地震作用下非贯通节理岩体斜坡破坏的物理模型试验研究①

2012-10-16倪振强孔纪名阿发友

地震工程学报 2012年3期

倪振强，孔纪名，阿发友

（1．聊城大学建筑工程学院，山东聊城 252000；2．中科院山地所山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041；3．昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

倪振强1，孔纪名2，阿发友3

地震作用下高斜坡破坏的发生发展过程比较短暂、剧烈，破坏机理相对复杂。本文采用模型试验的方法来研究地震作用下非贯通节理岩体斜坡的反应。试验结果表明：节理上的应变最大，模型上部应变大于下部应变；节理贯通机理复杂，多为拉剪复合型破坏；节理的贯通并不意味着斜坡的破坏，而是破坏了斜坡的整体性，使其处于临界状态。试验揭示了此类斜坡在地震作用下的动力响应及破坏机理，可为理论和工程实践应用提供有益的参考和指导。

地震作用；非贯通节理；斜坡破坏；贯通机理；物理模型试验

（1．School of Architecture and Civil Engineering，Liaocheng University，Shandong Liaocheng 252000，China；2．Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Science ＆Ministry of Water Conservancy／Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process，Chengdu 610041，China；3 Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

Abstract：In general the failure development process of high slope under seismic action is very short and intense，the failure mechanism is relatively complex．In this paper，a model test is adopted to study the response of intermittent joints rock slope under seismic load．The results indicate that the maximum strain is on the joints，the strain on upper part of the model is larger than the lower part．The coalescence mechanisms is complex，mostly are tensile－shear mixed failure．The coalescence of joints didn＇t imply the destruction of the slope，but destroy the integrity of the slope，and made it in the critical condition．The physical test reveals the response and failure mechanism of this type slope under the earthquake action，it will provide a useful reference and guide for theory application and engineering practice．

Key words：Earthquake action；Intermittent joints；Slope failure；Coalescence mechanism；Physical model test

0 前言

岩质斜坡的稳定变形分析由于其地质结构复杂多变以及其稳定性不易判别而成为工程和学术界关注的重大课题。而地震作用下的岩质斜坡破坏机理研究，特别是非贯通节理岩体斜坡的研究则更加复杂。目前大量学者对岩质高斜坡地震变形破坏问题展开了研究：王思敬［1］通过振动模拟试验探讨了块体运动时滑动面的摩擦特性，讨论了斜坡动力稳定性评价原理；薛守义［2］对块状岩体边坡地震滑动位移进行了分析；祁生文［3］采用FLAC3D对斜坡动力响应规律进行了研究；何蕴龙［4］提出了一个岩石斜坡地震作用近似计算方法；姜彤［5］将加卸荷响应比理论运用到了地震作用下斜坡的响应研究中。这些研究集中在斜坡的稳定性及永久位移的计算方面，而对斜坡地震的渐进破坏和失稳力学机理的研究较少。

物理模拟是根据相似性原理和量纲分析原理，通过模型或模拟试验的手段来研究模型内的应力应变状态。常用的模拟方法主要有模型试验、离心试验、光测弹性法等，其中以模型试验应用最为广泛。由于物理模拟试验是真实斜坡的简化缩影，在满足相似律的条件下，能够较真实直观地反映岩土斜坡的薄弱环节及渐进破坏机理和稳定性程度，便于直接判断斜坡的地震稳定性［6－9］。

图1 核桃坡不稳定斜坡模型示意图Fig．1 Conceptualization model of Hetaopo unstable slope．

1 试验目的及模型设计、制作

1．1 试验目的

模型试验是高斜坡稳定分析和变形研究中的一种重要手段。对于一些高斜坡由于其空间尺寸巨大，地质条件复杂，各种影响因素互相制约，特别是对于地震中的高斜坡，其发生发展过程比较短暂、剧烈，但其破坏机理却相对复杂，使其在研究中受到诸多限制；而模型试验可以通过在室内建立模型，提取影响地震作用下斜坡破坏的主要因素，忽略次要因素，客观全面地观察其发育发展过程。因此，本文采用模型试验的方法来研究地震作用下非贯通节理岩体斜坡的反应，尽可能多的同时考虑多种因素及复杂边界条件，揭示此类斜坡在地震作用下的动力响应及破坏机理，为理论和工程实践应用提供有益的参考和指导。

