錢海濤，肖銳鏵

(1. 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085；2. 國(guó)土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心，北京 100081)

地震引發(fā)的滑坡災(zāi)害早已受到人們的重視并一直是研究的熱點(diǎn)，關(guān)于其穩(wěn)定性分析方法，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究并取得了一系列非常有意義的成果[1～10]。綜合來(lái)看，在這些分析方法中，都直接或間接地采納了一個(gè)最基本的模型設(shè)定：滑體單元在地震動(dòng)作用下沿滑帶產(chǎn)生滑動(dòng)，即典型單元滑動(dòng)模型，如圖1所示。

圖1 典型單元滑動(dòng)模型圖Fig.1 Typical earthquake landslide model

然而，對(duì)于這種典型單元的滑動(dòng)機(jī)理特征，已有研究多是從理論上著手，其人為設(shè)置的諸多假設(shè)前提可能并不能完全符合實(shí)際，不少學(xué)者在應(yīng)用中因此而常存在或多或少的失誤，需要切實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析論證。

為此，本文針對(duì)這種滑坡滑動(dòng)單元在地震動(dòng)作用下的滑移特征，制作了典型的實(shí)體滑動(dòng)模型，并在振動(dòng)臺(tái)上開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究工作，取得了一些比較有意義的新成果。

1 振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了盡可能消除外來(lái)干擾因素的影響，以對(duì)基本模型的地震動(dòng)力滑移特征有著較為清晰的認(rèn)識(shí)，此次實(shí)驗(yàn)幾何結(jié)構(gòu)上采用了與圖1相對(duì)應(yīng)的經(jīng)典模型，并配以簡(jiǎn)單規(guī)則的正弦波。

1.1 模型幾何形態(tài)

物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閱涡泵婊瑝K模型，如圖2和圖3所示，上部為長(zhǎng)方體滑塊、下部為滑床、中間薄層為滑帶，并設(shè)置了緩、中、陡3種典型滑帶傾角，傾角θ分別為10°，20°和30°，對(duì)應(yīng)字母L，M，H。

圖2 振動(dòng)臺(tái)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图氨O(jiān)測(cè)布置簡(jiǎn)圖Fig.2 Layout of physical models and monitoring for the shake table

圖3 滑坡振動(dòng)臺(tái)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨DFig.3 Physical models for the shake table

1.2 模型材料選取

實(shí)驗(yàn)開始前，為確定模型所以材料及其配比，在參考已有相關(guān)文獻(xiàn)資料[11～18]的基礎(chǔ)上并基于現(xiàn)實(shí)情況選取原材料。

滑床物質(zhì)采用石膏、水泥、鐵粉、砂子、水為原料；考慮到預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)中，滑體物質(zhì)自身不產(chǎn)生破壞，故采用加鋼筋的砂子水泥鐵粉；滑帶物質(zhì)采用顆粒為40～70目的石英砂和黏土為原料，配置出軟、中、硬的3種滑帶材料。通過數(shù)十組針對(duì)性的配比試驗(yàn)，模型材料最終配比如表1所示。

表1 滑帶土材料配比及力學(xué)性能

1.3 模型工況組合與監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

將上述不同角度滑帶和不同材質(zhì)的滑帶類型相組合，并排除那些不合實(shí)際的組合(因滑帶傾角過大同時(shí)滑帶材料太差，無(wú)需動(dòng)力加載即會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)的組合)，共計(jì)構(gòu)建9個(gè)典型山區(qū)地震滑坡工程地質(zhì)模型，具體見表2所示。

如圖1所示，在振動(dòng)臺(tái)物理模型上共布置了10個(gè)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳感器：其中模型滑床上不同高度位置加速度傳感器5個(gè)，為a1～a5；滑床頂部位移傳感器1個(gè)，編號(hào)d1；滑體上加速度和位移傳感器坡度位移傳感器各1個(gè)，分別為a6和d2；在振動(dòng)臺(tái)基座上布置了加速度和位移傳感器各1個(gè)分別為a7和d3。此外，還設(shè)置2條垂直于滑帶的紅色的位移觀測(cè)線，以為便于肉眼直觀識(shí)別滑體相對(duì)于滑床的滑動(dòng)位移。

