(fā)現(xiàn)高程對地震波有明顯的放大效應，且豎向激振條件下對模型邊坡加速度起放大作用的卓越頻率大于水平方向激振。上述研究成果對于研究含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力響應特性及其失穩(wěn)機理具有重要的參考價值。

然而，全面揭示含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力響應特性依然存在諸多梗阻。一方面，泥化夾層自身發(fā)育情況十分復雜，除上述列舉的因素外，其厚度、傾角、黏粒含量等因素對邊坡動力響應特性的影響機理尚不清楚；另一方面，泥化夾層現(xiàn)場取樣十分困難，不但取樣代表性差，而且試樣擾動不可避免。值得指出的是，泥化夾層重塑樣也能在一定程度上反映其動力響應特性[11]。此外，相似方法是一種可以將個別現(xiàn)象的研究成果推廣到所有相似現(xiàn)象上去的科學方法[12]。鑒于此，針對含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力響應特性問題，本文作者基于相似理論構建含泥化夾層巖質(zhì)邊坡模型，分析邊坡模型在加載過程中的宏觀破壞特征和動力響應特性，探討泥化夾層的厚度、傾角和黏粒含量等因素對含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)機制的影響，為地震和爆破等動荷載作用下含泥化夾層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)防治提供參考依據(jù)。

1 含泥化夾層巖質(zhì)邊坡的相似材料模型試驗

1.1 含泥化夾層巖質(zhì)邊坡原型背景

某大型水利樞紐工程壩址區(qū)為二疊系單斜地層，總體上走向10°～30°，傾向NW，巖性以砂巖、粉砂巖和泥巖為主；地質(zhì)構造簡單，未發(fā)現(xiàn)較大的斷層、褶皺等構造，主要發(fā)育有陡傾角節(jié)理裂隙；壩址區(qū)順層狀泥化夾層較為發(fā)育，壩肩與壩基均有發(fā)育；泥化夾層厚度為3～15 mm，一般延伸性和連續(xù)性較好?？傮w上，泥化夾層的泥化程度較高，礦物成分以蒙脫石、伊利石和綠泥石為主。工程地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，發(fā)育在壩肩邊坡部位的泥化夾層，是泥巖軟弱夾層在構造剪切和地下水的長期作用下演化形成的[13]，由于其工程性質(zhì)更差，構成了影響邊坡整體穩(wěn)定的控制性軟弱結構面，在天然地震和爆破施工作用下含泥化夾層巖質(zhì)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性較大，直接威脅水庫大壩和壩址區(qū)道路安全。壩肩邊坡勘探鉆孔和平硐揭露的泥化夾層如圖1所示。

圖1 壩址區(qū)泥化夾層勘察揭露情況Fig.1 Investigation of mudded intercalations in dam site area

1.2 小型振動臺模型試驗系統(tǒng)

含泥化夾層巖質(zhì)邊坡模型試驗采用秦皇島優(yōu)泰科技開發(fā)有限公司研制的ES-120 振動臺系統(tǒng)，主要組成部分包括振動臺主體、電磁式激振發(fā)生器、功率放大器、控制傳感器、振動臺控制儀以及相關的配套計算機軟件硬件設備。圖2(a)所示為振動臺臺面，其上預留直徑為8 mm的螺孔，供后續(xù)固定模型箱使用。圖2(b)所示為振動臺系統(tǒng)控制柜，圖中自上而下分別為功率放大器、數(shù)據(jù)采集儀、加速度放大器和電荷放大器。利用小型振動臺測試設備可進行試驗過程中的邊坡模型箱安裝固定、動荷載波形輸出、試驗數(shù)據(jù)記錄等，振動臺測試系統(tǒng)相關技術參數(shù)見表1。圖2(c)所示為安裝在振動臺臺面上的有機玻璃模型箱，為便于對比觀察邊坡破壞過程和破壞程度，用馬克筆在模型箱側板上繪制長×寬為6 cm×6 cm 的方格網(wǎng)。此外，振動臺系統(tǒng)配備2 種不同類型的加速度傳感器，分別是1個監(jiān)測振動臺面加速度的電荷加速度傳感器和8 個試驗過程中安裝于試驗模型中的ICP加速度傳感器，如圖2(d)所示，2 種傳感器的技術參數(shù)見表2。