1．2 相似原理

根据相似准则，在通过模型试验进行斜坡破坏的物理过程或力学性质研究时，物理量的相似主要地是指一般几何相似、动力学相似以及运动学相似三类。

在汶川地震滑坡中，砂泥岩、板岩、片岩、千枚岩等软岩类的滑坡最多。这些软岩类岩石除本身岩石力学性质之外，岩体结构的存在（特别是节理的存在）使斜坡在地震中极容易发生破坏。

例如汶川县耿达乡三村一组的核桃坡不稳定斜坡（图1），该斜坡前缘高程为1 406m，后缘高程1 545m，前后缘高差约140m，距离约为180m。坡度变化范围较大在30°～70°之间，局部甚至更大。组成坡体的岩体主要为千枚岩，夹少量灰岩，产状为275°∠51°。其主要力学参数为密度2．1g／cm3，抗压强度为45．8MPa，抗剪强度粘聚力为1．7MPa，摩擦角34．5°。该斜坡主要受三个结构面控制，结构面①产状为276°∠42°，延伸长65m，深0～10m，闭合度2～3cm；结构面②产状为250°∠45°，延伸长100m，深0～30m，闭合度3～4cm；结构面③产状为270°∠35°，延伸长80m，深0～40m，闭合度2～3cm。

该斜坡在汶川地震前相对稳定。汶川地震后斜坡沿结构面①发生了滑塌，并且结构面②、③也基本贯通，形成了不稳定斜坡。

本试验以核桃坡不稳定斜坡和其同类型的非贯通节理岩体斜坡为基本原型，考虑了室内试验具有的一定限制性，模型并不是完全制作成原型的外形；而是在一定程度上理想化了模型，并添加了两组结构面。这样做的目的是为了使试验更具有代表性，并充分考虑其结构的复杂性。

取几何相似系数Cl为300，因此设计模型的高度大约为0．55m，取容重相似系数Cr＝1．0，则根据相似理论得到的模型试验的相似条件为

其中：Cl、Cγ、CσC、CC、CE、Cε、Cφ分别为几何相似常数、容重相似常数、抗压强度相似常数、粘聚力相似常数、变形模量相似常数、应变相似常数和摩擦角相似常数。

1．3 模型制作

根据不同试验材料的力学性质，选择石英砂、重晶石粉、碳酸钙颗粒作为试验材料，反复多次做出一系列材料配比的试件测试物理力学指标，以争取满足容重、弹性模量、抗压强度的相似常数。采用双胶纸来模拟节理结构面，得到满足相似条件的滑面相似材料（表1）。

表1 模型材料配比及力学参数

按相似材料的配合比称量各种成分，经过搅拌碾磨之后，倒入槽型试验台（试验台长3．5m，高0．8 m，宽0．5m），模型制作时实际堆积模型高0．5m，长度2．28m，取主滑方向宽度0．4m。模型不考虑斜坡两侧的摩阻力，因此在槽型试验台两侧各设置一层塑料，以使其两侧摩阻力近似为零。在槽型试验台底部设置一层厚约0．05m的粘土层，用来模拟斜坡下部的稳定岩体，使斜坡在试验过程中免于整体滑动。其中节理设置5组，各节理间隔0．1m，倾斜角度为40°，节理①长0．33m，节理②长0．45 m，节理③长0．16m，节理④长0．31m，节理⑤长0．19m；其中①③、①④、②④和②⑤之间岩桥的长度皆为0．08m，节理③顶端距坡面的长度也为0．08 m。制作完成后的模型如图2所示。

图2 试验模型Fig．2 Experimental model．

2 试验设备及实验过程

本次物理试验的设备包括振动台设备和量测设备。振动台设备主要分为台面基座、振动弹簧、激震电动机、模型箱、调频箱和起降装置。台面基座为钢结构，四个脚均设有升降螺杆可调节振动台的高度；振动弹簧共4个，位于基座横梁上支撑上部模型箱，最大载重2t；激震电动机采用MVE系列振动源三相异步电动机（OL1－WOLONG），激振力调整范围0～13 000k，其频率通过调频控制箱进行调节，调频范围0．5～50Hz；模型箱尺寸为3m×0．85 m，自重0．2t。可进行二维振动输入，水平方向允许最大振幅15mm，竖向允许最大位移10mm；在允许最大承重情况下水平X方向可以输入最大加速度0．8g，竖直Y方向可以输入最大加速度0．6 g。量测设备主要包括测振仪、地震传感器、应变片和应变仪等，其中应变片布置两排，Ⅰ号贴有应变片的蛇尺通过节理，Ⅱ号贴有应变片的蛇尺布置在节理之间，具体布置如图2。