表2 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)概況

1.4 地震動(dòng)加載方案

實(shí)驗(yàn)過程中，為研究地震波頻譜特性(頻率、持時(shí)、峰值)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，在模型底部通過振動(dòng)臺(tái)輸入，輸入地震波為不同峰值強(qiáng)度、頻率和持時(shí)的正弦波。

(1)地震波強(qiáng)度

對(duì)不同滑帶材料模型，峰值以0.05g為起點(diǎn)，以逐步分級(jí)增大的方式施加正弦波，每次增加幅度0.05g，以研究滑動(dòng)的屈服加速度及相應(yīng)位移。

實(shí)驗(yàn)過程中，注意控制加載，以盡可能精確地獲得滑體向上和向下滑動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的屈服加速度。

(2)地震波持時(shí)

若初始加載的30 s內(nèi)無(wú)滑移產(chǎn)生或出現(xiàn)較大位移(滑體滑落或接近滑落)，則停止加載，轉(zhuǎn)為其他強(qiáng)度和頻率的地震波，重新開始實(shí)驗(yàn)。

若初始30 s內(nèi)有出現(xiàn)少量滑移，下一步則以1.2倍左右強(qiáng)度地震波加載30 s，若滑體滑落或出現(xiàn)較大位移(接近滑落)，則此次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

若還未滑落，則結(jié)合滑移情況(總滑移量、滑移速度、滑帶上可供滑移的剩余長(zhǎng)度)再次提高地震波強(qiáng)度加載30～60 s。

上述過程中，若模型發(fā)生破壞并滑體呈大幅度滑動(dòng)以致落地，則終止該次實(shí)驗(yàn)。

(3)地震波頻率

為研究輸入地震波頻率的影響，依次輸入不同頻率的地震波重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)表2中的9個(gè)模型的每一個(gè)，均依次輸入頻率為5 Hz、10 Hz、15 Hz和20 Hz四種工況的地震波。

2 基于實(shí)驗(yàn)的滑移特征發(fā)現(xiàn)

2.1 滑移地震屈服加速度分析

滑移的地震屈服加速度，是多年來(lái)研究關(guān)注的重點(diǎn)問題之一，基于本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有以下發(fā)現(xiàn)：

(1)存在向上和向下兩個(gè)滑移屈服加速度

輸入地震動(dòng)達(dá)到某一數(shù)值之后，滑體開始出現(xiàn)滑動(dòng)，即滑動(dòng)屈服加速度出現(xiàn)，但在輸入地震波強(qiáng)度足夠大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)向上的滑移行為。

以20°滑帶傾角和滑帶材料2的模型在0.40g、10 Hz地震動(dòng)下滑移過程為例，從其滑體滑移曲線的局部放大圖(圖4)中明顯可見，滑體永久位移呈階梯性增加，在總體向下不斷滑移的過程中，位移短時(shí)間內(nèi)有所減小。這表明當(dāng)輸入地震動(dòng)超過某一數(shù)值的時(shí)候，滑體相對(duì)滑床會(huì)產(chǎn)生瞬間向上的反向滑移，即出現(xiàn)向上的滑移屈服加速度。

圖4 較大輸入加速度時(shí)滑動(dòng)位移曲線局部放大圖Fig.4 Local enlarged drawing of the displacement under the strong seismic wave

這種現(xiàn)象與理論推測(cè)的情形完全吻合，盡管在目前的研究中，已有學(xué)者提出存在這種反向屈服加速的存在，但都停留在理論假設(shè)的層次，一直以來(lái)缺乏實(shí)際資料證實(shí)，本次研究首次從模型實(shí)驗(yàn)的角度給出了驗(yàn)證。

