地震作用下含反倾软弱夹层斜坡的动力变形破坏特征研究

杨 峥，许 强，刘汉香，王 龙

（1．成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2．四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都 610017）

我国地域辽阔，山地、丘陵分布广泛，特殊的地质环境造就了大量的自然斜坡。同时，我国又是个地震频发的国家，地震是诱发斜坡失稳破坏的主要因素之一，近年来发生的多次强烈地震，在山区和丘陵地带造成了大量的崩塌、滑坡等次生灾害。如2008年汶川地震造成的次生地质灾害损失约占整个地震损失的三分之一［1－4］。因此地震动作用下斜坡的稳定性研究显得极为重要。近年来，地震模拟振动台试验逐渐被应用于斜坡的动力稳定性研究，包括斜坡在地震作用下的动力响应规律和变形破坏机制，并取得了一定成果。翟阳等［5］在模型试验的基础上对土坝的稳定性问题作了初步探讨，Hong等［6］对土钉支护边坡的动力稳定性问题做了详细的研究，祁生文等［7］通过大量动力数值分析研究斜坡的动力响应规律，梁庆国等［8］利用物理模拟试验，研究了层状岩体斜坡在强地震动作用下的变形破坏问题，Debabrata等［9］对三种坡度（30°，35°，40°）的路堤边坡的动力响应特性做了对比研究，董金玉等［10－11］研究了顺层和反倾层状结构的岩质斜坡的动力响应特性，许强等［12］对水平层状上硬下软和上软下硬两种岩性组合的岩质斜坡做了大型振动台试验研究，杨长卫等［13］提出SV波作用下岩质斜坡地震稳定性的时频分析方法，并通过振动台试验和数值分析进行验证。但是，由于岩质斜坡的岩体结构和动力问题的复杂性，利用大型振动台试验对岩质斜坡的动力问题的研究还需要不断的发展和完善［10］。

现有资料缺乏对含软弱夹层斜坡的动力变形破坏特征和动力响应的研究，因此很难揭示软弱夹层在斜坡震动过程中的作用。本文依托国家重点基础研究发展计划（973计划），设计并完成了含不同厚度软弱夹层斜坡的大型振动台模型试验，并对斜坡的变形破坏特征和模式进行了分析。

1 振动台模型试验概况

本试验在中国核动力研究设计院二所核级抗震实验室的三轴向六自由度大型地震模拟振动台上进行。振动台台面尺寸为6 m×6 m，最大负载60 t，满负载时水平向最大加速度1 g，垂直向最大加速度0．8 g，水平向最大位移±150 mm，垂直向最大位移±100 mm，频率范围0．1～80 Hz，3向6自由度加载。

1.1 试验模型设计与监测点布置

影响斜坡动力响应特性的因素多而复杂，其中包括坡体结构、地形地貌、岩性特征及外荷载条件等［14］。在本次试验以前，笔者已经针对岩性、硬性结构面和高程的影响进行了多次振动台模型试验研究，并获得了一定的认识［15－16］。为了进一步探讨软弱夹层对斜坡地震动力响应特性的影响，本次试验以含有一定厚度软弱夹层的岩质斜坡为模拟对象，为了突出软弱夹层的作用，软弱夹层两侧岩体的岩性相同，且不再考虑任何结构面。如图1和2所示，夹层的倾角为20°，倾向坡内，考虑了两种厚度，分别为3 cm和15 cm。每个模型高180 cm，坡顶宽57．6 cm，厚150 cm，两模型相对布置成“U”型，坡度为60°。模型箱两侧连接厚度为20 cm的聚乙烯泡沫板作为减震层以降低模型箱前后壁刚性边界对模型变形的干扰。在基本满足相似律条件下，软岩采用的相似材料质量配比为重晶石粉：石英砂：石膏粉：精甘油：水 ＝32∶56∶6∶1∶7；软弱夹层采用的相似材料质量配比为石英砂：成都（东郊）粘土：水＝20∶66∶14。模型分层堆筑并夯实，考虑到土体的重塑作用，模型在堆筑完成一段时间后再进行振动台试验。相似材料的物理力学参数如表1所示。

