西南山區(qū)鐵路沿線反傾巖質(zhì)邊坡地震動力響應(yīng)振動臺試驗研究

陳偉庚 劉洋 王棟 岳茂 張良

（1.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣州 510000；2.中科（湖南）先進軌道交通研究院，湖南株洲 412000；3.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031；4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031）

西南山區(qū)鐵路沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動強烈，由地震所引起的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。巖質(zhì)層狀邊坡是鐵路沿線分布極為普遍的邊坡類型［1]。與堆積型邊坡相比，該類邊坡受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的影響，穩(wěn)定性較差，在地震作用下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞［2]，給西南山區(qū)鐵路的工程建設(shè)及運營安全帶來挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性問題開展了大量研究。黃潤秋等［3]結(jié)合現(xiàn)場實測成果建立了層狀巖體失穩(wěn)破壞模型，并通過大型振動臺試驗研究不同結(jié)構(gòu)類型斜坡的破壞過程和地震響應(yīng)特征；劉新榮等［4]針對三峽水庫蓄水誘發(fā)的高頻次微小地震，采用振動臺試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了不同動荷載、坡高等因素對順傾層狀巖質(zhì)邊坡的累積損傷和穩(wěn)定性的影響；Fan 等［5]開展含泥夾層的順層和反傾巖質(zhì)邊坡振動臺試驗，得到邊坡動力破壞模式，并采用能量判識方法對邊坡內(nèi)部的震害損傷發(fā)展過程進行了分析。

以往文獻對順層巖質(zhì)邊坡的研究很多，對反傾巖質(zhì)邊坡的研究較少，并且這類邊坡受巖土性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造的影響，在地震作用下的失穩(wěn)破壞機制極為復(fù)雜?；诖耍疚囊晕髂仙絽^(qū)鐵路沿線典型的反傾巖質(zhì)邊坡為例，開展含結(jié)構(gòu)面反傾巖質(zhì)邊坡的振動臺試驗，采用時頻域分析方法研究輸入不同峰值加速度地震波時該類邊坡的地震動力響應(yīng)特性，以供為西南山區(qū)鐵路防災(zāi)減災(zāi)措施的制定提供參考。

1 振動臺試驗設(shè)計

1.1 模型參數(shù)的確定

本次試驗以西南山區(qū)鐵路一隧道出口處的反傾巖質(zhì)邊坡為原型，在信陽師范學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院實驗室開展振動臺試驗。該振動臺為大型單向地震模擬振動臺，振動臺的臺面尺寸為3 m × 3 m，臺面結(jié)構(gòu)為鋼焊單層網(wǎng)格，臺面最大承載量為10 t，最大振動速度為0.7 m/s，工作頻率為0.1～50.0 Hz，位移范圍為±125 mm，水平向最大加速度為15 m/s2。

根據(jù)相似理論，原型與模型的幾何尺寸、土體重度和重力加速度的相似常數(shù)分別為10，1，1。通過Buckingham π 定理、量綱分析法［6]導(dǎo)出其余主要物理量的相似比，見表1。鑒于原型邊坡巖性主要以石英砂巖夾板巖為主，參考模型試驗常用的相似材料以及各種配合比相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)［7-8]，采用石膏、黏土、河砂和水作為原材料，巖層材料的配合比為石膏∶黏土∶河砂∶水=1.00∶5.38∶1.52∶0.27，結(jié)構(gòu)面材料的配合比為黏土∶河砂∶水=1.00∶6.89∶0.25。通過密度試驗、直剪試驗以及三軸壓縮試驗，確定巖層材料的密度為1.908 g/cm3、黏聚力為15.5 kPa、內(nèi)摩擦角為37.9°，結(jié)構(gòu)面材料的密度為1.72 g/cm3、黏聚力為2.7 kPa、內(nèi)摩擦角為41.7°。

表1 振動臺試驗物理量相似常數(shù)