(2)屈服加速與輸入地震波頻率的關(guān)系

如果以輸入的地震波為參考研究對(duì)象，將其對(duì)應(yīng)的屈服加速稱為臺(tái)面輸入屈服加速度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，開始出現(xiàn)滑移的屈服加速度(臺(tái)面輸入屈服加速度)大小與輸入地震波的頻率有一定相關(guān)性，其隨著頻率的增加而有所減小，反之隨輸入地震波頻率的減小則有所增大，典型工況記錄如表3所示。這是目前已有研究未曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

表3 實(shí)驗(yàn)所得屈服加速與頻率關(guān)系對(duì)照表

結(jié)合傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析表明，在其他條件相同的情況下，開始產(chǎn)生滑移時(shí)，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入屈服加速度大小隨輸入地震波頻率的增加而減小，基于表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考言志信等的研究成果[19]分析推測(cè)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與坡體相應(yīng)于不同頻率和強(qiáng)度地震波輸入下產(chǎn)生的動(dòng)力放大效應(yīng)不同有關(guān)，其總體形成的結(jié)果是，在滑帶附近，促使滑體產(chǎn)生滑動(dòng)的局部加速度(滑帶處屈服加速度)相對(duì)穩(wěn)定，即其取決于滑體質(zhì)量大小、滑帶傾角和滑帶物理力學(xué)性質(zhì)，而與輸入地震波特性無(wú)關(guān)。

因此，可以得出結(jié)論，即在以后的研究分析中，切不可以坡底輸入的地震加速度大小為基準(zhǔn)，來(lái)分析斜坡是否產(chǎn)生滑移和滑移量大小，而應(yīng)以滑帶處局部加速度大小作為判別滑移與否和計(jì)算滑移量的基準(zhǔn)參考值。

2.2 地震滑移特征的動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)資料，滑體相對(duì)滑床的永久位移具有以下特征規(guī)律：

(1)當(dāng)輸入加速度大小超過某一值時(shí)(屈服加速度)，滑體開始沿滑帶產(chǎn)生滑移，隨著時(shí)間的增加，其位移大小呈階梯波狀不斷遞增，如圖5所示。

圖5 累積位移所呈現(xiàn)的階梯波狀與周期性特征(模型5、頻率10 Hz、峰值0.50g)Fig.5 The stepped-wave character of the overall displacement in shake-table testes(Model 5, 10 Hz and 0.50g)

(2)進(jìn)一步分析可見，其在每一正弦波的周期內(nèi)(圖4和圖5)，位移具有幾乎同步的周期性滑移特征，這種周期性的滑移累積就構(gòu)成了總體呈階梯狀的永久位移。這表明，每一周期時(shí)間內(nèi)的滑動(dòng)速度不大、周期累積滑移量有限，每一周期內(nèi)的滑移量大小基本相同，每一周期振動(dòng)時(shí)間結(jié)束時(shí)，滑體相對(duì)滑床運(yùn)動(dòng)的速度基本為零，因此不同時(shí)刻任一周期的振動(dòng)滑移特征可認(rèn)為是彼此獨(dú)立的，總體滑移量是無(wú)數(shù)周期滑移量的累加。

(3)在輸入的地震加速度較大時(shí)，在每一正弦波的周期內(nèi)，滑體在短時(shí)間具備相對(duì)滑床向上的滑移特性(圖4)，即每一周期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)性的沿滑帶向上的滑移，其向上滑移和向下滑移疊加的結(jié)果，構(gòu)成每一周期時(shí)間內(nèi)的永久位移。

