黃土基覆層邊坡動力破壞特征的大型振動臺試驗研究*

謝顯龍 廖 昕 施艷秋 蔣 翰 吳紅剛

(①中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063，中國)

(②西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，成都 611756，中國)

(③吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學院鐵道工程學院，吉林 132200，中國)

(④中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730070，中國)

0 引 言

隨著國家“西部大開發(fā)”、“一帶一路”倡議的實施，越來越多的工程項目在黃土地區(qū)進行(伍法權(quán)等，2019)。在進行各項工程建設(shè)時，常常會遇到不同程度的崩塌、滑坡等邊坡地質(zhì)問題，特別是在地震作用下誘發(fā)的黃土滑坡問題尤為嚴重(王穎等，2018)。振動臺試驗作為應(yīng)用最廣的研究手段之一，它能夠較為真實地模擬地震作用下邊坡的破壞及變形(錢海濤等，2018；李楠等，2019；Jiang et al.，2020)。

一般對于邊坡地震破壞研究主要有3種手段：理論分析、實驗研究和工點檢測。鄭穎人等(1996，2006，2009；鄭穎人，2012)在邊坡穩(wěn)定性分析中，提出了基于應(yīng)變空間塑性理論的有限元法與邊界元法、邊界元與有限元彈塑性反分析逆解法，以及用位移表述的彈塑性邊界元法等方法。近年來很多學者開展了滑坡抗震的振動臺試驗：李海波等(2007)提出了地震作用下邊坡安全系數(shù)的計算方法，綜合了強度折減法的特點，并將離散元法及順層邊坡等多種因素考慮在內(nèi)；錢海濤等(2018)通過振動臺試驗計算滑坡滑移屈服加速度，得到了地震作用下滑坡的永久位移估算方法；Lin et al.(2006)開展了以指定的加載頻率和振幅的振動臺試驗，提出當荷載振幅大于0.5g時，斜坡響應(yīng)主要表現(xiàn)為斜坡表面非線性破壞；Katz et al.(2006)通過振動臺試驗，提出了邊坡的不同破壞類型：即僅施加水平加速度時，破壞面迅速發(fā)展，隨后出現(xiàn)坡體坍落；僅施加垂直加速度時，裂縫形成速率緩慢，并將斜坡分割成若干塊體，由于裂縫導致強度不均勻使得塊體發(fā)生滑動。許強等(2010)分析在單向天然地震波作用下不同巖性組合模型斜坡的同向加速度動力響應(yīng)規(guī)律，提出高程對地震波具有明顯的放大效應(yīng)。

通過上述眾多學者研究可知，目前對于邊坡振動臺動力學響應(yīng)特征方面研究較為豐富。對試驗過程中出現(xiàn)的裂縫分布及形態(tài)特征分析主要來源裂隙照片的現(xiàn)象描述?；诖?，本文應(yīng)用MATLAB程序?qū)Λ@取的邊坡多種裂縫信息進行信息可視化處理，分析了黃土邊坡在坡腳開挖條件下，不同震動工況的裂縫發(fā)育特征與加速度響應(yīng)規(guī)律。相較于傳統(tǒng)的勘測方法速度慢、精度低、花費高、風險大的劣勢，本研究成果可作為一種新型勘察工程輔助手段，應(yīng)用于滑坡裂縫檢測。

1 振動臺試驗準備

本次模型試驗原型邊坡(圖1)位于富縣縣城以南的洛陽村和段家莊村附近，為陜北延能化西廠區(qū)北連接線NK1+900～NK2+050段右側(cè)路塹邊坡，該滑坡周界清晰，后緣呈圈椅狀，上陡下緩，后壁明顯，傾角50°～60°，根據(jù)地質(zhì)鉆探揭露主要地層情況自上而下依次為：耕植土、第四紀黃土狀土，下伏三疊系下統(tǒng)瓦窯堡組砂巖及砂、泥頁巖互層。線路從老滑坡體中前部通過時右側(cè)形成高約36im的路塹邊坡。