圖2 小型振動臺測試系統(tǒng)Fig.2 Small shaking table test system

表1 小型振動臺測試系統(tǒng)相關技術參數(shù)Table 1 Related technical parameters of small shaking table test system

表2 加速度傳感器技術參數(shù)Table 2 Technical parameters of acceleration sensor

1.3 相似比設計

根據(jù)相似理論，試驗模型必須滿足幾何相似、動力學相似和運動學相似的相關要求。然而，鑒于振動臺試驗與邊坡模型的復雜性，要滿足所有的相似性要求是不切實際的。因此，綜合考慮泥化夾層的主要影響因素與動荷載主要作用機制，在試驗過程中選取模型尺寸、加速度和密度作為控制量，并以其作為基本量綱確定其他相關物理量的相似關系，同時考慮振動臺臺面尺寸和重力場的限制，這里巖體與泥化夾層的相似材料密度取值與原型材料的相同，最終確定其相似常數(shù)為Cl=50，Ca=1，Cρ=1。然后，依照相似指標求出其余物理量的相似常數(shù)，如表3所示。

表3 模型試驗主要相似常數(shù)Table 3 Main similarity constants of model test

1.4 相似材料選取

選擇合適的模型材料是模型試驗研究的基礎性步驟，模型試驗的相似材料雖然選取范圍較廣，但其物理力學參數(shù)均應符合相似要求，而且還應考慮材質(zhì)均勻、力學性能穩(wěn)定、便于加工、兼顧經(jīng)濟性、取材方便等條件。試驗中模型邊坡的原型材料主要分為兩類：泥化夾層材料和硬巖材料。根據(jù)泥化夾層實際發(fā)育情況及其物理力學參數(shù)，黏粒含量(質(zhì)量分數(shù))為15%時泥化夾層相似材料的配合比(質(zhì)量比)為m(粉土):m(膨潤土):m(石英砂):m(水)=1:3:6:10，可以通過改變膨潤土的含量調(diào)配得到不同黏粒含量的泥化夾層。硬巖相似材料的配合比為m(普通硅酸鹽水泥):m(石英砂):m(重晶石粉):m(水)=1:3:0.2:0.7。經(jīng)過拌合、澆筑、養(yǎng)護等流程，制作得到符合要求的相似材料模型。試驗中，原型材料和相似材料的物理力學參數(shù)見表4。

女貪官腐敗既有其形成的普遍客觀原因，也有其發(fā)生的特殊主觀動機。只有認真分析其普遍客觀原因，深入探討其特殊主觀動機，才能找到一條既符合反腐一般規(guī)律，又兼顧女性自身特點的腐敗治理道路。北京大學廉政建設研究中心主任李成言等在2014年指出，女貪官腐敗“與制度缺失等（客觀）因素……有關”，與男性相比，“其動機、方式等，也稍有區(qū)別”［10］。北京市昌平區(qū)人民檢察院的檢察官史焱、中共天津市委黨校法學教研部的馬宜生等也分別對女性職務犯罪高發(fā)的“主觀原因”［14］和“心理結構特征”［15］進行了較全面的分析。本文在此基礎上，對女貪官腐敗的主觀動機歸納總結。

表4 原型材料和相似材料的物理力學參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of prototype and simulation materials

