水库岩质边坡的动力响应特性研究

邹国勇

(江西省建洪工程监理咨询有限公司，江西 南昌 330000)

岩质边坡在地震作用下的动力响应特性和变形破坏模式是岩土工程领域的重要研究课题，对于防止和减轻地震灾害、保障工程安全具有重要意义。锁固型岩质边坡是一种常见的边坡结构形式，特点是在边坡滑动面上存在一段或多段锁固段，使得边坡具有一定的稳定性和抗剪强度。然而，在强震作用下，锁固型岩质边坡可能发生不同程度的变形和破坏，影响工程安全。因此，深入探讨锁固型岩质边坡在地震作用下的动力响应特性及破坏机制，对于指导工程设计、施工和监测具有重要价值。

目前，已经有不少学者对锁固型岩质边坡在地震作用下的动力响应特性进行了研究，主要的研究方法有理论分析以及室内模型试验。杨国香等人[1-2]通过室内模拟不同地震波对顺层和均质岩质边坡的影响，分析了边坡的动力加速度响应特征及其与地震波参数和边坡结构的关系。通过物理模型试验，揭示了反倾层状结构岩质边坡在强震作用下的动力加速度放大特性及边坡的破坏机理。曹鹏等人[3]通过多种方法分析了西藏白格滑坡的地质背景、岩体特征、滑动层、滑坡类型和形成机制，并探讨了其对防灾减灾的意义。刘汉香[4]通过振动台试验，分析了含夹层斜坡的地震加速度和位移响应特征，并探讨了夹层特征和激振强度对斜坡变形破坏模式的影响。泮晓华等人[5]通过物理模型试验，揭示了不同类型岩质锁固型斜坡的锁固段破坏模式及其影响因素。

为了研究水库岩质边坡在地震波作用下的动力响应特性，本文在已有研究基础上建立了一种锁固型岩质边坡模型，通过室内振动台模拟地震波对动力响应特性进行研究。

1 试验设计

1.1 试验材料准备

岩质边坡的原位试验有着太多不确定因素且操作困难，因此，本文采用按比例缩放的模型试验对动力响应特性进行研究。试验采用大型振动台，长度和宽度均为3m，最小震动频率为0.5Hz，最大震动频率为50Hz，振动台正常工作所能承受最大试样最大质量为10000kg。由于振动台的性能并能完全模拟地震效应，为尽可能减小误差，在尺寸按比例缩小的同时模型中土壤的主要力学性质也不能发生较大的改变，如密度、泊松比、内摩擦角以及加速度取原位土数据；长度、弹性模量、粘聚力以及应力以16∶1进行缩小；试验用时以及频率按照1∶4的比例进行调整。

1.2 试验模型准备

本次试验采用定制的模型箱，长度为150cm，宽度为85cm，高度为150cm，按照1.1节中的设计方案设计的锁固型岩质边坡尺寸为140cm×83cm×140cm，预留裂缝尺寸为35cm×2mm，夹层尺寸为42cm×3cm，坡角和夹层夹角度数分别为606和202。岩质边坡模型采用分层击实的方式进行制作，每层击实厚度为4cm，在添加下一层土壤之前需对上一层击实表面用刨毛针进行刨毛，避免出现明显的分层现象。由于加速度作为动力响应特性的主要评价手段，因此在试验模型设计中加入了加速度传感器，具体的裂缝、夹层以及加速度传感器(C0-C25)布置格式如图1所示。

图1 加速度传感器布置图

1.3 试验方案

主要影响锁固型岩质边坡动力特性的因素为地震波，试验采用不同类型的地震波对锁固型岩质边坡模型进行测试。如图2所示，首先对模型在X轴方向上施加正弦波以及不同压缩倍数的卧龙波和EI波来模拟实际地震波去研究边坡还未发生实际变形破坏时的动力响应特性，正弦波的频率在0到40Hz之间选取；边坡模型稳定后逐渐增加压缩倍数的地震波去研究边坡模型在地震波增大时的内部破坏情况。

图2 输入的地震波

2 试验结果分析

2.1 动力特性分析

边坡模型受到0到4倍的卧龙波和EI波模拟的地震波时其自振频率和阻尼比随着输入地震波次数的变化曲线如图3所示。从图3中可以发现随着地震波输入的次数增加，边坡模型的阻尼比先是缓慢增加，在第六次加载地震波时阻尼比开始大幅度增加，与之相反的是边坡模型的自振频率，自振频率随着地震波的加载首先呈现出缓慢下降的趋势，随着第六次地震波的加载，边坡模型自振频率开始出现大幅下降。总体上来说，随着地震波加载次数的增加，边坡模型的力学性质变差，阻尼比增加，自振频率降低。

