強(qiáng)震作用下反傾薄層巖質(zhì)斜坡傾倒破壞機(jī)制及動力響應(yīng)研究

龔逸非, 姚愛軍, 谷坤生, 李彥霖, 田 甜

(北京工業(yè)大學(xué) 城建學(xué)部,北京 100124)

三江流域橫跨深切的青藏高原東南部和青藏高原北部,該區(qū)域內(nèi)地形、氣候多變,新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈,地震活動頻繁,導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[1-2]。2008年的汶川地震誘發(fā)了兩千多處滑坡,根據(jù)地震誘發(fā)的大量滑坡調(diào)查統(tǒng)計[3],在地震作用下順層巖質(zhì)滑坡所占的比例最大,但是反傾巖質(zhì)斜坡巖層往往包含多種巖性,呈現(xiàn)軟硬互層、厚薄互層等現(xiàn)象,巖層內(nèi)部還往往發(fā)育著節(jié)理、裂隙,構(gòu)成層狀復(fù)合巖體邊坡[4],對于其的研究更具有難度。目前對于巖質(zhì)斜坡的動力響應(yīng)規(guī)律以及變形破壞模式的方法主要有現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值模擬和物理模型試驗三種方法。

其中數(shù)值模擬以其適應(yīng)廣、數(shù)據(jù)全、成本低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用,其中三維離散元程序在模擬完整巖石的破裂過程、巖石斷裂現(xiàn)象及裂隙發(fā)育過程等具有巨大優(yōu)勢[5],常常作為現(xiàn)場勘查的反演和試驗結(jié)果驗證的方法來使用。楊忠平等[6]采用振動臺試驗與數(shù)值模擬結(jié)合,對比了順層和反傾兩類巖質(zhì)邊坡在反復(fù)微小地震作用下的穩(wěn)定性。謝良甫[7]引入了新的斜坡穩(wěn)定性評價指標(biāo),利用數(shù)值模擬的方法,分別基于最大位移、總位移以及變形區(qū)范圍3個指標(biāo)進(jìn)行討論,并結(jié)合3個指標(biāo)進(jìn)行斜坡穩(wěn)定性的敏感性分析,并引入能量場的概念,詳細(xì)分析了傾倒變形的變形演化階段。岑奪豐等[8]用顆粒流PFC(平行黏結(jié)模型)模擬方法對反傾厚層邊坡的破壞演化機(jī)制進(jìn)行了研究。言志信等[9-10]運(yùn)用Flac3D分別建立受地震作用的含軟弱層巖質(zhì)邊坡以及順傾巖質(zhì)邊坡錨固數(shù)值模型,著重研究了水平和豎向相互耦合的地震波下的錨桿錨固界面上的剪切作用。

振動臺模型試驗?zāi)苤庇^的研究地震荷載下各類斜坡的破壞問題,具有可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn),被廣大研究者所采用。我國對振動臺的研究從1960年開始,前期發(fā)展較為緩慢[11],自2008年汶川地震后引起國家和學(xué)者對地震引發(fā)的滑坡災(zāi)害的重視,促進(jìn)了振動臺試驗對于滑坡模擬的飛速發(fā)展。巨能攀等[12]采用地質(zhì)詳勘和案例類比的方法,構(gòu)建并完善了順層和反傾巖質(zhì)斜坡變形破壞的概念模型,并采用大型振動臺試驗對比兩者在強(qiáng)震條件下的動力響應(yīng)和失穩(wěn)模式。劉漢東等[13]進(jìn)一步深入研究了反傾層狀巖質(zhì)斜坡對低頻輸入波的高程放大效應(yīng)和對高頻的趨表效應(yīng)。楊國香等[14-15]采用振動臺試驗分析了地震動參數(shù)對反傾層狀巖質(zhì)邊坡動力放大系數(shù)影響,得出在接近斜坡自振頻率時加速度放大系數(shù)最大,討論了幅值變化對于動力響應(yīng)以及坡體分布規(guī)律的影響。Gischig等[16]對地震波在巖質(zhì)斜坡中的放大效應(yīng)與同震位移之間的相關(guān)性進(jìn)行敏感性分析,著重討論坡度、巖性差異和巖體結(jié)構(gòu)對放大效應(yīng)的影響。