模型制作完备以后，通过激震电动机对模型进行激震，激震的同时利用测振仪进行地震波记录；同时打开应变仪，对应变片的应变情况进行记录。

3 试验结果及分析

3．1 输入地震波

地震动输入是抗震设计中最大的不确定性，合理选择用来分析的地震波是至关重要的。汶川县地震基本烈度为Ⅷ度，设计基本水平地震加速度为0．2 g，地震动反应谱特征周期为0．35s。我们据此来设定输入模型的地震波，通过测振仪记录，经过基准校正和滤波处理，得到最终地震波如图3所示。地震波加速度记录时间间隔为0．01s，记录时间为20s。其中水平向加速度峰值为1．93m／s2（≈0．2g＝1．96m／s2），竖向地震波加速度峰值为－1．21m／s2。

通过记录的地震波可以看出，在激震电机的持续激震下，地震波振幅在较短的时间内迅速达到较大值，并在以后的震动中振幅变化较小。相对于自然地震波，激震电动机形成的地震波在达到峰值加速度后，由于激震的持续作用使地震波的振幅衰减较小。在电动机停止激震后，振动台也能以较快的速度达到静力平衡。虽然由激震电动机输入的地震波与自然地震波有些许不同，但由于较小振幅段地震波对斜坡稳定性的影响较小，而对于主要时间段（振幅较大段）对坡体稳定性的影响较大，从这方面来说，两者是具有相同特征的。

图3 输入地震波Fig．3 Input seismic wave．

3．2 应变记录分析

应变是通过应变仪记录，去除其中的奇异点得到的。图4为时间－应变曲线（其中Ⅰ号和Ⅱ号应变蛇尺上应变片的各自号码排序都是从模型自上向下算起的）。

由图4（a）的Ⅰ号时间－应变曲线可以看出，在地震波输入初期各点的应变极小，后随着地震波的不断输入应变逐渐累积变大，而且各点的增大程度不同。其中点Ⅰ－1的应变最大，最大值达到4．92e－2；点Ⅰ－3的应变次之；其次各点应变最大值从大到小依次为点Ⅰ－5，Ⅰ－2，Ⅰ－4。通过分析穿越节理的Ⅰ号蛇尺上的应变，可以总结出这样的规律：模型上部的应变大于底部的应变，节理上的应变大于节理间岩土的应变。

图4 时间－应变曲线Fig．4 Time－strain curves．

由图4（b）的Ⅱ号时间－应变曲线可以看出，在地震波输入初期各点的应变较小，后随着地震波的不断输入其应变逐渐累积增大。其中点Ⅱ－2的应变最大，最大值为5．20e－2；其次各点的应变最大值从大到小依次为点Ⅱ－4，Ⅱ－1，Ⅱ－3，Ⅱ－5。通过分析未穿越节理的Ⅱ号蛇尺上的应变，我们可以得到：模型上部的应变大于底部的应变，①、②节理顶端的应变大于其它部位的应变，相对于Ⅰ号上的应变Ⅱ号较大。

对于Ⅰ号应变蛇尺上的应变情况，节理上的应变大于节理间岩体的应变，这是因为在地震动的作用下，由此引起斜坡岩体中的拉剪应力和震动惯性力共同作用，节理间的变形大于岩体的变形造成的。当应力波从相对坚硬的岩体传入较软弱的岩层中时，将产生反射波（即拉伸波），在界面处产生拉应力；而水平地震波产生反射时，不仅会产生拉应力同时还产生较强的剪切作用。模型上部的变形大于底部岩体，是因为地震加速度会随坡高的增加（即放大效应）［10－13］造成的，上部惯性力大于下部惯性力，同样使模型上部的岩体变形大于底部岩体的变形。

对于Ⅱ号应变蛇尺上的应变情况，①、②节理顶端的应变大于其它部位的应变，这是因为在节理面的变形扩展延伸，挤压节理顶端的岩体而造成的。节理顶端作为节理面的扩展延伸点，无论方向如何，这个部位较之其他部位都将首先发生破坏。