1.1 模型設(shè)計

模型邊坡示意圖如圖2所示。振動臺模型箱尺寸為3000imm×1400imm×1800imm。根據(jù)模型箱尺寸確定相似比為1︰20，模擬邊坡高度為36im。模型箱右側(cè)進行坡腳開挖，選取開挖段作為研究對象。模型與原型相似關(guān)系根據(jù)重力相似律(IAI，1989)與量綱分析法確定。其中幾何相似比為1︰20，重力加速度相似比為1︰1，密度相似比為1︰1，其他參數(shù)相似比由基本量綱計算得出(葉海林等，2012)，結(jié)果如表1所示。

表1 振動臺試驗相似關(guān)系Table 1 Similarity relations of shaking table tests

模型試驗將地層簡化為上部黃土，下部砂泥巖互層的典型二元地層結(jié)構(gòu)?；鶐r采取砂巖與泥巖交錯布置形式，在模型箱內(nèi)劃線限定各個巖土層的厚度，砂巖地層選擇黏性土、河砂、石膏粉和水為 5︰10︰1︰1 的質(zhì)量配合比，泥巖地層選擇粗砂、石膏粉、黏土和水為2︰6︰1︰1的質(zhì)量配合比，配比參考靜力模型試驗配比參數(shù)；在土巖接觸面鋪設(shè)特氟侖薄膜(李玉瑞，2019)。

根據(jù)相似理論推導相似常數(shù)，采用量綱分析法并結(jié)合重力相似定律進行模型設(shè)計和試驗，相似函數(shù)關(guān)系式為(王秋懿等，2019)：

f(l，δ，γ，ε，E，σ，v，c，φ)=0

(1)

應(yīng)用量綱分析方法以幾何尺寸l和彈性模量E為基本量綱的物理量，利用相似“π定理”，式(1)變?yōu)椋?/p>

f1(π1，π2，π3，π4，π5，π6，π7，π8，π9)=0

(2)

根據(jù)力學相似準則，本試驗相似比取值如下：

(3)

①幾何相似：

(4)

②容重相似：

(5)

③應(yīng)力相似：

(6)

④彈性模量相似：

(7)

⑤黏聚力相似：

(8)

⑥內(nèi)摩擦角相似：

(9)

式中：C為相似比例常數(shù)，下標為對應(yīng)物理量；p代表原型；m代表模型。

選擇黃黏土模擬邊坡上覆黃土，材料參數(shù)如表2所示，填筑完成的試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

表2 試驗材料物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of test materials

本次試驗旨在研究揭示動力作用工況下基覆型黃土邊坡的破壞特征與動力學響應(yīng)的相關(guān)性。但是由于試驗條件限制，雖然相似條件難以完全滿足，但是模型坡體的幾何參數(shù)(尺寸)，材料力學參數(shù)(密度、黏聚力與內(nèi)摩擦角)以及動力學參數(shù)(彈性模量)均滿足相似比準則。因此試驗結(jié)果仍可為定性分析此類邊坡在地震作用下的動力學響應(yīng)規(guī)律與破壞特征提供真實依據(jù)。

1.2 地震輸入和加載方案

本試驗方案地震波采用EL-Centro波中卓越頻段，試驗前輸入白噪聲測試模型初始動力特性。試驗過程加載方式采用水平X向逐級加載，加載時間為8.94is，地震波加速度時程曲線與加載制度如圖4與表3所示。

表3 試驗加載制度Table 3 Test loading system

2 基于MATLAB的破壞特征識別分析

基于MATLAB的動力破壞特征自動檢測與識別系統(tǒng)最先應(yīng)用于公路路面裂縫檢測，該檢測識別裂縫的方法可適應(yīng)高速公路發(fā)展的要求：其不耗人力、省時、精確、不影響交通、安全、花費小的優(yōu)點已得到高度評價(高建貞等，2003)。本文將此識別系統(tǒng)應(yīng)用于振動臺裂縫分析，可提高破壞特征識別的準確性和高效性。

