地震诱发低角度黄土-泥岩滑坡动力响应及变形分析

2021-12-09王会娟李旭东钱紫玲柴少峰郭海涛

地震工程学报 2021年6期

王会娟,王平,3,李旭东,钱紫玲,柴少峰,郭海涛

(1.中国地震局(甘肃省)黄土地震工程重点实验室,甘肃兰州 730000;2.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;3.西安理工大学岩土工程研究所,陕西西安 710048)

0 引言

斜坡变形失稳研究是滑坡灾害关注的重点课题之一。同时,西北黄土区是我国黄土覆盖面积较广的区域,并且发生在该地区的地震震级较大,次数较多,造成的地震灾害较为严重。除此之外,黄土特殊的弱胶结、大孔隙架空结构特性,使其在地震作用下更易发生滑动变形破坏。针对以上几点,国内外学者多角度多因素进行了研究。

目前针对斜坡动力响应和变形破坏的研究采用理论分析、室内物理试验和数值模拟等方法,从不同角度全面分析了斜坡在地震作用下的变形失稳规律。如王家鼎等[1-2]从地震作用下黄土解体、斜抛和粉尘化效应以及蠕动液化方面阐释黄土滑坡及液化的机理;戴福初等[3]基于土的应力应变特性,探讨滑坡的发生过程和机理;Schreve[4]提出低角度黄土滑坡的气垫效应,解释了低角度高滑速远滑程现象发生的原因;王平等[5-6]分析了滑坡在强震作用下裂隙的产生、坡面逐渐剥落以及滑坡体崩塌破坏等失稳过程,研究了斜坡滑移面的衍生机制;张泽林等[7-8]通过离心机振动台试验和数值模拟,分析黄土-泥岩边坡在不同振幅作用下的破坏特征和动力响应规律;王文沛等[9]分析了不同倾斜度斜坡在地震荷载作用下的频谱特性,验证了斜坡的卓越频率与斜坡角度无直接影响;并且斜坡的场地效应可分为地形场地效应[10-11]和地质场地效应[12],地形场地效应放大倍数一般较地质场地效应小[13];同时,软弱夹层的厚度和位置对斜坡的动力响应影响较为明显[14-15]。其中,振动台模拟试验依据相似设计和量纲分析法制作的重塑试样,在输入实际地震荷载作用下研究场地的地震动响应特性规律,是目前研究动力响应的最佳方法之一,但单纯的振动台试验存在尺寸效应和地应力失效等问题,使其结果无法真实反映实际场地,而数值模拟可真实反演场地的重力条件和尺寸,并从宏观和细观的角度分析斜坡的动力响应机制和变形破坏路径。

我国西部地区低角度黄土-泥岩滑坡分布广泛,该类斜坡既存在地形场地放大效应,也存在地质场地放大效应,在地震作用下极易发生变形失稳破坏,且其动力响应机制和变形失稳破坏分析深度不足,因此亟待开展相关研究。鉴于此,本文针对西部地区典型低角度黄土-泥岩滑坡,开展几何相似比CL=200的振动台试验,基于宏观现象和动力响应特性探讨低角度黄土-泥岩滑坡变形破坏规律,结合数值模拟分析低角度黄土-泥岩滑坡在地震作用下的动力响应,揭示其运动迁移路径,为低角度黄土-泥岩滑坡的深入研究和抗震设计提供基础。

1 黄土-泥岩滑坡振动台试验

1.1 振动台系统

试验依托中国地震局(甘肃省)黄土地震工程重点实验室的大型地震模拟振动台(图1)开展。振动台有效尺寸长×宽=4 m×6 m,可实现水平和垂直耦合双向加载和多种地震波型输入,试验失真度小于5%。根据相似设计和量纲分析法使得模型接近原场地状态,由于动力相似难以实现,本文在试验中只考虑尺寸相似和材料相似。模型以甘肃省天水市秦州区典型低角度黄土-泥岩滑坡为依据,设计实验方案,具体相关相似量纲列于表1。

图1 双向振动台Fig.1 Bidirectional shaking table

表1 物理模型试验相似比Table 1 Similarity ratio of physical model test

1.2 物理模型制作

本试验采用刚性封闭模型箱,内径尺寸为长×宽×高=2.8 m×1.4 m×1 m,长度方向安装有机玻璃板,有助于实验过程中宏观现象的观察,宽度方向为有机碳钢板,增加模型箱的强度(图2),实验过程中采用2 cm的黑海绵减小边界效应。基于实际工程地质条件对低角度黄土-泥岩滑坡进行简化处理,模型长宽高分别为2.4 m、1.4 m和1 m,具体相关尺寸见图3。