1.2 模型制作及測點布置

模型箱由角鋼、槽鋼和鋼板焊接而成，尺寸為2.0 m（長）× 2.0 m（寬）× 1.5 m（高）。為了便于觀察邊坡的變形破壞情況，模型箱兩側(cè)采用厚12 mm 的有機玻璃。同時，在有機玻璃與模型之間均勻涂抹凡士林，以減小模型與有機玻璃之間的摩擦。為了減少模型受邊界效應(yīng)的影響，在鋼板與模型之間放置厚10 cm的聚乙烯泡沫作為減震層。

為了方便建立模型和試驗分析，根據(jù)前期地質(zhì)勘查結(jié)果將原型邊坡簡化為巖層平行的邊坡，巖層傾角為35°，坡角為60°，按照巖層厚度6 cm、軟弱夾層厚度1 cm 分層填筑夯實，填筑一層后靜置一段時間后填筑下一層。填筑期間，將三向加速度傳感器布置在坡體內(nèi)部和表面，振動臺的臺面上也布置了加速度傳感器。通過剛性支撐將拉線式位移計固定在模型箱上，用于測量坡面不同高度處的位移。

試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1，測點布置如圖2所示，A1為坡肩測點；A2，A3，A4，A5 為坡體內(nèi)部測點；A6，A7，A8 為坡體表面測點；A9 為臺面測點，為計算邊坡加速度峰值放大系數(shù)的參照點。

圖1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.3 加載工況

在水平方向施加汶川臥龍地震波。施加前對地震波的峰值加速度進行歸一化處理，持時按照原型和模型的相似關(guān)系進行調(diào)整。調(diào)整后的地震波加速度時程曲線及其傅里葉頻譜見圖3。峰值加速度從0.1g開始，按0.3g，0.5g，0.7g，0.9g，1.0g，1.2g逐級加載，并在每一級地震波加載前均對模型進行0.05g的白噪聲掃描。

圖3 調(diào)整后的地震波加速度時程曲線及其加速度傅里葉幅值譜

2 試驗結(jié)果分析

2.1 反傾巖質(zhì)邊坡的加速度放大效應(yīng)

將A1—A8 各測點的y向加速度峰值與振動臺臺面測點A9 的y向加速度峰值的比值定義為加速度峰值放大系數(shù)β。輸入不同峰值加速度G的地震波時β值隨邊坡高度的變化情況見圖4?？梢钥闯觯?/p>

1）對于坡內(nèi)測點，輸入G＝0.1g～0.9g的地震波時，測點A5—A4β值隨高度增加而減小，測點A4—A1β值隨高度增加而增大，特別是在2/3 高度（臨界點A2）以上β值顯著增大；輸入G＝1.0g～1.2g的地震波時β值在臨界點之前隨高程增加而減小，在臨界點之后β值顯著增大。對于坡體表面測點，輸入G＝0.1g～0.9g的地震波時β值隨邊坡高度增加一直增大；輸入G＝1.0g～1.2g的地震波時測點A8—A7β值隨高度增加而增大，測點A7—A6 呈減小趨勢，在測點A8—A6變化幅度不大，但在臨界點之后隨高度增加又明顯增大。可見無論是在坡內(nèi)還是坡體表面，除局部β值隨高度增加而減小，總體來看β值隨高度增加而增加，表明地震動力響應(yīng)具有高程放大效應(yīng)［6]，且在坡肩處放大效應(yīng)更明顯。

圖4 不同峰值加速度地震波作用下β 值隨邊坡高度的變化情況

2）在相同高度下輸入不同G的地震波時，除了底部坡內(nèi)測點A5 的β值大于坡體表面測點A8，其余同一高度的2 個測點均是坡體表面測點的β值大于坡內(nèi)測點，反映出地震動力響應(yīng)還具有趨表放大效應(yīng)［6]。