2.1 圖像預處理

對于本試驗記錄的邊坡裂縫演化圖像特征提取需進行預處理，常用的方式包括多類型圖像灰度處理、直方圖處理與濾波處理等(孫波成等，2010)。

設(shè)函數(shù)f(x，y)為輸入圖像，定義A=min[f(x，y)]為最小灰度值，定義B=max[f(x，y)]為最大灰度值。得到灰度化后的圖片。

(10)

基于直方處理得到均衡化直方圖反映了灰度級與出現(xiàn)該灰度概率的圖形。

(11)

式中：rk為第k級灰度；nk為圖像中灰度級為rk的像素個數(shù)(肖靖等，2009)。

使用低通濾波器在頻域進行卷積處理可達到平滑的效果。圖像的邊緣和噪聲都對應(yīng)于傅立葉變換中的高頻分量，所以通過頻域?qū)σ欢ǚ秶母哳l分量進行衰減，能夠達到圖像平滑、去除噪聲的效果。

G(u，v)=H(u，v)F(u，v)

(12)

式中：F(u，v)為需要平滑處理的圖像f(x，y)的傅立葉變換；H(u，v)為濾波變換函數(shù)；G(u，v)為濾波后的輸出。

本文分別對不同加載條件下坡腳剪裂縫和坡頂拉裂縫進行前處理分析，模型裂縫示意圖如圖5所示。為方便表述，定義X正向為坡腳向坡內(nèi)延伸方向，Y正向為垂直模型側(cè)面向內(nèi)。試驗過程中，在每個工況加載完成后對邊坡裂縫破壞特征進行采集，坡頂與坡腳裂縫變化如圖6、圖7所示。

如圖6a所示，加載0.1g時坡頂無明顯變形，經(jīng)識別未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。加載0.2g時向坡頂出現(xiàn)需肉眼仔細辨別的細微裂縫。由于受模型箱玻璃內(nèi)壁的邊界效應(yīng)影響，裂縫發(fā)育位置為坡體頂部中間靠右，且裂縫基本為直線形態(tài)。加載0.3g時，裂縫向兩端擴展(圖6c)，與加載0.2g裂縫分布圖像相比，向右擴展的裂縫沿多個方向蔓延且寬度增加，而左側(cè)裂縫相對較細，裂縫形態(tài)由直線逐漸向曲線轉(zhuǎn)變。加載0.4g時，上部坡體被完全拉裂，寬度變大，裂縫蔓延到整個坡體上部，此時裂縫深度約有10icm，沒有貫通整個坡體。加載0.6g時，頂部裂縫面積繼續(xù)擴大，寬度變寬，并向下擴展貫通整個坡體。

坡腳剪裂縫的變化趨勢與坡頂裂縫的變化趨勢較為相似，如圖7a所示，加載0.1g時坡腳無明顯變形。加載0.2g坡腳出現(xiàn)細微的裂縫，經(jīng)識別系統(tǒng)處理后形態(tài)較明顯，主要表現(xiàn)為曲線分布。加載0.3g時，裂縫向兩端擴展且寬度增加，但并沒有擴展到整個坡腳(圖7c)。加載0.4g時，坡腳開始出現(xiàn)多條剪裂縫，裂縫向兩端擴展至到整個坡腳，但并沒有在坡體完全貫通。加載0.6g時，坡腳裂縫面積繼續(xù)擴大，貫通整個坡體。加載0.8g時，坡腳裂縫進一步大幅增加，裂縫分布覆蓋坡腳近50%區(qū)域。

2.2 特征提取分析

對通過預處理過程得到的圖片信息，進行裂縫特征信息提取，包含裂縫的面積、長度和最大寬度值。裂縫信息如表4、表5所示，長度、面積和最大寬度變化曲線圖如圖8～圖10所示。