图2 刚性封闭模型箱Fig.2 Rigid closed model box

图3 低角度黄土-泥岩滑坡物理模型(单位:mm)Fig.3 Physical model of low-angle loess-mudstone landslide (Unit:mm)

滑坡物理模型材料取自研究场地,相关物理力学参数列于表2。根据材料配比相似,将黄土烘干,过筛,采用黄土、重晶石粉、粉煤灰、锯末、水模拟上覆黄土层,通过夯填方式制作。其中,重晶石粉增加试样比重,粉煤灰有助于提高试样的黏聚力,适量锯末有益于提高试样内摩擦角,根据原场地土体含水率加入适量的纯净水并搅拌均匀。下伏泥岩采用水泥、砂、铁红粉实现其强度和物质含量,采用模具制作模块,12小时脱模后静置达到预设强度,进行下伏泥岩砌筑。添加黏土、混合剂和水使其更接近真实场地。

表2 物理模型材料参数Table 2 Material parameters of physical model

输入的地震动荷载选用2013年7月22日岷县漳县地震波加速度时程(图4)。为了研究不同地震动强度荷载对低角度黄土-泥岩滑坡变形破坏规律和成灾模式的影响,输入地震荷载时,对加速度时程数据乘以相应的强度系数使其峰值分别为0.5 m/s2、1 m/s2、2 m/s2、4 m/s2、8 m/s25种工况。试验结束后,对其宏观破坏现行进行描绘,重现低角度黄土-泥岩滑坡变形破坏规律,探讨该滑坡在地震荷载作用下的成灾模式。

图4 输入地震波(水平向+垂直向)Fig.4 Input seismic wave (horizontal+vertical)

1.3 滑坡宏观变形破坏特征

当输入地震动荷载强度为0.5 m/s2时,斜坡坡面出现竖向裂纹,并且存在少量土颗粒散落下滑的现象,坡顶出现横向和竖向微纹。

当输入地震动荷载强度为1 m/s2时,斜坡坡面裂纹增多,土颗粒下滑距离增大,斜坡表面原有裂纹进一步扩张延伸,坡顶形成的拉张裂纹趋于贯通,坡肩和坡脚侧部出现微裂纹。

当输入地震动荷载强度为2 m/s2时,斜坡坡面出现横向拉张裂纹,原有裂纹在长度、宽度和深度上均增加,坡顶拉张裂纹基本贯通,坡顶、坡肩和坡脚侧部出现微裂纹,并逐渐向下延伸。

当输入地震动荷载强度为4 m/s2时,斜坡坡面原有裂纹在长度、宽度和深度上进一步扩展延伸,伴有小规模地溜土现象,土颗粒下滑增多,坡顶拉张裂纹完全贯通。

当输入地震动荷载强度为8 m/s2时,斜坡坡面产生多条拉张裂缝,位移明显增加,溜土和土颗粒下滑现象严重,坡顶拉张贯通裂纹深度增加,裂纹延伸至风化泥岩层,并形成明显的潜在滑动面。

图5 地震作用下低角度黄土-泥岩滑坡破坏特征Fig.5 Failure characteristics of low-angle loess-mudstone landslides under earthquake

综上所述,随着输入地震动强度增大,斜坡表面产生松弛拉张裂隙,土体强度降低,坡肩产生拉张裂隙,斜坡体逐渐由表层变形扩展到深层变形,最终与中部风化泥岩层贯通形成滑移面,发生失稳破坏。

1.4 滑坡加速度响应变化规律

基于物理模型试验结果,通过分析坡脚(P1X,X=1,2,3)、坡腰(P2X,X=2,3,4)、坡肩(P4X,X=2,3,4)和浅表层(PX,X=1～5)各个监测点的加速度峰值(PGA)放大系数曲线,揭示低角度黄土-泥岩滑坡内部关键部位地震动不同分量PGA放大系数的变化规律。

低角度黄土-泥岩滑坡在水平和垂直耦合地震荷载作用下,坡脚处的水平向加速度放大系数变化规律如图6(a)所示。斜坡浅表层(P12)水平向PGA放大系数普遍大于斜坡底部(P13)和斜坡表层(P11),水平向PGA放大系数最大值为1.9;随着地震动幅值的增大,水平向PGA放大系数逐渐减小。

图6 水平分量PGA放大系数曲线(物理模拟)Fig.6 PGA amplification factor curve of horizontal component (physical simulation)

坡腰处的水平向加速度放大系数变化规律如图6(b)所示。在低强度地震荷载作用下,斜坡风化泥岩接触面处(P23)略大于岩层和浅表层黄土,随着地震动荷载的增强,接触面处水平向PGA放大系数减小,岩层和浅表层黄土水平向PGA放大系数略有增加。