1.5 試驗工況設計

1.5.1 動荷載輸入與加載持續(xù)時間

已有研究成果[14-15]發(fā)現(xiàn)，模型邊坡對特定頻率的地震波有明顯的放大作用，結合壩址區(qū)所在場地的地震峰值加速度區(qū)劃[16]以及振動臺測試系統(tǒng)最大加速度限制要求，選用頻率為15 Hz，峰值加速度為0.15g，加載持時根據(jù)泥化夾層性質(zhì)進行調(diào)整的正弦波進行試驗加載。在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)每經(jīng)過10 s加載持時，泥化夾層的表觀特征會出現(xiàn)較為明顯的變化，可作為不同破壞階段臨界點，因此，維持每個加載階段為10 s，共分4個階段對不同工況的模型邊坡進行加載，按照加載批次觀察記錄模型邊坡的宏觀破壞特征，探究改變泥化夾層參數(shù)時，不同加載階段含泥化夾層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)機理。

1.5.2 加速度傳感器測試布設

試驗中采用的傳感器為振動臺測試系統(tǒng)自帶的加速度傳感器，其中包括1 個電荷加速度傳感器，安置于振動臺臺面，用于監(jiān)測振動臺臺面的加速度；4 個ICP 加速度傳感器埋設于模型邊坡內(nèi)部，監(jiān)測含泥化夾層巖質(zhì)邊坡的動力響應情況。編號為ATN1～ATN4的加速度傳感器統(tǒng)一布設于距離模型邊坡后部水平距離13 cm的邊坡內(nèi)部，并按照豎直方向間隔距離10 cm進行布設；與內(nèi)部加速度傳感器相平行位置的坡面布設編號為ATM 1～ATM4的加速度傳感器，用于監(jiān)測坡面的動力響應特性，加速度傳感器布設情況如圖3所示。

圖3 加速度傳感器布設示意圖Fig.3 Layout diagram of acceleration sensor

1.5.3 考慮泥化夾層發(fā)育參數(shù)的試驗工況

泥化夾層是誘發(fā)巖質(zhì)邊坡發(fā)生動力失穩(wěn)破壞的控制性因素，其發(fā)育參數(shù)對巖質(zhì)邊坡的動力穩(wěn)定性具有重要影響。試驗工況設計時，根據(jù)泥化夾層現(xiàn)場發(fā)育情況，參考已有研究成果[3,17-18]，主要考慮泥化夾層的厚度、傾角和黏粒質(zhì)量分數(shù)等3個發(fā)育參數(shù)，具體設置如下：泥化夾層厚度為5，10 和15 mm；傾角為20°，30°和40°；黏粒質(zhì)量分數(shù)為10%，15%和20%。分別探究泥化夾層的厚度、傾角以及黏粒質(zhì)量分數(shù)對含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力破壞特征與動力響應特性的影響，試驗工況見表5。

表5 考慮泥化夾層發(fā)育參數(shù)的試驗工況Table 5 Experimental conditions considering development parameters of mudded intercalations

2 含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力破壞特征與失穩(wěn)機制

2.1 泥化夾層發(fā)育參數(shù)對邊坡動力破壞特征的影響

2.1.1 泥化夾層的厚度

在試驗過程中，控制泥化夾層的傾角為30°，黏粒質(zhì)量分數(shù)為15%，構建泥化夾層厚度分別為5，10和15 mm的模型邊坡，探究其他條件不變時泥化夾層厚度對含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)特征的影響。圖4所示為第三階段加載結束后不同泥化夾層厚度條件下模型邊坡的動力失穩(wěn)破壞特征。由圖4可見：1)當泥化夾層厚度為15 mm時，加載過程中泥化夾層破壞速度較緩慢，第三加載階段結束后上覆巖體仍未滑落，但泥化夾層中已出現(xiàn)貫通裂縫，后緣上部主要以剪切破壞為主；2)當泥化夾層厚度為10 mm 時，加載至第三階段，前緣下部以蠕滑破壞為主，有少量泥化夾層被擠出，4 個加載階段結束后上覆巖體滑落，邊坡完全破壞；3)當泥化夾層厚度為5 mm時，模型邊坡破壞速度明顯加快，第三階段加載結束后模型邊坡結構整體性失穩(wěn)破壞，上覆巖體滑落。由此可見，泥化夾層厚度越大，含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性越好；反之，泥化夾層厚度越薄，含泥化夾層巖質(zhì)邊坡就越容易產(chǎn)生動力失穩(wěn)破壞。

