強震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡變形及破壞模式研究

劉漢東，耿 正，王忠福，牛林峰，王四巍，徐 峰

(1.華北水利水電大學巖土力學與水工結(jié)構(gòu)研究院，河南鄭州450045；2.河南省巖土力學與結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，河南鄭州450045；3.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南鄭州450003)

0 引 言

地震誘發(fā)邊坡失穩(wěn)造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，影響重大工程建設，破壞生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，“5·12”汶川地震誘發(fā)滑坡造成的次生災害損失占整個地震災害直接損失的約1/3[1]。地震作用下的邊坡穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為學科研究的熱點[2-5]。了解地震作用下邊坡變形破壞模式是對邊坡失穩(wěn)預報和防治的前提[6]。

許多學者對地震誘發(fā)邊坡變形破壞模式進行了探討[7-9]。董金玉等[10]通過振動臺試驗對順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式進行了研究，得到該類邊坡的破壞模式為地震誘發(fā)—坡肩拉裂張開—坡面中部出現(xiàn)裂縫—裂縫貫通—發(fā)生高位滑坡—轉(zhuǎn)化為碎屑流—堆積坡腳；鄒威等[11]對不同巖性組合水平層狀巖質(zhì)邊坡進行了大型振動臺模型試驗研究，將水平層狀巖質(zhì)邊坡變形破壞成因模式歸納為拉裂—剪切—水平滑移型和拉裂—剪切—散體崩落型；Wang J等[12]通過對典型黃土回填邊坡進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該類邊坡的破壞模式為裂縫的發(fā)展—壓實黃土的軟化—斜坡前緣的蠕變和后緣的裂縫—貫穿滑動面的形成。

盡管目前在地震誘發(fā)邊坡變形破壞模式方面取得了豐碩成果，但對強震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式方面卻少有研究。為此，本文參考國內(nèi)外研究成果，建立了反傾層狀巖質(zhì)邊坡的概化模型，通過振動臺模型試驗得到了反傾層狀巖質(zhì)邊坡在強震作用下的變形規(guī)律和破壞模式，通過有限差分法對試驗結(jié)果進行了驗證。研究成果可為地震條件下反傾層狀巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)預報及防治提供參考。

1 振動臺模型試驗設計及數(shù)值模型的建立

1.1 模型相似比的確定

根據(jù)相似理論，以長度、密度、彈性模量為主控因素，將其相似常數(shù)設置分別為Sl=60、Sρ=3、SE=100。按照Buckingham π[13]定理，推導出其他相似常數(shù)。模型試驗相似比設計見表1。

表1 模型試驗相似比設計

1.2 模型試驗裝置及材料參數(shù)

振動臺模型由模塊堆積而成，模塊由水和石膏按1∶0.8的配合比制作而成，其物理力學參數(shù)見表2。模塊尺寸為12 cm×6 cm×2 cm(長×寬×高)。模塊間用濃度為40%的白乳膠粘結(jié)，其內(nèi)摩擦角為30. 6°，粘聚力為115. 36 kPa。邊坡模型長0.60 m，高0.60 m，厚0.12 m，見圖1。邊坡后緣設置5個加速度傳感器(D1～D5)，傳感器布置見圖2。為便于描述加速度峰值大小，將邊坡上監(jiān)測點的動力響應加速度峰值與邊坡底部D1點的加速度峰值的比值定義為PGA(Peak Ground Acceleration)放大系數(shù)。

表2 試驗材料物理力學參數(shù)

圖1 邊坡模型

圖2 監(jiān)測點布置(單位：cm)

1.3 數(shù)值計算條件

參考室內(nèi)振動臺模型試驗邊坡的原型，設置模型高為36 m，底部邊長為34 m，邊坡坡角60°，巖層傾角75°，巖層厚度1.1 m，軟弱夾層厚度0.1 m。計算模型及網(wǎng)格劃分見圖3。共計2 762個單元，3 562個節(jié)點。將巖石及結(jié)構(gòu)面材料設置為彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準則。巖石及結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)見表3。

