水庫巖質(zhì)邊坡的動力響應(yīng)特性研究

鄒國勇

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)特性和變形破壞模式是巖土工程領(lǐng)域的重要研究課題，對于防止和減輕地震災(zāi)害、保障工程安全具有重要意義。鎖固型巖質(zhì)邊坡是一種常見的邊坡結(jié)構(gòu)形式，特點是在邊坡滑動面上存在一段或多段鎖固段，使得邊坡具有一定的穩(wěn)定性和抗剪強度。然而，在強震作用下，鎖固型巖質(zhì)邊坡可能發(fā)生不同程度的變形和破壞，影響工程安全。因此，深入探討鎖固型巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)特性及破壞機制，對于指導(dǎo)工程設(shè)計、施工和監(jiān)測具有重要價值。

目前，已經(jīng)有不少學(xué)者對鎖固型巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)特性進行了研究，主要的研究方法有理論分析以及室內(nèi)模型試驗。楊國香等人[1-2]通過室內(nèi)模擬不同地震波對順層和均質(zhì)巖質(zhì)邊坡的影響，分析了邊坡的動力加速度響應(yīng)特征及其與地震波參數(shù)和邊坡結(jié)構(gòu)的關(guān)系。通過物理模型試驗，揭示了反傾層狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡在強震作用下的動力加速度放大特性及邊坡的破壞機理。曹鵬等人[3]通過多種方法分析了西藏白格滑坡的地質(zhì)背景、巖體特征、滑動層、滑坡類型和形成機制，并探討了其對防災(zāi)減災(zāi)的意義。劉漢香[4]通過振動臺試驗，分析了含夾層斜坡的地震加速度和位移響應(yīng)特征，并探討了夾層特征和激振強度對斜坡變形破壞模式的影響。泮曉華等人[5]通過物理模型試驗，揭示了不同類型巖質(zhì)鎖固型斜坡的鎖固段破壞模式及其影響因素。

為了研究水庫巖質(zhì)邊坡在地震波作用下的動力響應(yīng)特性，本文在已有研究基礎(chǔ)上建立了一種鎖固型巖質(zhì)邊坡模型，通過室內(nèi)振動臺模擬地震波對動力響應(yīng)特性進行研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料準備

巖質(zhì)邊坡的原位試驗有著太多不確定因素且操作困難，因此，本文采用按比例縮放的模型試驗對動力響應(yīng)特性進行研究。試驗采用大型振動臺，長度和寬度均為3m，最小震動頻率為0.5Hz，最大震動頻率為50Hz，振動臺正常工作所能承受最大試樣最大質(zhì)量為10000kg。由于振動臺的性能并能完全模擬地震效應(yīng)，為盡可能減小誤差，在尺寸按比例縮小的同時模型中土壤的主要力學(xué)性質(zhì)也不能發(fā)生較大的改變，如密度、泊松比、內(nèi)摩擦角以及加速度取原位土數(shù)據(jù)；長度、彈性模量、粘聚力以及應(yīng)力以16∶1進行縮??；試驗用時以及頻率按照1∶4的比例進行調(diào)整。

1.2 試驗?zāi)Ｐ蜏蕚?/h3>

本次試驗采用定制的模型箱，長度為150cm，寬度為85cm，高度為150cm，按照1.1節(jié)中的設(shè)計方案設(shè)計的鎖固型巖質(zhì)邊坡尺寸為140cm×83cm×140cm，預(yù)留裂縫尺寸為35cm×2mm，夾層尺寸為42cm×3cm，坡角和夾層夾角度數(shù)分別為606和202。巖質(zhì)邊坡模型采用分層擊實的方式進行制作，每層擊實厚度為4cm，在添加下一層土壤之前需對上一層擊實表面用刨毛針進行刨毛，避免出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。由于加速度作為動力響應(yīng)特性的主要評價手段，因此在試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計中加入了加速度傳感器，具體的裂縫、夾層以及加速度傳感器(C0-C25)布置格式如圖1所示。

圖1 加速度傳感器布置圖

1.3 試驗方案

主要影響鎖固型巖質(zhì)邊坡動力特性的因素為地震波，試驗采用不同類型的地震波對鎖固型巖質(zhì)邊坡模型進行測試。如圖2所示，首先對模型在X軸方向上施加正弦波以及不同壓縮倍數(shù)的臥龍波和EI波來模擬實際地震波去研究邊坡還未發(fā)生實際變形破壞時的動力響應(yīng)特性，正弦波的頻率在0到40Hz之間選??；邊坡模型穩(wěn)定后逐漸增加壓縮倍數(shù)的地震波去研究邊坡模型在地震波增大時的內(nèi)部破壞情況。

圖2 輸入的地震波

2 試驗結(jié)果分析

2.1 動力特性分析

邊坡模型受到0到4倍的臥龍波和EI波模擬的地震波時其自振頻率和阻尼比隨著輸入地震波次數(shù)的變化曲線如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)隨著地震波輸入的次數(shù)增加，邊坡模型的阻尼比先是緩慢增加，在第六次加載地震波時阻尼比開始大幅度增加，與之相反的是邊坡模型的自振頻率，自振頻率隨著地震波的加載首先呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，隨著第六次地震波的加載，邊坡模型自振頻率開始出現(xiàn)大幅下降。總體上來說，隨著地震波加載次數(shù)的增加，邊坡模型的力學(xué)性質(zhì)變差，阻尼比增加，自振頻率降低。