經(jīng)大量研究表明斜坡在受地震作用下的破壞模式和破壞程度受巖層在發(fā)育的結(jié)構(gòu)面的影響(包括斷層、軟弱夾層等)很大[17]。張家明[18]提出軟弱夾層使得研究巖質(zhì)斜坡的變形-破壞機(jī)理更為復(fù)雜,嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性。周逸飛等[19]對含軟弱夾層的斜坡在地震作用下的動力特征做了初步研究。上述研究表明,輸入地震動參數(shù)和巖層中發(fā)育的各種結(jié)構(gòu)面影響斜坡的動力響應(yīng)和破壞機(jī)制。

目前對于含軟弱破碎帶的薄層反傾巖質(zhì)斜坡在地震作用下的響應(yīng)及變形破壞的研究并不充分,同時對于巖質(zhì)邊坡的地震波輸入方案,多選用土壤波和正弦波,考慮基巖地震波輸入的研究較少。本文以金沙江左岸宗絨反傾巖質(zhì)斜坡為研究原型,通過振動臺縮尺試驗研究了薄層反傾巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)和變形-破壞階段,采用改變地震動參數(shù)以及地震波類型,研究反傾巖質(zhì)斜坡從位移變化、宏觀變形到的起裂和失穩(wěn)的臨界條件,著重討論了軟弱破碎帶對斜坡動力響應(yīng)的影響。

1 振動臺試驗概況

1.1 模型概化

本試驗以金沙江左岸歷史性堵江滑坡宗絨滑坡為原型設(shè)計振動臺試驗。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,宗絨滑坡所在邊坡地層出露的主要巖性從下至上依次為云母片麻巖、古生界蛇綠巖(斜長角閃巖)構(gòu)成的反傾層狀巖質(zhì)邊坡?，F(xiàn)場調(diào)查表明,該滑坡為反傾巖層的傾倒破壞導(dǎo)致的,預(yù)計體積5×107m3,坡底分布大量滑坡堆積物、殘余滑坡體以及湖相沉積物。根據(jù)湖相沉積物的年代測序,表明滑坡至少發(fā)生于2 600年前,現(xiàn)場調(diào)查滑坡內(nèi)存在正斷層其位置為云母片麻巖、斜長角閃巖的分界面。滑坡前緣在板狀、千枚狀、片狀、劈理化等變質(zhì)地層中可見小規(guī)模的傾倒變形,滑坡后緣可見滑坡滑動面擦痕,產(chǎn)狀為NE∠34°～38°,溝底有F17惠遠(yuǎn)寺-勒吉普斷裂穿過。

經(jīng)過現(xiàn)場巖石點(diǎn)荷載試驗和室內(nèi)力學(xué)試驗測定巖體的物理力學(xué)參數(shù)(如表1所示)。此外,該滑坡距離巴塘斷裂僅48 km,靠近活動斷裂且該區(qū)域內(nèi)地震頻發(fā),未來仍可能發(fā)生M≥7.0 級的強(qiáng)震,發(fā)生崩塌滑坡的可能性較大。

表1 原型與模型材料的主要物理力學(xué)參數(shù)

1.2 相似材料與模型設(shè)計

Cg=Ca=Cρ=Cφ=1,

Ct=(CL/Ca)1/2,

CL=CD=100,

Cc=CE=100,

(1)

式中,Cg,CL,Cρ,CE,CC,Cφ,Ca,CD,Ct,Cf分別為重力、幾何尺寸、密度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、加速度、位移、時間、頻率的相似系數(shù)。