表1 相似材料物理力学参数Tab．1 Physico-mechanical parameters of similar materials

图1 斜坡模型Fig．1 Model slopes

本试验采用的传感器包括压电式加速度传感器、微型电阻应变式土压力计、LVDT拉杆式位移传感器。在每个模型坡面的上部、中部和底部，分别布置了3个土压力计和3个位移传感器。加速度传感器在坡面和坡体内部都有布置。每侧斜坡的坡面上从坡脚至坡顶布置5个测点，与土压力计和位移计一起，用于观测地形放大效应。特别地，紧邻软弱夹层的上下部位分别布置有2个测点，测点距夹层上下面的垂直距离为4 cm，用于验证地震波经过软弱夹层时的反射和透射效应。在模型箱和振动台上各布置一个加速度测点，分别用于观测箱体和振动台的运动特征。模型总共布置加速度传感器24个，布置方案详见图2。

图2 斜坡模型及监测布置方案（单位：cm）Fig．2 Slope model and layout of monitoring scheme（unit：cm）

1.2 地震波输入方案

本试验输入的地震波以正弦波为主，主要输入不同加速度幅值（0．1 g，0．2 g，…，0．8 g）、不同频率（5，10，15 Hz）、不同激振方向（Z向，X向）的正弦波。在试验开始阶段和以后的不同阶段均有输入白噪声进行扫描，用以测试模型的初始动力特性以及地震波输入后的动力特性变化。除了正弦波，本试验还将两种天然波按相似比压缩4倍后作为试验输入波进行对比验证，包括卧龙地震台实测的“5．12”汶川地震波（Δt＝0．005 s，持时 108 s）和1995年日本 kobe地震波（Δt＝0．02 s，持时40 s）。为了模拟自然状态下的地震波作用，对汶川波同时施加了X和Z向的合成激振。试验首先加载峰值为0．1 g的天然波，然后每次的峰值加速度以0．1 g为梯度向上递增，并依次施加不同类型和激振方向的地震波。每一种工况施加完成后对模型的变形和破坏现象进行观测和记录，然后再进行下一种工况。在试验的最后阶段，施加较大振幅的正弦波，以观察模型的动力破坏过程，试验全程用摄像机进行记录。

2 含软弱夹层斜坡模型的变形破坏特征

2.1 地震动作用下斜坡变形破坏影响因素分析

在试验加载过程中通过对斜坡模型进行摄像、拍照、现场手绘和测量，记录了斜坡模型振动破坏的全过程。分析结果表明，斜坡模型的变形发展过程受到输入波类型、激振方向、振动强度和软弱夹层厚度的影响。① 在激振方向和振动强度相同的条件下，正弦波比天然地震波对斜坡模型的影响更明显。汶川波振动强度达到1．0 g时对斜坡模型的影响只是对原有变形的加强和扩展，并无较多新的变形和大范围的溃屈产生，它对斜坡模型的影响小于振动强度为0．5 g的正弦波；② 在波形和振动强度相同的条件下，不同的激振方向对模型的影响程度不同。在斜坡模型的变形破坏过程中，X向的地震波使坡体中上部产生剪切变形，形成剪切裂缝，并且在坡顶形成竖向拉裂缝，而Z向的地震波主要使坡体内已经形成的剪切和张拉裂缝在宽度和深度上进一步扩展。可以说，X向是造成模型变形破坏的最主要因素，Z向主要是对已经形成的变形进一步加剧和扩展；③ 在波形和激振方向相同的条件下，斜坡模型的变形程度随振动强度的增强而增强。含薄层软弱夹层的斜坡模型在输入的X向正弦波振动强度达到0．4 g时，坡面中上部出现大致平行的1＃和2＃裂缝（图3（a）），随振动强度的增大，这两条裂缝不断加长加深，逐渐贯穿坡面（图3（b、c））。同样，含厚层软弱夹层的斜坡模型在输入X向正弦波的振动强度达到0．5 g时，坡体开始出现明显变形现象，在模型的坡面产生3＃和4＃裂缝（图3（d）），随着强度增加坡面裂缝逐渐扩展，并贯通坡面（图3（e））。左、右斜坡模型，在坡面裂缝部位先发生掉块和局部垮塌，随着振动强度的不断加大，裂缝部位发生带状垮塌并逐渐向坡体内部掏空，最终造成裂缝影响范围内坡体呈散体垮塌破坏（图3（f））；④ 在波形、激振方向和振动强度相同的条件下，不同的坡体结构，变形的程度也有明显的差别。根据试验记录，当正弦波X向的振动强度达到0．4 g时，含薄层软弱夹层的斜坡模型开始出现明显变形现象，当正弦波X向的振动强度达到0．5 g时，含厚层软弱夹层的斜坡模型才开始出现明显变形现象，由此看出含厚层夹层的斜坡模型开始出现明显变形所需的振动强度高于含薄层夹层的斜坡模型。