表4 坡腳裂縫信息表Table 4 Information table of slope foot cracks

表5 坡頂裂縫信息表Table 5 Information table of cracks on slope top

根據(jù)模型試驗現(xiàn)場觀測與錄像資料顯示，在加載0.05g時邊坡坡頂、坡面和坡腳均未出現(xiàn)明顯變形。當加載到0.1g時坡頂出現(xiàn)最大寬度為3imm的橫向裂縫，分析原因可能是加載地震波后滑坡土體沿軟弱滑移面向坡前臨空方向滑移，并使上部土體產(chǎn)生拉裂，此時裂縫面積為2891.75imm2，由于深度較淺無法探測深度值，推斷此時尚未向下產(chǎn)生剪切裂縫。同時坡腳也產(chǎn)生一條最大寬度為2imm的細微剪切裂縫，面積為891imm2。

當加載到0.4g時坡頂橫向裂縫向兩端擴展，裂縫最大寬度為156imm。此時裂縫面積為36i524imm2。坡體已經(jīng)產(chǎn)生錯臺現(xiàn)象，縱向裂縫向下蔓延(圖11)，并貫穿坡體，破裂面清晰，位置與土巖交界面基本吻合，且有多個破裂面出現(xiàn)并已發(fā)展至整個坡體，開始向下形成剪切裂縫。坡腳處裂縫亦進一步擴大，最大寬度為25imm，面積為8640imm2，分析原因可能加載能量更大的地震波后，坡體向坡前臨空方向加重滑移趨勢，坡體在振動加劇條件下滑移趨勢顯著，應(yīng)力集中于坡腳與結(jié)構(gòu)面滑移壓制拉裂產(chǎn)生剪切裂縫，局部塊體在加速度作用下有水平向外運動的趨勢。

當加載到0.6g時坡頂橫向裂縫在水平方向完全貫通坡體，裂縫最大寬度為234imm，裂縫的面積為112i649imm2。根據(jù)視頻記錄顯示坡頂局部塊體在地震作用下發(fā)生拋射現(xiàn)象，坡面土體被震散，坡體錯臺現(xiàn)象更加顯著，裂縫深度達到32imm，裂縫貫通整個坡體。同時，在巨大的加速度作用下開挖側(cè)模型坡肩位置處出現(xiàn)了土體坍落現(xiàn)象。坡腳處的裂縫最大寬度為75imm，面積為17i118imm2，表明此時土巖接觸面部位土體已發(fā)生累進剪切破壞，上部拉裂縫和下部剪切裂縫已經(jīng)形成貫通的破裂面。

當加載到0.8g時坡頂橫向裂縫水平全貫通坡體，坡體完全破壞，裂縫最大寬度為260imm，裂縫的面積為131i542imm2。此時坡體出現(xiàn)整體向前緣滑動現(xiàn)象，裂縫深度達到40imm。坡頂局部塊體在振動作用下發(fā)生拋射現(xiàn)象，坡面部分土體被震散。坡腳處裂縫最大寬度進一步擴大為100imm，面積為18i970imm2，此工況下坡體已完全破壞。

3 滑體加速度動力響應(yīng)分析

對6種加載工況下沿坡面方向和沿滑帶方向的加速度峰值進行了數(shù)據(jù)采集，在坡面布置5個加速度傳感器，A-2，A-3，A-5采集坡面上的加速度，A-1，A-4，A-5采集滑面上的加速度。其中：加速度傳感器布置圖如圖12所示。