圖4 第三階段加載結束后不同厚度泥化夾層的模型邊坡動力失穩(wěn)破壞特征Fig.4 Dynamic failure characteristics of model slope with different thickness of mudded intercalation after the third stage loading

2.1.2 泥化夾層的傾角

圖5 第三階段加載結束后不同傾角泥化夾層的模型邊坡動力失穩(wěn)破壞特征Fig.5 Dynamic failure characteristics of model slope with different thickness of mudded intercalation after the third stage loading

2.1.3 泥化夾層的黏粒質(zhì)量分數(shù)

為進一步探究泥化夾層類型對含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力破壞特征和動力響應特性的影響，通過改變膨潤土的質(zhì)量分數(shù)，構建泥化夾層黏粒質(zhì)量分數(shù)分別為10%，15%和20%的模型邊坡，探究其他條件不變時泥化夾層黏粒含量對含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)特征的影響。圖6所示為第三階段加載結束后不同泥化夾層黏粒含量條件下模型邊坡的動力失穩(wěn)破壞特征。由圖6可見：當黏粒質(zhì)量分數(shù)為10%時，由于黏粒質(zhì)量分數(shù)較低，僅出現(xiàn)明顯的貫通裂縫，第三階段加載結束后上覆巖體未發(fā)生滑落；當黏粒質(zhì)量分數(shù)為20%時，加載過程中可明顯看出，相較于黏粒質(zhì)量分數(shù)較低的工況，其破壞模式以加速蠕滑破壞模式為主，同時出現(xiàn)大量泥化夾層被擠出。原因是，黏粒質(zhì)量分數(shù)越高，泥化夾層強度越低，此時，含泥化夾層巖質(zhì)邊坡的破壞速度和破壞程度均比黏粒質(zhì)量分數(shù)較低的泥化夾層的大。

圖6 第三階段加載結束后不同黏粒質(zhì)量分數(shù)泥化夾層的模型邊坡動力失穩(wěn)破壞特征Fig.6 Dynamic failure characteristics of model slope with different clay mass fractions of mudded intercalation after the third stage loading

2.2 含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力破壞過程與機制分析

根據(jù)模型試驗觀察記錄發(fā)現(xiàn)，不同泥化夾層條件下的模型邊坡動力破壞過程存在一定共性。這里以泥化夾層傾角為40°、厚度為10 mm、黏粒質(zhì)量分數(shù)為15%時的模型邊坡破壞過程為例進行分析：首先，加載初期泥化夾層強度損失較小，僅在上緣位置出現(xiàn)微裂縫，如圖7(a)所示；其次，隨著動荷載加載持時增加，泥化夾層強度進一步劣化[3]，塑性變形不斷增加，表現(xiàn)出累積損傷效應，導致中部出現(xiàn)貫通裂縫，如圖7(b)所示；最后，當泥化夾層強度降低到一定程度時，宏觀上表現(xiàn)為裂縫發(fā)展加速，上覆巖體滑移突然增大。在整個動力失穩(wěn)破壞過程中，隨著累積損傷效應加劇[19]，泥化夾層的不同部位表現(xiàn)出不同的破壞模式，在邊坡前緣中下部主要表現(xiàn)為蠕滑破壞模式，而后緣中上部主要表現(xiàn)為剪切破壞模式，最終呈現(xiàn)出“牽引式”的破壞模式，如圖7(c)所示。

圖7 泥化夾層傾角為40°和厚度為10 mm時模型邊坡動力失穩(wěn)過程Fig.7 Dynamic instability process of model slope with 40°in dip angle and 10 mm in thickness of mudded intercalation