本次振動臺縮尺試驗以地層結(jié)構(gòu)和巖性作為主要的模擬內(nèi)容,模型邊坡的主要特征為:①模型長(160 cm)×寬(120 cm)×高(100 cm),并選取斜坡發(fā)生變形破壞區(qū)域為研究對象;②模型坡度與實際一致;③巖性一致,整體保持斜坡角度為45°;④薄層層狀反傾巖質(zhì)斜坡,巖層傾角為50°,并根據(jù)原型邊坡中各層的厚度比例確定模型邊坡中各層的厚度。在詹志發(fā)等[21]的研究基礎(chǔ)上,由石英砂、石膏、重晶石、甘油和水五種材料制備成半徑為25 mm,高度為100 mm的試樣,石英砂為骨料,石膏起膠結(jié)作用,甘油起保水作用。在經(jīng)過擊實、烘干、脫模和養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)后成兩種試驗的相似材料單元板(長×寬為240 mm×120 mm,厚度分別為12 mm和9 mm)并測得試樣物理參數(shù)(見表1)。 在采用單元板搭建物理模型模型時為了保證層面完整性,采用錯縫搭接方式,各巖層接觸面之間采用碎砂、石膏、2%硼砂水溶液按照一定的比例配制后,以薄層狀(約2 mm)均勻地填充在巖層間。最后,在巖層表面覆蓋一層薄層石膏砂漿抹面,保持表面光滑且平整。為減小模型箱效應(yīng)的影響, 在模型邊界和亞克力板之間放置10 cm厚的聚乙烯泡沫板,以減小模型箱對輸入地震波的反射和折射(如圖1所示)。

圖1 搭建完成的斜坡模型

本次振動臺模型試驗中的傳感器共包括加速度傳感器(18個水平和4個豎向)、速度傳感器(2個水平向)和坡表位移傳感器(4個拉線4個激光),其中激光位移傳感器測定斜坡水平向位移,拉線位移傳感器測定斜坡豎向(沉降)位移,具體布置如圖2所示。

圖2 各類傳感器布置圖(mm)

1.3 輸入波的選取及加載順序

為研究地震動參數(shù)和輸入波類型對斜坡動力響應(yīng)的影響,本次試驗選取正弦波、汶川臥龍波、汶川茂縣波、人工合成波作為輸入波。每階段輸入波加載完成后采用白噪聲進(jìn)行掃頻,以獲得斜坡的動力特性,具體加載工況如表2所示。由于采集到的天然波中?；煊衅渌肼?且會存在基線飄零的現(xiàn)象,因此在對天然波進(jìn)行基線校準(zhǔn),處理后的地震波時域圖和頻域圖如圖3、圖4所示。

圖3 汶川臥龍波

圖4 汶川茂縣波

表2 地震波加載工況

本次試驗在北京工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗大廳開展,試驗數(shù)據(jù)采集對象主要包括加速度數(shù)據(jù),速度數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)。通過IMC系統(tǒng)將電信號轉(zhuǎn)換為加速度時程曲線,在不同工況地震波加載前加載白噪聲,得到斜坡在當(dāng)前條件下的動力特性。試驗分為2個階段:第一階段為天然波,幅值從0.1g～0.5g方向為x方向擊振,主要研究斜坡的動力響應(yīng)特征;第二階段為正弦波加載,頻率從10 Hz～35 Hz,間隔5 Hz。最后,增加輸入天然波的幅值,分析斜坡在地震作用下的破壞過程。加載完每一級振幅后,暫停試驗10 min,記錄比較斜坡變形情況,也為位移傳感器記錄斜坡的位移變化留下了足夠的時間。

2 斜坡固有頻率特征

本文基于試驗過程中施加白噪聲激勵獲取的斜坡內(nèi)在動力相應(yīng)規(guī)律,得到在不同工況地震波加載前白噪聲的相對傳遞函數(shù)虛部曲線,試驗過程中共進(jìn)行11次白噪聲,獲取某一時刻的斜坡自振頻率。斜坡的自振頻率從初始值28.67 Hz(如圖5(a)所示),經(jīng)過各工況地震波加載完成后最終值為21.38 Hz(如圖5(b)所示),降低7.29 Hz。

圖5 斜坡自振頻率變化圖

隨著輸入波幅值的增加,斜坡的自振頻率整體呈下降趨勢,阻尼比呈上升趨勢,曲線呈現(xiàn)出兩次明顯的線性變化階段(如圖6所示),其輸入波幅值區(qū)間為0.4g～0.8g,斜坡自振頻率下降,阻尼比上升明顯,斜坡表面開裂和淺層的傾倒-滑移。輸入波幅值超過0.8g,斜坡自振頻率急劇下降,斜坡阻尼比先下降后上升,且斜坡大變形,出現(xiàn)塑性區(qū)發(fā)生大規(guī)模塊狀滑移-傾倒。同時在以往的試驗中對于斜坡特性分析主要集中在自振頻率上,對于阻尼比鮮少分析求解,在本次試驗中表明阻尼比與自振頻率呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系,作為反應(yīng)斜坡耗能指標(biāo)的重要參數(shù)能直觀的體現(xiàn)斜坡在動力作用下的特征。