3.1 坡面加速度動力響應(yīng)分析

模型邊坡在X向激振下沿坡面的加速度放大系數(shù)(PGA系數(shù))如圖13所示。由圖13可知各工況下加速度放大系數(shù)均呈非線性增加?；w后方所處地形高陡，地震動力響應(yīng)顯著，相比之下滑體中部和坡腳部位響應(yīng)較小，表現(xiàn)出越接近淺表部和坡頂，加速度放大作用越明顯的特征。A-2測點位于坡腳，整體響應(yīng)較小。A-3測點位于坡面中部，加速度放大系數(shù)隨加載增強表現(xiàn)為持續(xù)增大。在加載0.4g之前，加速度放大系數(shù)每級漲幅未超過10%，在輸入加速度峰值0.6g后，A-3與A-5測點間斜率突增，而此時A-5測點加速度放大系數(shù)為2.9，漲幅約35%，坡頂震陷量達80imm。

3.2 滑帶附近加速度動力響應(yīng)分析

模型邊坡在X向激振下滑動面附近的加速度放大系數(shù)如圖14所示，由圖中可以看出，各個工況下在滑坡體內(nèi)部A-4測點加速度放大系數(shù)較小，數(shù)值都在1.2～1.5之間，漲幅低于5%，坡腳部位響應(yīng)最小，而在坡頂A-5的部位，加速度放大作用顯著，數(shù)值均大于1.8，漲幅最大為30%，整體也呈非線性增加?；瑤Ц浇铀俣确糯笙禂?shù)與坡面相比明顯較小，亦說明加速度的動力響應(yīng)規(guī)律沿高程效應(yīng)顯著。

加速度放大系數(shù)由坡腳到坡頂逐漸增大，各工況均表現(xiàn)出A-4～A-5斜率大于A-1～A-4斜率。說明邊坡存在臨空條件時，開挖區(qū)中部和后部地震動力響應(yīng)顯著，邊坡將在地震作用下沿軟弱面向下逐層發(fā)展引起滑動。

以輸入加速度峰值0.6g為例，從監(jiān)測點水平加速度放大系數(shù)變化規(guī)律可知，隨著不斷加載，加速度放大系數(shù)從A-1測點開始表現(xiàn)為一直增大，至A-4測點時，加速度放大系數(shù)出現(xiàn)異常，相較于加載0.4gX向放大系數(shù)提高約30%，說明此時滑體內(nèi)部運動最為劇烈，結(jié)合視頻和照片此工況結(jié)束后，滑坡已經(jīng)形成肉眼可識別的破裂面。加載0.6gX向時，加速度峰值突增，邊坡響應(yīng)劇烈，內(nèi)部裂隙逐步貫通產(chǎn)生破壞。

4 結(jié) 論

本文采用大型振動臺試驗針對黃土邊坡在坡腳開挖后的動力響應(yīng)特征開展試驗研究，通過逐級輸入地震波測試坡體不同部位加速度放大系數(shù)變化規(guī)律，應(yīng)用MATLAB裂縫處理技術(shù)獲取裂縫的形態(tài)參數(shù)動態(tài)演化特征，并應(yīng)用采集到的加速度數(shù)據(jù)進行校正，探討斜坡在水平向激振下加速度動力響應(yīng)破壞的基本規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)逐級加載地震波過程中坡頂和坡腳的裂縫長度、寬度、裂縫面積明顯增長，且加載0.6ig時裂縫的數(shù)值跳躍性增長，此時坡體的響應(yīng)最為強烈，表明土巖接觸面部位土體已發(fā)生累進剪切破壞。

(2)輸入加速度峰值0.6ig時，滑面測點加速度放大系數(shù)出現(xiàn)異常，增大幅度增加，結(jié)合視頻和照片表明坡體劇烈運動有向下滑動趨勢，且坡頂局部塊體在地震作用下發(fā)生拋射現(xiàn)象，坡面土體被震散，發(fā)生大面積坍落。綜合以上分析，說明滑坡在0.6ig已經(jīng)破壞。

(3)輸入EL-Centro波逐級加載過程中，坡面和滑面加速度動力放大系數(shù)均呈非線性增加，而沿坡面的加速度放大系數(shù)在各工況下明顯比沿滑面大，說明加速度的動力響應(yīng)規(guī)律表現(xiàn)為沿高程效應(yīng)明顯。