滑坡对不同特性地震波的动力响应规律

赵 金，吴红刚 ，杨 涛

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 中国中铁滑坡工程实验室，甘肃 兰州 730000；3.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；4. 西部环境岩土及场地修复技术工程实验室，甘肃 兰州 730000；5.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

我国是大陆地震最集中、活动性最高的地区之一，而多山地、多地震的地理地质条件不可避免带来了大量和地震作用相关的边坡问题。同时地震边坡的研究是边坡工程和地震工程研究的重要内容，而边坡在地震作用下的动力响应规律则是研究的核心。滑坡的地震动力响应分析主要探究地震加速度峰值在坡体内的放大系数发展规律，以及震后滑坡残余变形特征，前者为滑坡动力稳定性分析提供基础，后者为滑坡动力失稳机理分析提供依据[1-3]。

对于边坡在地震作用下的动力响应规律，国内外学者做了大量研究。CELEBI等[4]提出地震波具有明显的地形放大效应。刘洪兵等[5]进行国内外相关文献总结时，提出了相同的认识，认为地形放大效应与方向效应关系密切。张江伟等[6]建立了二维均质边坡有限元模型，模拟计算了其在地震作用下的动力响应得出在坡顶和坡面处，与输入地震动加速度时程比较，输出加速度峰值出现的时刻有滞后现象。邹烨等[7]从三维均质边坡出发,给出了一种将矢量和法与动力有限元法相结合的三维边坡动力稳定性分析方法，并给出其具体计算过程，最后将该方法运用到大型堆积体边坡的动力稳定性分析中。HUTCHINSON[8]基于现场滑坡模型试验以及室内试验，提出了导致土质液化形成滑坡的认识。陈臻林等[9]通过数值模拟研究了地震波作用下含反倾软弱夹层岩质边坡动力响应规律。

上述学者在滑坡动力失稳机理研究方面较多，对滑坡动力稳定性研究较少，尤其是地震波特性对滑坡动力响应规律的影响研究更少。因此，本文以玉树机场路滑坡群0#滑坡第七条块为原型，运用有限元分析软件FLAC3D建立数值分析模型，研究正弦波、玉树水平波、玉树竖向波的加速度放大系数在坡体内的发展规律，为地震作用下滑坡稳定性分析提供借鉴。

1 工程概况

青海玉树机场路滑坡群0#滑坡坡面坡度20°，距离线路中心约212 m，高程在3 776 m附近为滑坡体后缘，其地形较缓。滑坡右侧发育有流向为NE14°的“U”型沟，沟宽26 m。第七块滑坡滑动方向NE46°，主滑段倾角约18°～19°，沿线路宽133 m，垂直线路长度166 m，滑体体积3.82×105m3，滑坡分为三级。堆积层主要由角砾土、碎石土以及黏土构成。由于0#第七条堆积层滑坡坡体结构及构成相近，简化为二维模型(图1)。

图1 0#滑坡第七条滑坡平面图Fig.1 Plan view of the seventh landslide of 0# landslide group

0#滑坡第七条块的地球物理特性如图2所示，其滑坡介质电阻率分布较均匀且物性层位清楚，能够反映边坡内部情况及滑坡发育情况。两剖面有非常好的对应关系，表层局部阻值较高，而中层较低且形成连续的闭合低阻闭合圈，为低阻软弱含水层或过湿带，后部高阻区为基岩。

图2 滑坡物探纵断面图Fig.2 Longitudinal section of physical detection on the landslide

2 计算模型建立

以青海玉树机场路滑坡群0#滑坡断面为对象，利用FLAC3D软件建立模型，工程地质断面如图3所示。该滑坡为多滑面堆积层典型坡体结构，根据计算需要，数值模型共离散为2 407个单元和5 106个节点(图4)。计算时，模型顶部自由，左、右边界施加吸收边界条件，以减小地震波的反射，底部施加水平地震加速度时程，以模拟地震荷载影响。

图3 0#滑坡第七条滑坡断面图Fig.3 Cross-sectional view of the seventh landslide of 0# landslide group

图4 滑坡数值计算模型Fig.4 Numerical calculation model of the landslide

3 模型设计参数

3.1 材料参数

滑带抗剪强度参数黏聚力取30 kPa，内摩擦角取20°，动力作用结束后的残余强度参数中黏聚力为15 kPa，内摩擦角18°。其余各计算参数如表1所示。

表1 计算参数Table 1 The calculation parameters

3.2 地震荷载参数

为了说明不同地震波特性对边坡的地震反应规律，选用正弦波、玉树水平波、玉树竖向波来进行模拟分析。其中正弦波固定频率为2 Hz，峰值取不同值，分别为0.05g、0.1g、0.2g、0.4g。

玉树地震中记录到大量的强震动加速度时程曲线。其中，飞机场布设有强震观测台站，距离结古镇约 19 km。机场路滑坡的临空面指向 E，故本文选用EW向地震波作为玉树水平波的动力输入，EW向地震波如图 5(a)所示。玉树飞机场强震记录历时较长，而对滑坡稳定性影响最为明显的是30～40 s间的地震荷载，从中截取加速度时程曲线如图5所示。

图5 玉树机场地震波时程曲线(30～40 s)Fig.5 Seismic wave time history curve of Yushu Airport (30～40 s)