按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287—99）規(guī)定，飽和砂或飽和少黏性土的N63.5值小于按公式算出的液化臨界擊數(shù)Ncr時，可判為液化土。

圖6 各工況下斜坡自振頻率及阻尼比

3 反傾巖質(zhì)斜坡破壞過程分析

由不同幅值地震波作用下邊坡的失穩(wěn)破壞過程可以發(fā)現(xiàn),0.3g是邊坡啟裂的臨界動力條件,當(dāng)輸入地震動幅值大于0.3g時(如圖7所示),邊坡坡頂和坡中處產(chǎn)生大量張拉裂縫,坡腳處產(chǎn)生壓剪裂縫,坡體表面塊體碎裂化程度隨著幅值的增加而增強(qiáng),邊坡由線性階段進(jìn)入到非線性階段。0.7g～0.8g(如圖8所示)為邊坡破壞的臨界動力條件,此時斜坡表面塊體滑落,坡腳處壓剪裂縫貫通并向上發(fā)展,坡頂處張拉裂縫向邊坡內(nèi)部發(fā)展,與下部壓剪裂縫形成主滑面。

圖7 巖層開裂-變形

圖8 巖層淺層滑移-塊狀傾倒-失穩(wěn)破壞圖

斜坡整體發(fā)生塊狀傾倒破壞,強(qiáng)震作用下的含結(jié)構(gòu)面反傾巖質(zhì)斜坡破壞模式可以總結(jié)為3個主要階段:坡頂張拉裂縫和坡腳剪切裂縫的形成→裂縫的擴(kuò)展和淺層塊體的剪切破壞滑動-結(jié)構(gòu)面以下巖層塊狀傾倒→斜坡淺層的主滑面的形成。

當(dāng)輸入波幅值小于等于0.3g時,斜坡無明顯位移。當(dāng)輸入波幅值大于等于0.3g時,坡趾及坡中處均發(fā)生豎向位移(如圖9所示),其中坡頂發(fā)生顯著沉降;水平位移在坡高1/3處為峰值。當(dāng)幅值到達(dá)0.6g～0.7g時,斜坡水平位移增加了10 mm;斜坡坡頂豎向位移增量達(dá)到30 mm。試驗加載工況結(jié)束后,豎向位移達(dá)到最值出現(xiàn)在坡肩處,與試驗中觀察到的斜坡早坡頂處發(fā)生了明顯的下陷相符;水平位移最大值位置在1/3坡高處,整體斜坡變形過程從坡頂開始,1/3坡高處以下變形破壞最為強(qiáng)烈,坡頂下沉嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)面的存在對于斜坡受動力影響巨大,結(jié)構(gòu)面以下巖層呈現(xiàn)滑移-塊狀傾倒現(xiàn)象。

圖9 斜坡表面不同位置水平與豎向位移圖

4 反傾巖質(zhì)斜坡動力響應(yīng)規(guī)律

由于斜坡自身存在阻尼,對于地震波有吸收作用,具體體現(xiàn)為高頻波過濾,低頻波放大,用峰值地面加速度(peak ground acceleration,PGA)放大系數(shù)反映各監(jiān)測點(diǎn)的峰值加速度與振動臺臺面監(jiān)測點(diǎn)的峰值加速度之比,直觀體現(xiàn)斜坡不同位置對于動力響應(yīng)的強(qiáng)弱關(guān)系[22]。選取幅值為0.2g和0.6g茂縣波作為動力輸入條件,研究線性階段和非線性階段斜坡動力響應(yīng)規(guī)律。根據(jù)加速度傳感器的監(jiān)測結(jié)果,做出不同幅值下斜坡的PGA等值線圖(如圖10所示)。在 0.2g茂縣波作用下,斜坡具有明顯的“高程放大效應(yīng)”,加速度放大系數(shù)在坡頂處達(dá)到峰值;在加載0.6g茂縣波時,高程放大效應(yīng)擴(kuò)散的范圍更廣,在坡中處呈現(xiàn)急劇增的趨勢。斜坡加速度放大系數(shù)沿水平方向表現(xiàn)出節(jié)律性的變化,表現(xiàn)為越趨于坡表,加速度放大系數(shù)越大,且隨著幅值和高程的增加,“趨表效應(yīng)”越明顯。

