强震条件下巨型滑坡滑带碎裂机制物理模拟研究

马艳波(四川省地质工程勘察院集团有限公司， 四川 成都 610072)

0 引 言

大光包滑坡因汶川地震致滑，因其破坏强、规模大、变形独特和机理复杂，备受世人关注，它是我国目前已知的危害最广、破坏最强、规模最大的滑坡体[1].为了加深对大光包滑坡的认识和研究，本研究从分析滑带和滑床岩体的损伤特征方面着手，结合振动模拟试验演示地震中岩体损伤过程，对强震巨型滑坡滑带碎裂机制进行了理论分析和试验印证，深化了对大光包滑坡成因机理的认识.

1 工程地质条件概况

作为研究对象的大光包滑坡，位于四川省绵阳市安县高川乡泉水村北偏西侧5 km，估算体积约为7.5×108m3[2].相关调查表明，该滑坡区域为高山深切峡谷地貌，地势东南低而平缓，西北高而陡峻，群山起伏，沟谷发育.该区地层滑带岩体由白云岩夹磷矿石组成，滑床为块状及葡萄状富藻白云岩.区域构造为龙门山构造带前陆逆冲推覆体与中央冲断推覆体结合处，龙门山前陆逆冲推覆体中NE向延伸的大水闸背斜从大光包滑坡穿过，具逆冲—推覆滑脱—走滑组合特点，主要为脆性兼有韧性.近场区地震动具历时渐小、较高峰值和长历时的速度脉冲特征，地震波垂直振动随距离增加衰减快，水平沿断层影响范围大.相关研究证实，汶川地震是龙门山构造带上的中央断裂和前山断裂共同错动造成的，是一次以逆冲为主，具少量右旋走滑分量的地震[3].

2 滑带碎裂特征

2.1 滑带岩体结构特征

研究表明，大光包滑坡滑带岩体具有组分复杂、风化差异程度高、节理裂隙极端发育和完整性差的特殊组合特征(见图1)[1].现场勘探发现， 岩体的结构特征受构造、风化共同作用，先期构造运动使岩体内部产生原生裂隙，后经风化作用改造，岩体发育众多原生和次生裂隙，具体如图2所示.

图1 滑坡残留滑带全貌图

通过滑床面裂隙素描和探槽开挖查明，该滑床岩体裂隙节理闭合无填充，具体如图3所示.

由图3可知，滑床面节理发育虽略有差异，但规律特征明显，发育三组优势节理，主要是构造运动产生，组合切割控制着岩体结构特征.岩体结构面组合特征详见图4.

图4 岩体结构面组合特征

图4表明，岩体结构面空间组合切割控制岩体，弱化了岩体性质，为岩体缺陷发展创造了先决条件和物质基础.

2.2 滑带岩体碎裂特征

本研究通过在典型滑带剖面处开挖探槽取样进行颗粒分析，查明了各个粒组占比数量，从而分析滑带岩体碎裂化程度，结果如图5所示.

(a)1#剖面处滑带不同深度岩样颗分曲线

图5 滑带不同深度岩样颗分试验曲线

由图5可知，研究区域滑带碎裂化成角砾和砂土，颗粒上部较下部细.

同时，进一步通过钻探、槽探编录、颗粒分析和孔内探视发现，滑床岩体浅表层存在不同程度的碎裂损伤，但整体上岩体质量随埋深渐好.可见，岩体破碎特征与岩体风化程度、岩体结构特征和地震荷载关系密切.本研究中，勘探手段相互印证，结果一致.

3 滑带碎裂因素及成因机制分析

3.1 滑带碎裂因素分析

滑带岩体损伤碎裂化是内因和外因共同作用的结果.内因起主控作用，是岩体发生损伤碎裂化的先决条件和物质基础；外因是启动因素，通过内因发挥作用.本研究认为，导致滑带损伤碎裂化的内因主要含有地形地貌、地层岩性、地质构造和岩体结构特征等，外因有地震荷载、降雨、风化作用及采矿活动等.

3.2 滑带碎裂成因机制分析

内外因共同作用导致滑带岩体损伤碎裂化.地震波是一种具有冲击压剪作用的复杂的应力波，为最主要的外在诱因，其在岩体中的传播过程非常复杂.可以认为，地震是产生滑坡和滑带岩体损伤碎裂化的导火索和“元凶”[1].同时，大光包滑坡岩体受风化和构造作用，发育了众多软弱带或裂隙等缺陷部位，地震波在经过这些部位时会发生反射、透射和衍射现象，发生复杂的动应力分异[4]，使自由表面或裂纹尖端产生附加应力集中，随着震动能量作用正比例变化，张拉裂纹，当剪切应力超越岩体强度承受极限时，能量释放，就会引起裂纹的扩展、穿晶、贯通，最后破裂成宏观破裂面，劣化岩体质量，破坏其完整性和降低其力学性质.