坡肩处的水平向加速度放大系数变化规律如图6(c)所示。地震荷载作用下,风化泥岩接触面层(P43)的地震动力响应较大,浅表黄土层(P42)次之,下伏泥岩层(P44)最小;地震波加速度幅值为8 m/s2时,坡肩处各监测点的水平向PGA放大系数均发生陡增,结合滑坡破坏特征宏观现象可知此时斜坡发生较大破坏。

斜坡浅表层水平向加速度放大系数变化规律如图6(d)所示。地震波加速度幅值为0.5 m/s2时,坡脚处动力响应最大,坡腰处最小;地震波加速度幅值大于1 m/s2时,滑坡后缘和坡肩处动力响应最大,坡腰处最小,坡脚处呈衰减趋势,其他部位变化较小;地震波加速度幅值达到8 m/s2时,滑坡后缘和坡肩处动力响应剧增,最大值达到3.2。

低角度黄土-泥岩滑坡在水平-垂直耦合地震荷载作用下,坡脚处的垂直向加速度放大系数变化规律如图7(a)所示。以斜坡底部(P13)监测点为基准,斜坡浅表层(P12)和斜坡表层(P11)地震动响应均显示出明显的增大现象,斜坡表层垂直向PGA放大系数最大可达2.7左右;随着地震动幅值的增大,浅表层垂直向PGA放大系数略有减小。

图7 垂直分量PGA放大系数曲线(物理模拟)Fig.7 PGA amplification factor curve of vertical component (physical simulation)

坡腰处的垂直向加速度放大系数变化规律如图7(b)所示。地震荷载作用下,浅表层黄土(P22)垂直分量的动力响应最为明显,并与地震动强度呈现负相关性;斜坡风化泥岩接触面处(P24)垂直向PGA放大系数呈现非线性增加,地震波加速度幅值为8 m/s2时达到最大。

坡肩处的垂直向加速度放大系数变化规律如图7(c)所示。地震荷载作用下,风化泥岩接触面层(P43)的地震动力响应较大,浅表黄土层(P42)次之,下伏泥岩层(P44)最小;随着地震动幅值的增大,垂直向PGA放大系数略有减小,但地震波加速度幅值为8 m/s2时,接触面处和下伏泥岩层垂直向PGA放大系数均发生陡增。

斜坡浅表层垂直向加速度放大系数变化规律如图7(d)所示。低强度地震荷载作用下,坡腰处动力响应最大,坡脚处最小;输入地震动荷载加速度幅值增大至8 m/s2时,斜坡后缘垂直向PGA放大系数发生骤增,此现象与坡顶拉张贯通裂纹深度增加密切相关。

总之,在黄土层内部,随着斜坡高度的增加,坡肩和斜坡后缘加速度放大效应较为明显,表现出明显的高程效应;下伏泥岩层和中部风化泥岩层及上覆黄土层形成显著的滑动面,使得地震波在此附近发生折射、反射和散射等改变其幅值和频率特性,体现了显著的岩性效应,即岩体的性质对地震波的传递存在明显的影响;分析水平-垂直耦合地震荷载作用下,各监测点不同分量PGA放大系数变化规律,低角度黄土-泥岩滑坡中地震波垂直分量影响大于水平分量,在抗震设计和研究中对地震波垂直分量的动力响应不容忽视。

2 数值模拟验证

由于大型地震模拟振动台试验费用昂贵,试验周期较长,且一些数据的测量难以实现,但数值模拟在研究斜坡动力响应、稳定性分析和细观分析方面具有一定的优势。因此,采用有限差分方法(FLAC3D),对实际低角度黄土-泥岩滑坡进行简化模拟,更为明确地观测其位移随时间的变化规律及其稳定性变化,同时分析斜坡的滑动特征。

2.1 数值模型

低角度黄土-泥岩滑坡数值建模长×宽×高=480 m×280 m×200 m,其中黄土层厚60 m,数值模拟计算模型的建立、监测点的布设以及边界条件的设置如图8所示。模型边界和底部设置自由边界和黏滞边界提供与无限边界相同的效果,使得地震波在边界上不会发生扭曲、折射、反射等现象对模拟结果产生影响。模拟计算时,采用摩尔库伦模型,模型相关物理力学参数列于表2,模型网格尺寸为2 m。采用的地震波类型和加载方式与振动台试验相同,由于模型网格较多,计算时采用18～63 s之间的加速度时程曲线作为数值模拟计算的输入荷载。

图8 低角度黄土-泥岩滑坡数值模型Fig.8 Numerical model of low-angle loess-mudstone landslide

结合数值模拟静力作用下斜坡内部塑性区域及其安全系数(图9)可知,在地应力作用下,黄土层坡肩与风化泥岩层形成潜在滑移面,表明该类斜坡极易从接触面处发成滑动破坏,坡脚位置剪应变增量数值为负,表明坡脚位置土体发生堆积,同时黄土斜坡体的安全系数为1.152,说明自重荷载作用下低角度黄土-泥岩滑坡相对较为稳定。