泥化夾層的不同發(fā)育特征也會導致模型邊坡在破壞過程中出現(xiàn)破壞模式和破壞程度上的差異，包括：1)地震波首先作用于下部基巖，并沿著基巖向上傳播，到達泥化夾層后一部分能量被吸收，另一部分透過泥化夾層繼續(xù)作用于上覆巖體[20]。但是，由于泥化夾層的存在，傳至上覆巖體的能量不足以使巖體本身發(fā)生破碎崩壞，地震波經(jīng)過上覆巖體的折射、反射后會再次作用于泥化夾層，在此過程中泥化夾層吸收了地震波的大部分能量，因此，泥化夾層厚度越大，其吸收地震波能量的能力就越強，上覆巖體沿泥化夾層發(fā)生失穩(wěn)滑動的過程也就越緩慢；反之，泥化夾層越薄，其吸收地震波能量的能力就越差，結果會導致泥化夾層變形加劇，上覆巖體迅速滑落，最終導致邊坡發(fā)生整體破壞。2)上覆巖體的破壞過程宏觀上表現(xiàn)為沿泥化夾層產(chǎn)生順層滑動，其滑移方向可分解為水平方向和豎直方向，由于其自身重力和泥化夾層傾角方向的耦合影響，豎直方向的滑移比水平方向的更劇烈，因此，泥化夾層傾角越大，上覆巖體經(jīng)過動荷載擾動后越容易發(fā)生災變失穩(wěn)，在此過程中泥化夾層錯動破壞嚴重，表現(xiàn)出以剪切破壞為主的破壞模式；而當泥化夾層傾角較小時，泥化夾層無法迅速發(fā)生錯動破壞，會在前緣下部擠出，表現(xiàn)為明顯的蠕滑破壞的破壞模式，且其破壞過程相較于傾角較大的工況更緩慢。3)泥化夾層的黏粒含量對于泥化夾層的物理力學性能有著重要的影響，在一定范圍內(nèi)泥化夾層黏粒含量越高，在養(yǎng)護與加載過程中均表現(xiàn)出強度越低，且破壞模式也更傾向于蠕滑破壞，抵抗變形的能力就越差[11]。因此，黏粒含量高的泥化夾層誘發(fā)模型邊坡產(chǎn)生動力破壞的速度和程度均比黏粒含量低的泥化夾層的大。

3 含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力響應規(guī)律

3.1 含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力響應的高程放大效應

以泥化夾層厚度為10 mm、傾角為30°、黏粒質(zhì)量分數(shù)15%的典型工況為例，探究含泥化夾層巖質(zhì)邊坡動力響應的高程放大效應，測試得到的坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)如圖8所示。由圖8可見：加載初期泥化夾層產(chǎn)生明顯影響，模型邊坡表現(xiàn)出顯著的高程放大效應，且上覆巖體處(監(jiān)測點ATN4和ATM4)的加速度放大系數(shù)數(shù)值大于2.0，說明此時模型邊坡整體性較好；隨著加載持續(xù)時間增加，泥化夾層以下基巖部分的加速度放大系數(shù)變化不明顯，而泥化夾層以上巖體中的加速度放大系數(shù)不斷降低，在第三階段加載結束后降低至1.2左右。第四階段加載結束后，含泥化夾層巖質(zhì)邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，上覆巖體滑落，此時上覆巖體的加速度放大系數(shù)為0，這與宏觀破壞過程是相符合的。隨著加載時間不斷增加，泥化夾層吸收的動荷載能量不斷增加，同時自身強度不斷降低，塑性變形不斷累積，直至上覆巖體滑落。此時，ATN4 和ATM4 處加速度傳感器檢測到的加速度峰值為0，從而導致加速度放大系數(shù)為0，而整個加載過程中下部基巖的加速度放大系數(shù)變化情況不明顯，這體現(xiàn)出了泥化夾層在模型邊坡破壞演化過程中的控制性作用，其存在嚴重削弱了模型邊坡的整體性，而整體性的逐漸喪失體現(xiàn)在高程放大效應逐漸減弱。因此，從總體上看，泥化夾層對模型邊坡動力響應高程放大效應具有一定的減弱作用。此外，加載過程中坡面處的加速度放大系數(shù)大于坡內(nèi)，表明模型邊坡動力響應具有一定的趨表放大效應[21]。