圖3 邊坡模型自振頻率和阻尼比在不同加載次數(shù)下的變化情況

2.2 加速度影響下的動力響應(yīng)規(guī)律

本小節(jié)以頻率為40Hz下的正弦波試驗數(shù)據(jù)為例對邊坡模型的動力響應(yīng)規(guī)律進行研究。將40Hz正弦波下的試驗數(shù)據(jù)繪制了振幅為0.1g，壓縮倍數(shù)為2倍地震波影響下的邊坡模型加速度放大系數(shù)試驗結(jié)果繪制成坐標軸的形式如圖4所示，對坡面上水平方向和垂直方向上的加速度放大系數(shù)變化規(guī)律進行研究。如圖4(a)所示，隨著坡面高度的增加，正弦波在坡面上的加速度放大系數(shù)持續(xù)增加，且在0.75m和1.075m處有顯著的增大；臥龍波在坡腳處隨坡面高度增加先有一段加速度放大系數(shù)下降的階段，隨后在0.75m處恢復(fù)上升，且斜率保持不變，雖然有一段下降趨勢，但整體上臥龍波加速度隨著坡面高度增加不斷增大；EI Centro波在坡面上加速度放大系數(shù)的變化比較穩(wěn)定，隨著坡面高度的增加，加速度放大系數(shù)也是穩(wěn)定上升。在坡體垂直方向和水平方向上3種波形加速度的變化與其在坡面上的變化類似，但正弦波的加速度放大系數(shù)在坡頂處有一個大幅度的提升。從整體上來看，無論是在坡面、邊坡模型垂直方向或者邊坡模型水平方向上，正弦波的加速度放大系數(shù)最大，其次為臥龍波和EI波，臥龍波的加速度放大系數(shù)略高于EI Centro波。

圖4 加速度動力響應(yīng)

2.3 正弦波頻率對邊坡模型動力響應(yīng)的影響

取不同頻率正弦波、不同高度坡面(C1、C8、C14、C19以及C23)加速度放大系數(shù)繪制關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不同頻率正弦波坡面加速度放大系數(shù)

由圖5可以看出，在相同的坡面高度，隨著正弦波的頻率從0Hz增加到15Hz，坡面加速度放大系數(shù)有著顯著的增加，正弦波繼續(xù)從15Hz增加到40Hz時，坡面加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)出下降趨勢，整體來看，坡面加速度放大系數(shù)在正弦波頻率為15Hz時達到最大；在同一頻率的正弦波下，隨著坡面高度的增加，坡面加速度放大系數(shù)隨之增大，坡頂處達到當(dāng)前頻率正弦波的最大值。

2.4 臥龍波壓縮倍數(shù)對邊坡模型動力響應(yīng)的影響

取初始臥龍波、2倍臥龍波以及4倍臥龍波影響下的坡面加速度放大系數(shù)結(jié)果與坡面高度繪制關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 不同壓縮倍數(shù)臥龍波坡面加速度放大系數(shù)

從圖6中可以觀察到，在相同倍數(shù)臥龍波的影響下，邊坡模型坡面的加速度放大系數(shù)在坡面高度0.1～0.425m處先下降，隨著坡面高度超過0.425m，坡面加速度放大系數(shù)隨著坡面高度的增加而增大，在坡頂處達到最大值，造成0.425m處加速度放大系數(shù)下降的原因為臥龍波的傳遞受到了夾層的影響，夾層造成了臥龍波的反射與折射；在相同坡面高度上，隨著臥龍波壓縮倍數(shù)的增加，加速度放大系數(shù)也隨之增大[6-7]。

2.5 裂縫及夾層對模型動力響應(yīng)的影響

根據(jù)圖1的布置，選用C19-C22得到的模型試驗數(shù)據(jù)對裂縫附近的加速度放大系數(shù)進行分析，選用C4、C10、C15以及C19對夾層附近的加速度放大系數(shù)進行分析，具體的試驗數(shù)據(jù)如圖7—8所示。

圖7 不同頻率正弦波裂縫附近加速度放大系數(shù)

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)在裂縫對于加速度放大系數(shù)的影響十分大，水平距離從模型最左邊向裂縫靠近時加速度放大系數(shù)有著明顯的下降趨勢，水平距離從裂縫向坡面靠近時加速度放大系數(shù)有著明顯的增加趨勢，總體上來看裂縫處的加速度放大系數(shù)為整個水平面的最小值。

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)夾層對于加速度放大系數(shù)同樣有影響，整體上加速度放大系數(shù)隨著測點高度的增加而增大，但在通過夾層所在高度(0.425m)后，加速度放大系數(shù)的增長速率相比通過夾層前有著顯著的提升。

圖8 不同頻率正弦波夾層附近加速度放大系數(shù)

3 結(jié)語

文章采用室內(nèi)模型試驗?zāi)M鎖固型巖質(zhì)邊坡受到地震波影響后加速度放大系數(shù)在邊坡中的分布。得到以下結(jié)論。

(1)垂直方向上，加速度放大系數(shù)隨邊坡高度的降低而下降；水平方向上，加速度放大系數(shù)隨水平距離的增加而增大。

(2)相同的坡面高度，隨著正弦波的頻率增加，坡面加速度放大系數(shù)先增加后下降；同一頻率的正弦波時，坡面加速度放大系數(shù)隨坡面高度的增加而增大。

(3)相同倍數(shù)臥龍波的影響下，邊坡模型坡面的加速度放大系數(shù)與坡面高度呈正相關(guān)；相同坡面高度上，加速度放大系數(shù)隨臥龍波壓縮倍數(shù)的增加而增大。

(4)裂縫和夾層對邊坡加速度放大系數(shù)有一定影響，裂縫會導(dǎo)致加速度放大系數(shù)大幅度降低，夾層會導(dǎo)致邊坡放大系數(shù)的增長速率變緩。