圖10 不同幅值下斜坡加速度放大系數(shù)等值線云圖

斜坡加速度放大系數(shù)在不同幅值地震波作用下隨高程的變化趨勢,如圖11所示。在0.2g茂縣波作用下,斜坡加速度放大系數(shù)的峰值出現(xiàn)在坡頂位置;在0.6g茂縣波作用下,高程放大效應(yīng)范圍更廣,在坡高1/2以上處呈現(xiàn)急劇增的趨勢。斜坡加速度放大系數(shù)沿水平方向表現(xiàn)出規(guī)律性的變化,表現(xiàn)為越靠近坡表,斜坡的加速度放大系數(shù)越大。

圖11 不同幅值下坡表和坡內(nèi)加速度放大系數(shù)曲線

4.1 輸入波頻率的影響

圖12為0.3g正弦波作用下不同頻率的坡面和坡內(nèi)加速度放大系數(shù)變化規(guī)律。加速度放大系數(shù)隨著輸入頻率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)正弦波輸入頻率小于20 Hz時,邊坡表面和坡體內(nèi)部的加速度放大系數(shù)隨輸入頻率的增大而增大。當(dāng)輸入頻率超過20 Hz時,加速度放大系數(shù)隨輸入頻率的增大而減小,并且這種現(xiàn)象隨著坡高的增加而愈加明顯。坡趾處的加速度放大系數(shù)隨輸入頻率的增加變化不明顯;在某些情況下,甚至?xí)魅醯卣鸩ǖ姆糯笮?yīng)。

圖12 正弦波0.3g幅值下斜坡加速度 放大系數(shù)隨頻率變化圖

圖13為0.3g幅值正弦波作用下不同頻率的加速度放大系數(shù)隨高程的變化趨勢。在不同頻率的正弦波作用下,坡面加速度放大系數(shù)隨高程的增加呈非線性增大;對于不同頻率的輸入波,斜坡加速度放大系數(shù)的出現(xiàn)拐點(diǎn)位置也明顯不同。頻率20 Hz的正弦波,加速度放大系數(shù)在坡高1/2處急劇增大,而對于其他頻率,加速度放大系數(shù)在坡高3/4處急劇增大,呈現(xiàn)出相似的特性。坡體內(nèi)部加速度放大系數(shù)隨高程增加基本呈線性增長趨勢,在不同頻率正弦波作用下增長速率不同,放大系數(shù)增長速率拐點(diǎn)出現(xiàn)在邊坡自振頻率附近。

圖13 不同頻率下加速度放大系數(shù)隨高程變化

4.2 輸入波幅值影響

由圖14可知,坡面加速度放大系數(shù)隨著幅值的增大先增大后減小,當(dāng)輸入地震動幅值小于0.3g時,坡面加速度放大系數(shù)隨著幅值的增大而增大。當(dāng)輸入地震波的幅值超過0.3g時,PGA隨著輸入幅值的增大而減小,并且在0.3g時達(dá)到峰值。與劉漢香等反傾斜坡振動臺試驗得到的幅值對斜坡動力響應(yīng)特征的總體趨勢相符,即斜面加速度放大系數(shù)隨著幅值的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,但在本次試驗中放大系數(shù)最大值對應(yīng)的幅值高于原結(jié)論(0.2g)。坡內(nèi)加速度放大系數(shù)變化規(guī)律坡表趨勢相同,也存在先增大后減小的現(xiàn)象,在輸入正弦波振幅為0.3g時達(dá)到峰值。

圖14 不同幅值下的加速度放大系數(shù)