4 振动台物理模拟试验研究

4.1 振动台模型试验设计思路

本研究在试验中，利用相似原理，滑体采用浇筑的混凝土，提供重力荷载，滑带岩体采用模拟材料配比制成，为受荷载冲击作用的一方，振动台上施加竖向振动，模拟地震荷载，利用概化的模型演示地震对岩体损伤的作用过程.

4.2 振动台模型试验原理

试验采用的振动台是成都理工大学研发的，具有液压施加初始位移、液压锁紧、瞬间释放型弹簧式二维振动机、电、液一体化试验台.振动台模型试验原理采用相似理论及量纲分析法[5]，相似常数见表1.

表1 试验物理量相似关系[1]

4.3 模型制备与试验方案

4.3.1 模型制备配比.

在试验中，通过与模型相似材料比选及特性研究，最终确定上覆岩体混凝土强度等级为C30，配比为水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.25∶2.91∶0.43；下覆滑带岩体相似材料的配比方案为重晶石粉∶石膏∶石英砂∶水=75∶1.1∶25∶12.2.具体测试参数见表2.

表2 测试参数数据表[1]

4.3.2 试验方案选定.

综合考虑设备条件、试验目的和要求，本试验下部滑床岩体利用模拟材料制作成有侧限和无侧限两种.主要模拟地震荷载竖向振动冲击波对滑带岩体的损伤裂化，模拟试块表层做成水平，并在制成的模拟材料表层、中部和深部分别预埋应力计用以监测应力动态变化过程，养护7 d备用.模型制作安装如图6所示.

图6 模型安装完备图

综合考虑地震特点、设备条件、试验目的和加载方式，选定振动试验模拟参数如表3所示.

表3 振动台模拟试验方案[1]

4.4 试验结果与分析

4.4.1 岩体损伤动力响应.

试验的加速度时程曲线如图7所示.模拟的振动波似正弦曲线，加速度随加载时程递减，振动持续时间和垂向峰值加速度同原型初始条件相当.

图7 模拟加速度时程曲线

本研究共做了5组平行的物理模拟试验.试验范围包括侧限和无侧限、滑带材料密实度和硬脆性、边界条件和滑带厚度等.其中，侧限，第一组振动有侧限，其余四组无侧限；密实度，一二三组递减；第四、五组试验模拟材料制作硬脆的夹层，两者厚度和石膏含量有所不同.

本研究均以第五组试验(无侧限、硬脆)为例进行分析，其垂向振动各测点应力时程曲线如图8所示.

模拟振动过程中，不同点位上应力时程曲线有所不同，应力变化随振动能量向下传播呈递减趋势，应变和岩体内部损伤情况可由应力变化间接反映，监测应力变化，可揭示损伤碎裂机制.

4.4.2 岩体损伤特性分析.

通过模拟试验发现，滑带模拟材料上发育程度不同的裂纹，出现碎裂.追踪主裂纹和细裂纹以及应力变化过程发现，岩体中先形成众多的大小各异的主裂纹，而后随荷载作用，主裂纹继续发展，形态由直线到齿状或台阶状，贯通连接成网状、辐射状拓展或延伸，形态随振动能量衰减渐变曲折生成大量细裂纹，直至尖灭.滑带损伤特征如图9所示.

4.4.3 岩体损伤机理分析.

本研究用来模拟地震竖向加速度压剪作用的冲击荷载由振动试验平台提供.其中模型在加工过程中不可避免存在缺陷，与自然情况较为吻合.振动将产生振动机械波，冲击压缩作用会集中于微裂纹发育的地方，产生界面动应力效应，拉张、 剪切使岩体发生不同程度的损伤劣化，试验中观察到的表层碎裂、裂纹发育扩展即为验证.此外，滑带软弱层的阻尼效应，吸附能量的振动波在硬质界面之间的夹层内来回高频冲击，使岩体产生累进性损伤.

图8 试验五垂向振动各测点应力时程曲线

试验结果表明，滑带岩体损伤碎裂化实际就是在地震荷载作用下，岩体内部微裂纹或缺陷动态演化的累进过程[1].

5 结 论

本研究分析了地震致滑带岩体碎裂机制，通过现场调查查明滑带岩体碎裂特征后，按相似原理利用室内模拟展示了振动台物理模拟试验，再现了地震荷载下岩体损伤过程.野外调查和室内模拟相互佐证， 加深了对地震致滑带岩体损伤碎裂化的成因机制的认识，达到了预定目标.本研究认为，野外调查和室内物理模拟对分析损伤碎裂化机理提供了强而有力的支撑.此也表明，物理模拟试验相比单一的理论分析更为有效.

图9 试验五滑带损伤特征