圖3 數(shù)值計算模型

表3 巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學參數(shù)

本文研究對象為反傾層狀巖質(zhì)邊坡，基巖彈性模量較大，屬于剛性地基，因此模型底部不設置靜態(tài)邊界條件，模型四周為自由場邊界。

在坡體內(nèi)部距邊坡后緣10 m處豎直方向上，在邊坡底部、距邊坡底部6、15、24 m和33 m處設置監(jiān)測點(A1～A5)，與室內(nèi)試驗布置的監(jiān)測點(D1～D5)相對應，邊界條件和監(jiān)測點布置見圖4。

在模型底部設置加速度監(jiān)測點，與輸入的加速度時程曲線進行對比，結(jié)果證明2條曲線基本無差異，說明地震波輸入正確。為了驗證邊界條件的正確性，在模型左側(cè)和右側(cè)邊界設置了監(jiān)測點，監(jiān)測其加速度，結(jié)果證明邊界模擬效果良好，2條加速度時程曲線無明顯差異。

圖4 監(jiān)測點布設及邊界條件

1.4 數(shù)值模擬的試驗驗證

為驗證數(shù)值模擬的合理性，設計頻率為5 Hz、震動強度為0.1g和頻率為5 Hz、震動強度為0.2g這2種工況進行室內(nèi)振動臺試驗，并對其進行數(shù)值模擬，將得到的結(jié)果進行對比。室內(nèi)試驗中的加速度傳感器D1～D5分別與模擬工況的A1～A5這5個監(jiān)測點對應，分別求出其PGA放大系數(shù)進行對比。室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比見圖5。

圖5 數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗結(jié)果對比

從圖5可以看出，模擬結(jié)果較試驗結(jié)果偏大，這是由于數(shù)值模擬的條件更為理想化，室內(nèi)試驗有很多影響因素，如振動臺與模型底部的摩擦力，部分坡體間粘結(jié)不太均勻等，在數(shù)值模擬工況中并沒有考慮。但數(shù)值計算和模型試驗結(jié)果總體規(guī)律是一致的，說明數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗吻合較好，結(jié)果可信。

2 結(jié)果及分析

2.1 室內(nèi)試驗

室內(nèi)模型試驗采用峰值加速度為2g、頻率為20 Hz的正弦波進行加載。振動臺試驗不同時刻邊坡破壞情形見圖6。從圖6可知，t=5 s時，邊坡模型的坡面中部淺層巖體發(fā)生破壞，且伴有零星掉塊現(xiàn)象；t=10 s時，邊坡模型中下部拉張裂縫開始發(fā)育，但并不明顯；t=15 s時，邊坡模型中下部拉張裂縫的發(fā)育明顯，且開始向邊坡內(nèi)部發(fā)展；t=20 s時，部分巖體開始向臨空面方向剪出；t=25 s時，邊坡模型中下部巖體開始大面積向臨空面方向剪出；t=30 s時，邊坡模型出現(xiàn)大面積垮塌現(xiàn)象，邊坡上部巖體出現(xiàn)向臨空面彎曲現(xiàn)象。

圖6 振動臺試驗不同時刻邊坡破壞情形

通過室內(nèi)試驗可以看出，輸入高頻率、大振幅的橫向正弦波，反傾層狀巖質(zhì)邊坡破壞初期主要為坡面中部淺表部的巖體松動，出現(xiàn)零星掉塊現(xiàn)象，此時邊坡并未發(fā)生整體失穩(wěn)。邊坡整體失穩(wěn)是由于裂隙發(fā)展、延伸并逐漸貫通，最終引起邊坡發(fā)生大面積的崩塌破壞。裂隙從邊坡的中下部開始發(fā)育，沿結(jié)構(gòu)面不斷向內(nèi)部和上部延伸，同時，由于震動的持續(xù)，邊坡內(nèi)部巖體發(fā)生錯動，并向臨空面方向剪出，最終裂隙貫通，導致邊坡的整體失穩(wěn)。