圖15為不同幅值正弦波作用下邊坡加速度放大系數(shù)隨高程的變化圖,坡面加速度放大系數(shù)隨高程的增加并非呈線性增大趨勢。當(dāng)正弦波振幅小于0.3g時,在1/2坡高以下PGA緩慢增長,在1/2坡高處為拐點(diǎn),PGA急劇增大,在坡頂處達(dá)到最大值。當(dāng)正弦波振幅大于0.3g時,加速度放大系數(shù)在坡高3/4處顯著增大。加速度放大系數(shù)沿坡體內(nèi)部豎直方向呈線性增長,幅值變化對加速度放大系數(shù)增長速率影響不大。

圖15 加速度放大系數(shù)在不同幅值下隨高程變化

基于以上對邊坡動力響應(yīng)的分析,頻率和幅值共同影響邊坡動力響應(yīng),控制坡面加速度放大系數(shù)以及出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置。當(dāng)輸入波接近邊坡自振頻率或波幅小于0.3g時,坡面加速度放大系數(shù)在坡面中部開始急劇增大。當(dāng)輸入波頻率高于或低于邊坡自振頻率或幅值大于0.3g時,坡面加速度放大系數(shù)的增長拐點(diǎn)都出現(xiàn)在坡高3/4處。坡體內(nèi)部豎向加速度放大系數(shù)的增大趨勢受頻率和幅值的影響較小;但輸入波頻率對加速度放大系數(shù)增長率的影響高于幅值。當(dāng)輸入波頻率越接近邊坡自振頻率時,加速度放大系數(shù)曲線增長速率越快。

4.3 輸入波類型的影響

地震波作為一種隨機(jī)波,頻譜成分復(fù)雜,因而其對邊坡的影響也不盡相同。本研究以茂縣基巖地震波、臥龍土層地震波、基于研究區(qū)合成波、正弦波作為動力輸入條件,分析了不同地震波類型下斜坡動力響應(yīng)特征。斜坡對不同類型地震波的放大效應(yīng)差別較大(如圖16所示),對于坡面監(jiān)測點(diǎn)(除坡肩處),天然波的坡面動力放大效應(yīng)均高于正弦波和合成波,茂縣基巖波的坡面動力放大效應(yīng)更大。斜坡對合成波的放大作用不明顯,在正弦激勵下,坡頂對地震波的放大效應(yīng)最大。對于隨著高程的增加,坡內(nèi)對正弦波的放大作用逐漸增強(qiáng),造成這種現(xiàn)象的原因可能與輸入的固有頻率和頻帶有關(guān),前文所述茂縣基巖波的卓越頻率為19.3 Hz,卓越頻段在19.3 Hz～80 Hz,低于斜坡的自振頻率,且頻段寬度較寬,導(dǎo)致振動過程中斜坡產(chǎn)生的能量越大,因此斜坡的放大效應(yīng)越強(qiáng);汶川臥龍波的卓越頻頻率雖然接近邊坡自振頻率且譜值較茂縣波高,但是頻帶寬度較窄,導(dǎo)致斜坡的放大作用并不明顯。因此關(guān)于巖質(zhì)斜坡的動力研究,輸入地震波選取基巖地震波較為合適。

圖16 不同地震波類型下的加速度放大系數(shù)

4.4 結(jié)構(gòu)面的影響

軟弱破碎帶的存在對斜坡的動力響應(yīng)有顯著的影響,本文在結(jié)合實際斷層的基礎(chǔ)上采用下薄上厚的楔形狀結(jié)構(gòu)面。同時在軟弱夾層上下各布置3個加速度傳感器,用來研究結(jié)構(gòu)面對反傾巖質(zhì)斜坡的動力響應(yīng)的影響和對輸入地震波的影響,其中上層加速度傳感為A6,A7,A8,下部傳感器為A3,A4,A5。試驗分析結(jié)果如圖17所示。

圖17 不同幅值下結(jié)構(gòu)面上下層放大系數(shù)