3）坡肩測點A1 與臨界點A2的β值相差較大。G＝0.9g時測點A1 的β值達到最大值，之后β值隨G的增加而減小，可見加載到G＝0.9g時坡肩達到臨界狀態(tài)。此時坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，巖體中存在大量微裂縫，將邊坡分割成松散塊體，增強了邊坡材料的濾波效應(yīng)［9]。

2.2 反傾巖質(zhì)邊坡的加速度傅里葉幅值譜特征

對各測點的加速度時程曲線進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT），得到加速度傅里葉幅值譜。

輸入G＝0.1g的地震波時反傾巖質(zhì)邊坡各測點加速度傅里葉幅值譜見圖5。可見：在地震波作用下邊坡坡內(nèi)和坡體表面的加速度傅里葉幅值譜形態(tài)及分布基本一致。加速度傅里葉幅值主要分布在0～60 Hz，并在20，30 Hz 附近出現(xiàn)2 個峰值，并且幅值隨邊坡高度增加逐漸增大，表明地震波在向上傳播過程中能量逐漸增大。

圖5 輸入G＝0.1g的地震波時反傾巖質(zhì)邊坡的加速度傅里葉幅值譜

對輸入G＝0.1g的地震波時測得的臺面測點加速度時程曲線進行FFT 變換，得到加速度傅里葉幅值譜。坡肩、坡內(nèi)、坡體表面測點的加速度傅里葉幅值與臺面測點的加速度傅里葉幅值的比值記為Spt［10]。

輸入G＝0.1g的地震波時反傾巖質(zhì)邊坡的Spt變化曲線見圖6。由圖2 和圖6 可知：①從A5 到A1，A8到A1，隨著坡體高度增加，地震波穿越多個節(jié)理面，其頻譜分布逐漸變得復(fù)雜，3個Spt峰值逐漸增大，高程放大效應(yīng)明顯。②坡肩測點A1 處Spt的峰值最大。這是因為坡肩為自由面，地震波在此處多次折射和反射使得SV 波（S 波為一種偏振波，其質(zhì)點在豎直面內(nèi)運動時稱為SV波）與P波（縱波）發(fā)生了耦合效應(yīng)。

圖6 輸入G＝0.1g的地震波時不同測點的Spt變化曲線

3 結(jié)論

本文通過大型振動臺試驗研究了輸入不同峰值加速度地震波時反傾巖質(zhì)邊坡的地震動力響應(yīng)特性。得出以下結(jié)論：

1）對于坡體內(nèi)部測點，β值隨邊坡高度增大先減小后增大；對于坡體表面測點，除了G＝1.0g～1.2g，輸入其他峰值加速度時各測點β值均隨邊坡高度增加而增大。無論是坡體內(nèi)部還是坡體表面測點，坡肩測點A1 處的β值明顯大于臨界點（A2，A6）處的β值，地震動力響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的高程放大效應(yīng)。

2）在相同高度下輸入不同峰值加速度地震波時，除了底部坡內(nèi)測點A5 的β值大于坡體表面測點A8，其余同一高度的2 個測點均是坡體表面測點的β值大于坡內(nèi)測點，反映出地震動力響應(yīng)具有趨表放大效應(yīng)。

3）與臨界點的β值相比，坡肩測點的β值明顯增大。在G＝0.9g時β值達到最大值，之后β值隨G增大而減小，可見加載到G＝0.9g時坡肩達到了臨界狀態(tài)。

4）邊坡坡內(nèi)和坡體表面的加速度傅里葉幅值譜形態(tài)及分布基本一致。傅里葉幅值主要分布在0～60 Hz，在20，30 Hz 附近出現(xiàn)2 個峰值，并且傅里葉幅值隨邊坡高度增加逐漸增大，表明地震波在向上傳播過程中能量逐漸增大。

5）隨坡體高度增加，地震波穿越多個節(jié)理面，其頻譜分布逐漸變得復(fù)雜，3個峰值的Spt值逐漸增大，高程放大效應(yīng)明顯，且坡肩處Spt的峰值最大。