图9 低角度黄土-泥岩滑坡塑性区域Fig.9 Plastic zone of low-angle loess-mudstone landslide

依据有效应力原理,土坡安全系数计算公式如下:

(1)

式中:z为斜坡滑动面深度;mz为滑面以上的水头高度值,其中0≤m≤1;γ为土的天然重度;γsat为土的饱和重度;γw为水的重度;φ′为有效内摩擦角;c′土体黏聚力;α为斜坡角度。

该低角度黄土-泥岩滑坡坡面和坡脚角度不同,因此α取两者平均值即为20°。本次试验研究对象为黄土-泥岩滑坡,黄土与接触面处为斜坡的软弱结构面,及潜在滑移面,因此斜坡滑动面深度为黄土层厚度,即z=60 m,滑面以上不考虑水头高度,因此m=0,计算得出该滑坡的理论安全系数为1.16,与数值模拟计算结果接近,进一步验证了该斜坡在自然条件下处于稳定状态。

2.2 滑坡地震动变形破坏特征

以输入地震动荷载加速度幅值为8 m/s2为例,为更明确观测低角度黄土-泥岩滑坡数值模型在地震荷载作用下位移变化特征,沿斜坡中心轴方向切片(图10),据此分析该类滑坡破坏衍生规律。

振动初期,即t=2 s[图10(a)],地震动荷载未出现明显振动现象,分化泥岩层内在坡脚处发生细微滑动,并延伸至坡腰处,厚度达4～6 m,坡脚处下伏泥岩和斜坡后缘浅表层发生细微的反向位移,上覆黄土和下伏泥岩基本未发生相对位移。

振动中期,即t=10 s[图10(b)],输入地震动荷载到达加速度峰值,最大水平位移扩展至斜坡表面,基本涉及整个坡面,潜在滑移面明显,坡脚处黄土发生显著的堆积现象;同时,整个黄土层最大位移清晰的出现分层、分块由接触面处向坡面、有坡腰向坡肩处延伸。

图10 低角度黄土-泥岩滑坡破坏衍生规律Fig.10 Failure derivative law of low-angle loess-mudstone landslide

振动中后期,即t=30 s[图10(c)],输入地震动荷载主频结束,低角度黄土-泥岩滑坡最大滑动涉及范围长达200 m左右,由斜坡后缘到坡腰发生整体下滑,并且由接触面处到坡面下滑程度呈现递减趋势,坡腰至坡脚逐渐堆积。

对比数值模拟中位移结果与振动台试验中得到的裂缝可得,输入地震动荷载加速度幅值为8 m/s2时,数值模拟得出滑坡最大滑动涉及范围长达200 m左右,根据相似比得出振动台模型最大滑动长度为1 m。由振动台试验实际宏观裂缝描绘图可知裂缝延伸长度为1.2 m,误差为0.2 m,因此可认为数值模拟结果与振动台试验结果基本相同。

总而言之,在地震荷载作用下,低角度黄土-泥岩滑坡首先在接触面处、坡肩处发生细微滑动,随后,接触面和坡肩、斜坡后缘处的拉张裂缝形成弧形滑移面,上覆黄土层沿滑移面先由接触面处带动上覆黄土层向下滑动,最后,上覆黄土层表面土体整体向下滑动,在坡脚处由于坡度改变发生堆积,阻止土体进一步向前滑动。

2.3 动力响应

以输入地震动荷载加速度幅值8 m/s2为例,分析低角度黄土-泥岩滑坡位移变化规律(图11),斜坡表面位移最大,浅表层次之,下伏泥岩层内基本处于稳定状态。黄土层内,0～5 s斜坡基本处于稳定状态,5～10 s位移发生陡增现象,随后基本稳定。

在同一荷载作用下,斜坡表面水平位移如图11(a)所示,斜坡后缘位移量较小,且沿坡面负方向偏移,坡腰位移响应最大,坡脚处的水平位移相对较小;相比于斜坡表层,斜坡浅表层水平位移坡腰偏上(P32)位移响应最大[图11(b)],其他部位水平位移相对不变,但总体幅值减小;垂向位移的变化规律与水平向相反[图11(d)],坡肩处位移响应最大,说明在地震荷载作用下,坡肩发生较大规模的沉降,此沉降一方面由于土体沿斜坡坡面下滑引起,另一方面由于震陷形成,坡脚处的水平位移相对最小且幅值为正,说明土体在坡脚处发生堆积,导致坡脚处略显隆起。