試驗中設(shè)置的軟弱破碎帶厚度不一致,導(dǎo)致不同位置放大效應(yīng)不同。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ递^低,坡底處軟弱破碎帶對地震波的放大作用不明顯;隨著高程增大,監(jiān)測點(diǎn)A6～A8的PGA體現(xiàn)出先大后小的現(xiàn)象,即地震波經(jīng)過結(jié)構(gòu)面中部時放大效應(yīng)明顯,趨于坡表體現(xiàn)為抑制放大效應(yīng)。當(dāng)輸入地震波的幅值為0.6g時,結(jié)構(gòu)面下層的放大作用明顯增強(qiáng),結(jié)構(gòu)面中部的放大效應(yīng)較低幅值地震波作用更弱。傅里葉譜反映了輸入地震波在頻域內(nèi)的特性,實現(xiàn)了地震波從時域分析到頻域分析的轉(zhuǎn)換,可以清晰的看出各頻段內(nèi)的地震動響應(yīng)程度和振動能量在各頻率范圍內(nèi)的分布情況,進(jìn)而對地震波在斜坡的傳播過程進(jìn)行深入的研究。為了更加直觀的分析軟弱破碎帶對輸入地震波的影響和對斜坡動力響應(yīng)的影響,采用快速傅里葉變換得到 0.2g茂縣波和0.6g茂縣波作用下,軟弱夾層兩側(cè)測點(diǎn)傅氏圖,如圖18所示。

圖18 不同幅值結(jié)構(gòu)面上下測點(diǎn)傅里葉譜圖

由于軟弱破碎帶厚度不一致,導(dǎo)致地震波頻段在穿越不同位置軟弱破碎帶時發(fā)生的改變也不盡相同。坡底軟弱破碎帶較薄,地震波由下層監(jiān)測點(diǎn)到上層監(jiān)測點(diǎn),8 Hz～21 Hz頻段發(fā)生了明顯的放大作用;對于軟弱破碎帶中部監(jiān)測點(diǎn),地震波經(jīng)過軟弱破碎帶,在20 Hz～25 Hz 頻段內(nèi)有所放大;對于接近坡表的監(jiān)測點(diǎn),軟弱破碎帶的存在抑制了斜坡對地震波的放大作用。由以上分析可以看出,不同厚度軟弱破碎帶對地震波在斜坡內(nèi)的傳播影響不同,軟弱破碎帶厚度較薄時,對輸入的地震波起到放大作用,隨著軟弱夾層厚度的增加,這種放大效應(yīng)逐漸減弱,當(dāng)超過某一厚度時,會抑制斜坡對地震波的放大作用。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是由于軟弱破碎帶較薄時,地震波在軟弱破碎帶上層和下層發(fā)生反射和折射,增強(qiáng)了地震波的能量。

5 結(jié) 論

本文采用北京工業(yè)大學(xué)西區(qū)結(jié)構(gòu)試驗大廳3 m×3 m的振動臺,以宗絨滑坡為試驗原型,建立了幾何相似比為1∶100的縮尺反傾巖質(zhì)斜坡模型,開展了大型振動臺模型試驗,研究了強(qiáng)震作用下反傾巖質(zhì)斜坡的動力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,分析了斜坡的啟裂和失穩(wěn)臨界動力條件。得到以下結(jié)論:

(1)隨著輸入波次數(shù)的增加,斜坡自振頻率逐漸降低,在0.3g輸入波加載后,斜坡進(jìn)入了非線性階段。強(qiáng)震作用下斜坡對地震波產(chǎn)生明顯的高程放大效應(yīng)和趨表效應(yīng),且幅值越大,現(xiàn)象越明顯,斜坡的動力放大效應(yīng)的分布范圍與幅值正相關(guān)。

(2)低幅值作用下,斜坡加速放大系數(shù)在輸入波頻率接近斜坡自振頻率時達(dá)到最值;高幅值作用下,斜坡加速度放大系數(shù)最大值出現(xiàn)在低于斜坡自振頻率附近。同時加速度放大系數(shù)增長速率受頻率的影響更大,越接近斜坡的固有頻率,加速度放大系數(shù)曲線上升的越快。

(3)軟弱破碎帶的存在對斜坡動力響應(yīng)和穩(wěn)定性具有很大的影響,其厚度對放大效應(yīng)存在明顯的差異,整體上表現(xiàn)為厚層段抑制,薄層段放大。幅值0.3g～0.4g是斜坡啟裂的臨界動力條件,0.7g～0.8g是斜坡失穩(wěn)破壞的臨界動力條件。