图3 斜坡动力破坏照片Fig．3 Photos of slope dynamic failure

2.2 含软弱夹层斜坡模型的变形破坏特征及分析

2．1节对斜坡模型在振动过程中的变形破坏影响因素做了详细的分析，坡体中的软弱夹层作为其中一个重要影响因素，导致含不同厚度夹层的斜坡模型表现出了明显不同的变形破坏特征。图4详细给出了试验后的斜坡两侧面和坡顶的裂缝分布情况。

图4 试验前后模型变形描绘Fig．4 Sketch of deformation before and after test

图5 斜坡模型在10 Hz的X向正弦波不同激振强度作用下坡面水平向加速的响应规律Fig．5 Horizontal acceleration responses under 10 Hz and X directionsinusoid ground motions in different amplitudes

如图4（a）所示，左斜坡中的1＃、2＃裂缝是在试验过程中形成的，图中虚线仅表示在施加0．55 g振动强度的X向10 Hz的正弦波后，该裂缝在侧面的位置和形状。从图中可以看出，试验后含薄层软弱夹层的左斜坡在坡顶上形成数条平行坡肩的拉裂缝，在斜坡侧面的1＃、2＃裂缝位置处发生垮塌并形成弧状剪切裂缝，其变形破坏主要集中在2／3 H（H为坡脚到坡顶的垂直高度）以上。相比之下，图4（b）表明，试验后含厚层软弱夹层的右斜坡在坡顶没有出现明显的变形破坏。该斜坡侧面显示夹层向外挤出8 mm，并在夹层上方形成垂直夹层发展的裂缝，其变形破坏主要集中在1／2H～2／3H。从试验后含不同厚度软弱夹层的斜坡模型的侧面和顶面裂缝分布差异可以看出：在地震动作用下，软弱夹层厚度对斜坡模型的变形破坏有着重要影响。斜坡的破坏范围和破坏严重程度随软弱夹层厚度的增大而减小，发生的高度也随软弱夹层厚度的增大而降低。

当震动引起的应力波穿越软弱夹层时，由于软弱夹层倾角为20°，应力波不是垂直入射，会在岩体波阻抗分界面发生透射和反射［17－18］，产生两种方式的能量损耗。第一种是以反射波的形式损耗，软弱夹层的波阻抗与周围岩体的波阻抗差值越大，产生反射的应力波越多，能量损耗越大。第二种是透射的应力波在通过软弱夹层时发生的能量损耗，软弱夹层越厚，传播距离越长，应力波在通过夹层损耗的能量越大。正因为应力波的反射机制和软弱夹层的吸能作用，软弱夹层在震动过程中充当一个天然的屏障，它使传入其后的动应力显著削弱。然而软弱夹层厚度越大，夹层吸收的能量就越多，因此软弱夹层越易向坡面挤出，从而造成夹层上方出现垂直夹层发展的裂缝。

图5为坡面上的加速度传感器在10 Hz的X向正弦波不同激振强度（0．4 g，0．5 g，0．55 g）作用下实测到的水平加速度峰值，从图中可以看出在一定激振强度下左斜坡模型的坡面水平加速度在2／3H高度以上达到最大值，相比右斜坡模型的坡面水平加速度在1／2H～2／3H之间达到最大值，这与斜坡模型坡面处的破坏位置相同。因此斜坡在振动过程中，坡面水平加速度具有放大效应，软弱夹层厚度影响坡面水平加速度的响应规律。夹层厚度越小，水平加速度发生显著放大的坡面位置越高。坡面水平加速度的放大效应是造成坡面破坏的重要原因。