圖8 不同加載階段模型邊坡的加速度放大系數(shù)Fig.8 Acceleration amplification factors of model slope in different loading stages

3.2 泥化夾層發(fā)育參數(shù)對邊坡動力響應規(guī)律的影響

為進一步探究泥化夾層發(fā)育參數(shù)對邊坡動力響應規(guī)律的影響，這里以泥化夾層上覆巖體監(jiān)測點ATN4和ATM4處的加速度放大系數(shù)為基礎，將加速度放大系數(shù)變化率定義為相鄰加載階段的加速度放大系數(shù)之間的變化量除以前一個加載階段的加速度放大系數(shù)。相比加速度放大系數(shù)，加速度放大系數(shù)變化率可以更清晰地反映試驗過程中模型邊坡的高程放大效應變化情況以及泥化夾層發(fā)育參數(shù)對邊坡動力響應規(guī)律的影響。

3.2.1 泥化夾層的厚度

圖9所示為不同泥化夾層厚度情況下坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)變化率隨加載持續(xù)時間的變化情況。由圖9可見：隨著持續(xù)時間的增加，不同泥化夾層厚度情況下模型邊坡的加速度放大系數(shù)變化率均呈現(xiàn)增大趨勢，說明隨著加載進行，泥化夾層在不斷劣化且這種損傷不斷累積，導致模型邊坡表現(xiàn)出加速破壞的特性。圖9(a)所示為泥化夾層厚度為15 mm 時，坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)變化率隨加載持時的變化情況，由于加載30 s后上覆巖體未發(fā)生滑落，所以，上覆巖體處的加速度放大系數(shù)不為0，其變化率不為1，未出現(xiàn)明顯的突變；加載30 s 后厚度為10 mm 的模型邊坡未發(fā)生完全破壞，上覆巖體在加載第四階段才發(fā)生滑落，使其變化率突變至1，如圖9(b)所示；而第三階段加載就已經(jīng)使5 mm厚度泥化夾層發(fā)生完全破壞，因此，30 s處已經(jīng)使加速度放大系數(shù)變化率為1，如圖9(c)所示。

圖9 不同泥化夾層厚度條件下模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率Fig.9 Acceleration magnification factor change rate of model slope with different mudded intercalation thickness

圖10所示為不同加載階段模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率隨泥化夾層厚度的變化情況。由圖10可見：在各個加載階段，加速度放大系數(shù)變化率均隨著泥化夾層厚度的增加而減小，說明在各個加載階段泥化夾層都表現(xiàn)出厚度越大，其抵抗變形的能力越強的特點。從能量角度進行考慮，說明泥化夾層厚度越大，其吸收地震波能量的能力就越強。從某種意義上說，在一定范圍內(nèi)泥化夾層的厚度越大，對邊坡動力穩(wěn)定性相對越有利；反之，厚度較小的泥化夾層由于其吸收地震波能量的能力較弱，抵抗變形的能力也相對較弱，此時邊坡容易發(fā)生動力失穩(wěn)破壞。因此，厚度較小的泥膜型泥化夾層對邊坡動力穩(wěn)定性是較為不利的。

圖10 不同階段模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率隨泥化夾層厚度的變化Fig.10 Acceleration magnification factor change rate of model slope with thickness of mudded intercalation thickness in different loading stages

3.2.2 泥化夾層的傾角

圖11所示為不同泥化夾層傾角情況下坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)變化率隨加載持續(xù)時間的變化情況。由圖11可見：除泥化夾層傾角為40°的模型邊坡在第四階段加載發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，導致加速度放大系數(shù)變化率無明顯變化以外，隨著加載持續(xù)時間的增加，其他模型邊坡的坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)變化率均呈現(xiàn)增大趨勢，說明隨著加載持時的增加，泥化夾層的損傷程度不斷累積，泥化夾層破壞速度加快，宏觀上表現(xiàn)為模型邊坡加速破壞。