模型内部节理是整体的薄弱环节，因此在地震动作用下节理面上的应变将率先增大，进而扩展至节理顶端、岩体。从图4可以看出，点Ⅱ－2的应变值是所有点的应变值中最大的值，在地震荷载的作用下此点将首先达到塑性应变极限，发生破坏；而在所有应变值中Ⅰ－1和Ⅰ－3的值略小于点Ⅱ－2的值，因此当斜坡破坏时，节理面将在Ⅱ－2与Ⅰ－1或Ⅱ－2与Ⅰ－3之间贯通。

4 斜坡模型变形破坏机理分析

相对于静力条件下斜坡破坏的标志，地震作用下由于荷载随时间的变化，位移也将随时间发生变化［9］，因此单凭某一时刻位移的突变是不能判断斜坡的；而塑性应变的贯通作为斜坡整体失稳的标志在动力分析中仍是适用的。对于非贯通节理岩体斜坡的破坏是以节理的贯通、岩桥的破坏为标志的［14］。在本次地震模型试验中，通过挖开的模型坡面图可以清楚地看到节理的贯通情况（图5）。

图5 模型中节理的贯通Fig．5 The coalescence of joints in the model．

在节理倾斜角度一定的情况下，岩桥的长短是影响节理贯通的最大因素；而在岩桥长度相同时，破坏总是发生在岩土体抗剪（张拉）强度不能承受其剪切（张拉）应力的地带。在本模型的节理组合下，各节理之间的岩桥均设置为0．08m，在节理①③和①④之间岩桥长度相同的情况下，节理③顶端贯通模型表面发生破坏；而在①④节理和②④之间岩桥长度相同的情况下，①④节理贯通破坏。由应变记录的分析可知，在模型节理的贯通破坏处都产生了较大的应变，在节理③顶端对应的应变记录为Ⅰ－1处的4．92e－2；而在①④节理之间对应的应变记录分布为Ⅱ－2处的5．20e－2和Ⅰ－3处的3．79e－2。当应变足够大时，塑性应变达到极限，岩体破坏，从而使节理之间贯通形成破坏面。

文献［15］指出在地震荷载作用下，节理有可能处于拉剪应力状态，或压剪应力状态；岩体动力破坏是一系列具灾变性的节理系统演化和发展过程和结果，其复杂性和不均匀性远大于静力作用时的情况。岩体在受到水平和竖向地震动作用时的破裂机制和应力强度因子在结构面倾角一定时取决于水平和竖向地震系数组合。模型在初始接触到地震动时，特别是第一个加速度组合方向垂直节理面、方向指向坡体表面时，模型将与初动方向相同一侧受拉，剪应力斜向坡上，造成坡体的松动变形，形成初始破坏。此后在地震波的持续作用下，尤其是水平向地震波造成模型体左右晃动，其作用效果使坡体应力方向随时发生改变，甚至相反。斜坡表部表现更为强烈，一旦达到其破坏强度将迅速破坏。

对于节理①顶端的裂隙形成，节理顶端形成了两条裂隙，一条是沿节理产状，主要是剪应力造成的；另一条是竖直方向，主要是拉应力造成的。最终是沿着竖向裂隙贯通到了模型表面。这是因为在地震波作用下，一般坡顶裂缝为拉应力产生，向下（坡体内部）裂缝逐渐变小消失（这与笔者在汶川地震中的现场考察结果是相一致的），进而作用力转化为以剪应力为主。对于①④节理之间的贯通，亦是拉剪应力共同作用的结果，但相对于浅表层，剪应力的作用大于拉应力的作用。通过应变监测可知，节理顶端是应变较大的地方，当达到塑性应变极限时，节理沿着这些端点进一步破坏延伸。但由于拉应力的作用，使得破坏面并非全与剪切方向平行，而是沿着合力最大的方向，最终破坏面为一不规则的曲线，如图5。

模型在地震作用下使得部分节理贯通，但在地震停止后，斜坡整体并未发生破坏。地震作用进一步破坏了斜坡整体性，进而降低斜坡稳定性。由于先前的地震作用而使斜体内部节理贯通使斜坡处于临界状态，此后雨水的入渗将降低斜坡的力学参数，在一定程度时发生失稳破坏；另一种情况是在地震过后，余震的侵袭也有可能导致斜坡的失稳破坏；另外在遭遇人为因素，例如开挖时也有可能导致斜坡的失稳破坏。在本次试验中，当对模型第二次进行激震（将激震电动机频率调小以模拟余震）时，模型沿节理贯通区发生了破坏（图6）。