在每一周期時(shí)間內(nèi)，當(dāng)輸入加速度超過向下的屈服加速時(shí)，滑體相對(duì)滑床開始產(chǎn)生向下的滑動(dòng)，其速度先是逐步增大，隨后由于輸入加速的減小和反向，其速度逐步減小至零，并在反向加速達(dá)到一定值時(shí)，開始反向向上滑移。每一周期時(shí)間內(nèi)，其向下永久位移的大小受控于相應(yīng)向下的屈服加速度，相對(duì)反向向上滑移量的大小受控于相應(yīng)的向上的屈服加速度。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程中滑體瞬間懸空現(xiàn)象分析

上述地震屈服加速和滑移特征適用的前提條件是：滑體一直與滑帶始終保持有效接觸不脫離并一直沿滑帶滑移。但是在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，在滑帶傾角和輸入地震加速度同時(shí)較大的“雙大”情況下，滑體會(huì)由于垂直滑面的分項(xiàng)加速度過大而產(chǎn)生瞬間脫離滑帶和滑床的行為，即瞬間的“懸空”行為，滑帶物質(zhì)出現(xiàn)一定程度的破壞，滑體也同時(shí)出現(xiàn)一輕微的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖6)。

圖6 伴隨懸空出現(xiàn)的滑體旋轉(zhuǎn)和滑帶破壞現(xiàn)象Fig.6 Rotation of the slid-body and disruption of the slid-belt accompany the suspending in shake table tests

綜合分析看來(lái)，這或與實(shí)驗(yàn)過程中滑體質(zhì)量不夠大有關(guān)(不夠抵擋垂直滑面的加速度)，而實(shí)際自然界的大多數(shù)滑坡，一般由于滑體夠大夠重，不易產(chǎn)生這種“懸空”脫離行為。

但是，對(duì)于某些坡面很陡、節(jié)理切割嚴(yán)重的斜坡，其單塊滑體的質(zhì)量較小，在遭遇強(qiáng)地震動(dòng)的情況下，則很有可能會(huì)出現(xiàn)巖石塊體脫離滑帶的現(xiàn)象，即出現(xiàn)“拋射”或“彈射”現(xiàn)象。這與目前一些學(xué)者的野外調(diào)查分析結(jié)果相一致[18～20]。本次實(shí)驗(yàn)的成果，對(duì)這些學(xué)者的理論分析研究提供了有力的實(shí)驗(yàn)支撐。

3 結(jié)論

(1)存在向上和向下兩個(gè)滑移屈服加速度。輸入地震動(dòng)達(dá)到某一數(shù)值之后，滑體開始出現(xiàn)向下的滑動(dòng)，向下屈服加速度出現(xiàn)；在輸入地震波強(qiáng)度足夠大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)沿滑帶向上的滑移行為，即向上的屈服加速度出現(xiàn)。

(2)在研究分析中，不可以坡底輸入的地震加速度大小為基準(zhǔn)，來(lái)分析斜坡是否產(chǎn)生滑移和滑移量大小，而應(yīng)充分考慮斜坡結(jié)構(gòu)和巖土體特性對(duì)地震波的放大效應(yīng)，以滑帶處局部加速度大小作為判別滑移與否和計(jì)算滑移量的基準(zhǔn)參考值。

(3)滑體沿滑帶產(chǎn)生的永久滑移總量隨地震波持時(shí)增加呈階梯波狀增長(zhǎng)。

(4)在地震波的周期時(shí)間內(nèi)，永久位移具有幾乎相同的周期性滑移特征，不同時(shí)刻任一周期的振動(dòng)滑移特征相對(duì)獨(dú)立，總體滑移量是無(wú)數(shù)周期內(nèi)滑移量的累加。

(5)在每一地震波周期時(shí)間內(nèi)，滑體均可能出現(xiàn)相對(duì)滑床的瞬時(shí)向上和向下滑移行為，其滑移特征受控于相應(yīng)向上和向下屈服加速度，其向上和向下滑移矢量疊加構(gòu)成每一周期時(shí)間內(nèi)的永久位移。

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