圖11 不同泥化夾層傾角條件下模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率Fig.11 Acceleration magnification factor change rate of model slope with different mudded intercalation dip angles

圖12所示為不同加載階段模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率隨泥化夾層傾角的變化情況。由圖12可見：在加載的各個階段，加速度放大系數(shù)變化率均隨泥化夾層傾角的增大而增大，說明在各個加載階段模型邊坡均表現(xiàn)為泥化夾層傾角越大，其破壞速度越快，泥化夾層的劣化也越劇烈。當泥化夾層的傾角為40°(試驗工況中傾角最大)時，模型邊坡甚至未能完成第四階段加載就已經(jīng)發(fā)生破壞，宏觀上表現(xiàn)為破壞程度最劇烈。因此，對于傾角較大的泥化夾層，其誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)破壞速度快，危害性較大。

圖12 不同階段模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率隨泥化夾層傾角的變化Fig.12 Acceleration magnification factor change rate of model slope with thickness of mudded intercalation dip angles in different loading stages

3.2.3 泥化夾層的黏粒含量

圖13所示為不同泥化夾層黏粒質(zhì)量分數(shù)下坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)變化率隨加載持續(xù)時間的變化情況。由圖13可見：隨著加載持續(xù)時間的增加，模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率均增大。說明在加載過程中，泥化夾層的破壞速率逐漸增大，其內(nèi)部的結構損傷不斷累積，因此，在試驗過程中模型邊坡均表現(xiàn)出加速破壞以及突然破壞的破壞模式。

圖13 不同泥化夾層黏粒質(zhì)量分數(shù)條件下模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率Fig.13 Change rate of acceleration amplification factor with different clay mass fractions

圖14所示為不同泥化夾層黏粒質(zhì)量分數(shù)下模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率在各個階段的變化情況。由圖14可見：在前3 個階段加載過程中，坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)變化率相差不大；而在第四階段加載過程中，坡內(nèi)和坡面加速度放大系數(shù)變化率隨黏粒質(zhì)量分數(shù)增加顯著增大。這說明在一定范圍內(nèi)，隨著泥化夾層黏粒質(zhì)量分數(shù)增加，加載初期泥化夾層的劣化并非特別明顯，而隨著加載持續(xù)時間增加，泥化夾層誘發(fā)的模型邊坡動力破壞會突然達到臨界值，從而導致邊坡發(fā)生加速失穩(wěn)破壞。

圖14 不同階段模型邊坡加速度放大系數(shù)變化率隨泥化夾層黏粒質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.14 Acceleration magnification factor change rate of model slope with thickness of mudded intercalation clay mass fraction in different loading stages

4 結論

1)泥化夾層厚度特征對邊坡動力響應特性影響較明顯；隨著泥化夾層厚度減小，其吸收地震波能量的能力減弱，含泥化夾層巖質(zhì)邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2)當泥化夾層的傾角和黏粒含量不同時，對邊坡動力響應特性的影響亦不相同。隨著傾角增大，含泥化夾層巖質(zhì)邊坡破壞模式向剪切破壞轉化；隨著黏粒含量增大，含泥化夾層巖質(zhì)邊坡破壞模式向蠕滑破壞轉化。

3)在動荷載作用下，邊坡具有一定的高程放大效應和趨表放大效應?？傮w上，隨著加載持時的增加，泥化夾層對邊坡動力響應高程放大效應具有一定的減弱作用。

4)隨著加載持續(xù)時間增加，泥化夾層強度不斷劣化，塑性變形不斷累積，累積損傷效應導致含泥化夾層巖質(zhì)邊坡呈現(xiàn)加速破壞趨勢，且在泥化夾層厚度較小、傾角較大、黏粒含量較大的情況下更加顯著。