4 计算结果及分析

为便于比较峰值加速度放大系数在竖向上的变化，在计算域内指定了三条参考线(图6)，分别标示滑体前部(F)、滑体中后部(M)和滑体后部(R)。为了消除模型边界(尤其是底部边界)对计算结果的影响，计算结果(峰值加速度放大系数)分析中，计算域各量均是相对于参考点(RP)的成果，其中，放大系数是计算域各点峰值与参考点峰值的比值。

图6 参考线位置Fig.6 Reference line position

4.1 输入正弦波的影响

输入的正弦波峰值加速度分别为0.05g，0.1g，0.2g，0.4g，通过比较计算结果(图7)，可以得出加速度放大系数随高度增加而增大，最大值出现在坡顶后缘。峰值加速度为0.05g时，滑块加速度放大系数分布与滑床相同。峰值加速度为0.1g、0.2g和0.4g时，滑床上加速度放大系数发生无规律的变化，变化速率随正弦波峰值加速度增加而增大。

图7 正弦波作用下加速度放大系数曲线Fig.7 The acceleration magnification coefficient curve under the action of sine wave

从图7中数据所示的参考线峰值加速度放大系数来看，滑坡地震响应的特点：(1)加速度放大系数在滑床内基本呈线性增大，但在滑面处有明显间断。显示出滑带对加速度具有强烈的影响，其强度较低，滑带出现塑性屈服后，加速度峰值不能有效的传播到滑体内。(2)当加速度峰值较小时，滑带的影响不明显。放大系数随高度基本呈线性增大。随加速度峰值逐渐增大，滑带的滤波作用越来越明显。当峰值加速度达到0.4g时，甚至出现了滑体内放大系数小于滑带的现象。(3)从空间上来看，滑带的滤波作用不是同时发挥出来的。就本滑坡而言，滑体前部首先出现塑性屈服，滤波作用显现。如图7(a)可见。

4.2 输入玉树水平波的影响

玉树水平波峰值加速度输入值分别为0.05g，0.1g，0.2g，0.3g，0.4g。通过图8计算结果的比较，得出加速度放大系数最小值为0.6左右，出现在坡顶下方距底面1/3滑床高处，向四周辐射增加。对于滑块，当峰值加速度为0.05g，滑块并未完全破坏，放大系数随高度增加而增大。随着峰值加速度的增加，滑块放大系数变化剧烈，分布无规律。而整个坡体在此过程中，放大系数在0.8～1.2的区域不断扩大，峰值加速度达到0.4g时，已有4/5的土体的放大系数处于这一区域。

图8 玉树水平波作用下加速度放大系数曲线Fig.8 The acceleration magnification coefficient curve under the action of Yushu horizontal seismic wave

从图8中数据来看，玉树水平地震波对加速度放大系数的影响规律与正弦波基本类似。加速度放大系数在滑床内呈线性增大，但在滑面处间断，说明滑带对加速度具有强烈的影响。当加速度峰值较小时，滑带对加速度的影响较弱，随着加速度峰值的增大，滑带的滤波作用越来越显著。当峰值加速度达到0.3g及以上时，甚至出现了滑体内放大系数小于滑带的现象。

4.3 输入玉树竖向波的影响

输入的地震动竖向波峰值加速度分别为0.1g，0.2g，0.3g，0.4g。在边坡滑块没有发生较大塑性变形以致滑移破坏时，即加速度峰值为0.1g工况，在垂直方向上，加速度放大系数表现出随着高度的增加而增大的变化趋势；在水平方向上，当峰值加速度为0.1g时，加速度等值线向内倾斜，即相同高程距离坡面越近，放大系数越小；当峰值加速度为0.2g，0.3g和0.4g时，滑块发生较大塑性变形，有整体滑移的倾向，加速度放大系数由0.6逐渐减小到0.4(图9)。

图9 玉树竖向波加速度放大系数曲线Fig.9 The acceleration magnification coefficient curve of the reference line under the action of Yushu vertical seismic wave

从图9中数据所示的参考线峰值加速度放大系数来看，相较于输入水平地震动，竖向地震动在坡体内引起的水平地震峰值加速度放大系数规律不太明显：(1)当加速度峰值较小时(0.1g)，计算域内引起的水平加速度较为稳定，随高度放大系数有一定增大。(2)当竖向加速度峰值较大时，水平加速度峰值变化规律性不强，放大系数较小(一般小于0.5)。(3)竖向加速度所引起的水平加速度变化，仍需要进一步研究。

5 结 论

通过对玉树机场路滑坡群0#滑坡第七条块坡体在正弦波、玉树水平波、玉树竖向波的不同加速度峰值条件下边坡的地震反应特性研究，得出如下结论：

(1)加速度放大系数在滑床内基本呈线性增大，但在滑面处有明显间断。

(2)在正弦波、玉树水平波不同加速度峰值条件下滑带对加速度的影响规律一致。当加速度峰值较小时，滑带对加速度的影响较弱，随着加速度峰值的增大，滑带的滤波作用越来越显著。

(3)相较于输入水平地震动，竖向地震动在坡体内引起的水平地震峰值加速度放大系数规律不太明显，仍需要进一步研究。