通過對試驗不同階段破壞模式進行分析，可將反傾層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞分為以下3個階段：

(1)坡面淺表部松動，裂隙產(chǎn)生階段。在震動初期，邊坡的變形破壞主要發(fā)生在坡面的淺表部，表現(xiàn)為松動和掉塊現(xiàn)象；隨著震動的持續(xù)，邊坡中下部開始出現(xiàn)拉張裂縫，地震產(chǎn)生的應力波在結(jié)構(gòu)面處相互疊加，產(chǎn)生拉應力，是裂縫產(chǎn)生的重要原因[14]。

(2)裂隙延伸，巖體錯動階段。持續(xù)的震動導致裂隙沿結(jié)構(gòu)面向邊坡內(nèi)部和上部延伸并擴張，且坡體內(nèi)部巖體的錯動不斷加劇，并向臨空面方向剪出，部分巖體出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。

(3)裂隙貫通，邊坡大面積垮塌。裂隙的擴展及巖體的錯動形成貫通的結(jié)構(gòu)面，導致邊坡大面積崩塌，破壞面呈階梯狀，崩塌部分上部巖體向臨空面方向彎曲，雖然并未掉落，但裂隙已經(jīng)開裂，形成危巖體，若震后受到外部荷載作用，則可能發(fā)生破壞[15]。

2.2 數(shù)值模擬

采用FLAC3D軟件對室內(nèi)模型試驗進行模擬。根據(jù)相似比確定輸入的地震波的加速度為1.2g，頻率為20 Hz，模擬結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，當t=5、10、15、20、25 s和30 s時，模型最大位移量分別為1.27、2.71、4.16、5.63、7.09 mm和8.56 mm。模型的形變量隨著時間的增加而逐漸增大。

圖7 數(shù)值模擬不同時刻邊坡位移云圖

由模擬結(jié)果可知，在輸入高頻率、大振幅的橫向正弦波時，模型的最大位移處在坡面中部，其次為邊坡頂部、坡肩及坡腳處，模型最小位移處在邊坡后部和底部，位移量從邊坡中部向邊坡后部和底部依次遞減，這與室內(nèi)試驗邊坡破壞規(guī)律近似一致。地震波持時也對反傾層狀巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)具有很大影響[16]，即隨著震動的持續(xù)，邊坡各部分的位移持續(xù)增大[17]，但其分布規(guī)律基本不變。

3 結(jié) 語

本文通過振動臺試驗和數(shù)值分析，研究了強震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式及變形規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)地震波持時對反傾層狀巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)有很大影響，主要表現(xiàn)在坡體的位移不斷增大，坡內(nèi)能量不斷累積，裂隙不斷發(fā)育發(fā)展。

(2)裂隙的產(chǎn)生、發(fā)育和貫通是導致反傾層狀巖質(zhì)邊坡整體失穩(wěn)的主要原因。裂隙從邊坡的中下部開始發(fā)育，沿結(jié)構(gòu)面不斷向邊坡內(nèi)部和上部延伸，最終貫通，導致邊坡大面積崩塌破壞。

(3)在輸入高頻率、大振幅的水平向正弦波的情況下，反傾層狀巖質(zhì)邊坡的破壞模式為：坡面淺表部松動，開始產(chǎn)生裂隙，并持續(xù)發(fā)育，不斷向坡體內(nèi)部及上部延伸，坡體內(nèi)部發(fā)生巖體錯動并不斷加劇，直至裂隙貫通，邊坡大面積崩塌破壞。

(4)強震作用下，反傾層狀巖質(zhì)邊坡的主要變形規(guī)律為：在震動初期，坡表部分巖體松動，最終脫離坡體形成墜落；隨著震動的持續(xù)，裂隙沿坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面逐漸貫通，形成崩塌；崩塌產(chǎn)生后，崩塌處上部部分巖體向臨空面彎曲形成危巖體。