由上述分析，可以将该类斜坡的变形破坏特征归纳如下：

（1）坡面震裂裂缝是该类斜坡破坏的主要特征。斜坡模型在振动过程中，首先在坡面出现震裂裂缝。裂缝在不断持续和强度逐渐增大的振动作用下，逐渐向坡内扩展，并造成裂缝处的块体垮塌和崩落。该类裂缝出现在坡面的中上部，裂缝沿坡体走向方向，平行于坡肩，与施加的X向地震波垂直。

（2）软弱夹层具有消能、减震作用。夹层厚度越大，消能作用越强，斜坡的震害范围和程度越小。夹层厚度越大，夹层吸收的能量越多，夹层越易向坡面挤出。

（3）斜坡变形破坏集中在坡体中上部。变形破坏发生的位置与坡面水平加速度的放大效应有关。软弱夹层厚度越小，坡面水平加速度发生显著放大的坡面位置越高，斜坡坡面产生变形破坏的位置就越高。

3 斜坡模型的变形破坏模式分析

根据对试验中斜坡变形破坏发展的过程研究，可以将斜坡的变形破坏过程划分为三个阶段（如图6所示）：

图6 斜坡模型变形破坏示意图Fig．6 Deformation and failure modes of model slopes

（1）坡面中上部震裂阶段：在地震动作用下，含薄层夹层的斜坡坡面上部和含厚层夹层的斜坡坡面的中部被震裂，出现平行坡肩的裂缝。

（2）裂缝扩展、贯通阶段：随振动强度的增强，裂缝在长度和深度上发生扩展，逐渐贯通坡面。在此过程中，含薄层夹层的斜坡，在坡顶处沿斜坡走向方向形成数条竖向的拉裂缝，拉裂缝不断向下发展。

（3）条带状散体崩落、淘空阶段：在持续的水平惯性力作用下，坡体表面的裂缝影响范围内发生条带状散体垮塌，层层崩落，并不断向内部淘空。在此过程中，含厚层夹层的斜坡在软弱夹层上方形成垂直层面向上发展的裂缝。

基于以上三阶段变形过程，本试验所研究斜坡模型的变形破坏成因模式可归纳为“震裂－散体崩落”型。在试验所加载的地震波作用工况下，模型顶部仅出现少量裂缝而未崩落。可以预测，在持续的地震动作用下，斜坡模型由于中上部坡体被淘空，顶部坡体在失去支撑的条件下，可能被折断而发生坐塌破坏。该模式跟黄润秋等［3］在汶川地震斜坡成因机制分类中对溃屈型滑坡的归纳结果相似。

4 结 论

（1）地震动作用下斜坡的变形和破坏特征与地震波类型、加载方向、振动强度有关，同时还与斜坡所含软弱夹层的厚度和坡体高程等因素有关。

（2）激振方向和振动强度相同时，正弦波对斜坡的影响大于天然地震波。波型和强度相同时，Z向和X向对斜坡的影响依次增强。波型和激振方向相同时，斜坡的变形程度随振动强度的增大而逐渐增强。

（3）含反倾软弱夹层斜坡的变形破坏集中在坡体的中上部，在地震动参数相同的条件下，含薄层软弱夹层的斜坡先于含厚层软弱夹层的斜坡发生变形破坏，并且其破坏范围和破坏程度更大。

（4）软弱夹层具有消能、减震作用。夹层厚度越大，消能作用越强，斜坡的震害范围和程度越小。夹层厚度越大，夹层吸收的能量越多，夹层越易向坡面挤出。

（5）含反倾软弱夹层的斜坡在地震动作用下为“震裂－散体崩落”型破坏，坡面裂缝起主要的控制作用，并且具有沿坡面裂缝呈带状散体崩落的特点。

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