图3 边坡模型自振频率和阻尼比在不同加载次数下的变化情况

2.2 加速度影响下的动力响应规律

本小节以频率为40Hz下的正弦波试验数据为例对边坡模型的动力响应规律进行研究。将40Hz正弦波下的试验数据绘制了振幅为0.1g，压缩倍数为2倍地震波影响下的边坡模型加速度放大系数试验结果绘制成坐标轴的形式如图4所示，对坡面上水平方向和垂直方向上的加速度放大系数变化规律进行研究。如图4(a)所示，随着坡面高度的增加，正弦波在坡面上的加速度放大系数持续增加，且在0.75m和1.075m处有显著的增大；卧龙波在坡脚处随坡面高度增加先有一段加速度放大系数下降的阶段，随后在0.75m处恢复上升，且斜率保持不变，虽然有一段下降趋势，但整体上卧龙波加速度随着坡面高度增加不断增大；EI Centro波在坡面上加速度放大系数的变化比较稳定，随着坡面高度的增加，加速度放大系数也是稳定上升。在坡体垂直方向和水平方向上3种波形加速度的变化与其在坡面上的变化类似，但正弦波的加速度放大系数在坡顶处有一个大幅度的提升。从整体上来看，无论是在坡面、边坡模型垂直方向或者边坡模型水平方向上，正弦波的加速度放大系数最大，其次为卧龙波和EI波，卧龙波的加速度放大系数略高于EI Centro波。

图4 加速度动力响应

2.3 正弦波频率对边坡模型动力响应的影响

取不同频率正弦波、不同高度坡面(C1、C8、C14、C19以及C23)加速度放大系数绘制关系曲线如图5所示。

图5 不同频率正弦波坡面加速度放大系数

由图5可以看出，在相同的坡面高度，随着正弦波的频率从0Hz增加到15Hz，坡面加速度放大系数有着显著的增加，正弦波继续从15Hz增加到40Hz时，坡面加速度放大系数呈现出下降趋势，整体来看，坡面加速度放大系数在正弦波频率为15Hz时达到最大；在同一频率的正弦波下，随着坡面高度的增加，坡面加速度放大系数随之增大，坡顶处达到当前频率正弦波的最大值。

2.4 卧龙波压缩倍数对边坡模型动力响应的影响

取初始卧龙波、2倍卧龙波以及4倍卧龙波影响下的坡面加速度放大系数结果与坡面高度绘制关系曲线如图6所示。

图6 不同压缩倍数卧龙波坡面加速度放大系数

从图6中可以观察到，在相同倍数卧龙波的影响下，边坡模型坡面的加速度放大系数在坡面高度0.1～0.425m处先下降，随着坡面高度超过0.425m，坡面加速度放大系数随着坡面高度的增加而增大，在坡顶处达到最大值，造成0.425m处加速度放大系数下降的原因为卧龙波的传递受到了夹层的影响，夹层造成了卧龙波的反射与折射；在相同坡面高度上，随着卧龙波压缩倍数的增加，加速度放大系数也随之增大[6-7]。

2.5 裂缝及夹层对模型动力响应的影响

根据图1的布置，选用C19-C22得到的模型试验数据对裂缝附近的加速度放大系数进行分析，选用C4、C10、C15以及C19对夹层附近的加速度放大系数进行分析，具体的试验数据如图7—8所示。

图7 不同频率正弦波裂缝附近加速度放大系数

从图7中可以发现在裂缝对于加速度放大系数的影响十分大，水平距离从模型最左边向裂缝靠近时加速度放大系数有着明显的下降趋势，水平距离从裂缝向坡面靠近时加速度放大系数有着明显的增加趋势，总体上来看裂缝处的加速度放大系数为整个水平面的最小值。

从图8中可以发现夹层对于加速度放大系数同样有影响，整体上加速度放大系数随着测点高度的增加而增大，但在通过夹层所在高度(0.425m)后，加速度放大系数的增长速率相比通过夹层前有着显著的提升。

图8 不同频率正弦波夹层附近加速度放大系数

3 结语

文章采用室内模型试验模拟锁固型岩质边坡受到地震波影响后加速度放大系数在边坡中的分布。得到以下结论。

(1)垂直方向上，加速度放大系数随边坡高度的降低而下降；水平方向上，加速度放大系数随水平距离的增加而增大。

(2)相同的坡面高度，随着正弦波的频率增加，坡面加速度放大系数先增加后下降；同一频率的正弦波时，坡面加速度放大系数随坡面高度的增加而增大。

(3)相同倍数卧龙波的影响下，边坡模型坡面的加速度放大系数与坡面高度呈正相关；相同坡面高度上，加速度放大系数随卧龙波压缩倍数的增加而增大。

(4)裂缝和夹层对边坡加速度放大系数有一定影响，裂缝会导致加速度放大系数大幅度降低，夹层会导致边坡放大系数的增长速率变缓。