劉漢東,耿 正,王忠福,牛林峰,王四巍,徐 峰
(1.華北水利水電大學(xué)巖土力學(xué)與水工結(jié)構(gòu)研究院,河南鄭州450045;2.河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州450045;3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南鄭州450003)
地震誘發(fā)邊坡失穩(wěn)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,影響重大工程建設(shè),破壞生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì),“5·12”汶川地震誘發(fā)滑坡造成的次生災(zāi)害損失占整個(gè)地震災(zāi)害直接損失的約1/3[1]。地震作用下的邊坡穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為學(xué)科研究的熱點(diǎn)[2-5]。了解地震作用下邊坡變形破壞模式是對邊坡失穩(wěn)預(yù)報(bào)和防治的前提[6]。
許多學(xué)者對地震誘發(fā)邊坡變形破壞模式進(jìn)行了探討[7-9]。董金玉等[10]通過振動(dòng)臺試驗(yàn)對順層巖質(zhì)邊坡的破壞模式進(jìn)行了研究,得到該類邊坡的破壞模式為地震誘發(fā)—坡肩拉裂張開—坡面中部出現(xiàn)裂縫—裂縫貫通—發(fā)生高位滑坡—轉(zhuǎn)化為碎屑流—堆積坡腳;鄒威等[11]對不同巖性組合水平層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了大型振動(dòng)臺模型試驗(yàn)研究,將水平層狀巖質(zhì)邊坡變形破壞成因模式歸納為拉裂—剪切—水平滑移型和拉裂—剪切—散體崩落型;Wang J等[12]通過對典型黃土回填邊坡進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn),該類邊坡的破壞模式為裂縫的發(fā)展—壓實(shí)黃土的軟化—斜坡前緣的蠕變和后緣的裂縫—貫穿滑動(dòng)面的形成。
盡管目前在地震誘發(fā)邊坡變形破壞模式方面取得了豐碩成果,但對強(qiáng)震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式方面卻少有研究。為此,本文參考國內(nèi)外研究成果,建立了反傾層狀巖質(zhì)邊坡的概化模型,通過振動(dòng)臺模型試驗(yàn)得到了反傾層狀巖質(zhì)邊坡在強(qiáng)震作用下的變形規(guī)律和破壞模式,通過有限差分法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究成果可為地震條件下反傾層狀巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)預(yù)報(bào)及防治提供參考。
根據(jù)相似理論,以長度、密度、彈性模量為主控因素,將其相似常數(shù)設(shè)置分別為Sl=60、Sρ=3、SE=100。按照Buckingham π[13]定理,推導(dǎo)出其他相似常數(shù)。模型試驗(yàn)相似比設(shè)計(jì)見表1。
表1 模型試驗(yàn)相似比設(shè)計(jì)
振動(dòng)臺模型由模塊堆積而成,模塊由水和石膏按1∶0.8的配合比制作而成,其物理力學(xué)參數(shù)見表2。模塊尺寸為12 cm×6 cm×2 cm(長×寬×高)。模塊間用濃度為40%的白乳膠粘結(jié),其內(nèi)摩擦角為30. 6°,粘聚力為115. 36 kPa。邊坡模型長0.60 m,高0.60 m,厚0.12 m,見圖1。邊坡后緣設(shè)置5個(gè)加速度傳感器(D1~D5),傳感器布置見圖2。為便于描述加速度峰值大小,將邊坡上監(jiān)測點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)加速度峰值與邊坡底部D1點(diǎn)的加速度峰值的比值定義為PGA(Peak Ground Acceleration)放大系數(shù)。
表2 試驗(yàn)材料物理力學(xué)參數(shù)
圖1 邊坡模型
圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置(單位:cm)
參考室內(nèi)振動(dòng)臺模型試驗(yàn)邊坡的原型,設(shè)置模型高為36 m,底部邊長為34 m,邊坡坡角60°,巖層傾角75°,巖層厚度1.1 m,軟弱夾層厚度0.1 m。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見圖3。共計(jì)2 762個(gè)單元,3 562個(gè)節(jié)點(diǎn)。將巖石及結(jié)構(gòu)面材料設(shè)置為彈塑性材料,服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。巖石及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)見表3。
圖3 數(shù)值計(jì)算模型
表3 巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)
本文研究對象為反傾層狀巖質(zhì)邊坡,基巖彈性模量較大,屬于剛性地基,因此模型底部不設(shè)置靜態(tài)邊界條件,模型四周為自由場邊界。
在坡體內(nèi)部距邊坡后緣10 m處豎直方向上,在邊坡底部、距邊坡底部6、15、24 m和33 m處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)(A1~A5),與室內(nèi)試驗(yàn)布置的監(jiān)測點(diǎn)(D1~D5)相對應(yīng),邊界條件和監(jiān)測點(diǎn)布置見圖4。
在模型底部設(shè)置加速度監(jiān)測點(diǎn),與輸入的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行對比,結(jié)果證明2條曲線基本無差異,說明地震波輸入正確。為了驗(yàn)證邊界條件的正確性,在模型左側(cè)和右側(cè)邊界設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測其加速度,結(jié)果證明邊界模擬效果良好,2條加速度時(shí)程曲線無明顯差異。
圖4 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及邊界條件
為驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性,設(shè)計(jì)頻率為5 Hz、震動(dòng)強(qiáng)度為0.1g和頻率為5 Hz、震動(dòng)強(qiáng)度為0.2g這2種工況進(jìn)行室內(nèi)振動(dòng)臺試驗(yàn),并對其進(jìn)行數(shù)值模擬,將得到的結(jié)果進(jìn)行對比。室內(nèi)試驗(yàn)中的加速度傳感器D1~D5分別與模擬工況的A1~A5這5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng),分別求出其PGA放大系數(shù)進(jìn)行對比。室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比見圖5。
圖5 數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比
從圖5可以看出,模擬結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏大,這是由于數(shù)值模擬的條件更為理想化,室內(nèi)試驗(yàn)有很多影響因素,如振動(dòng)臺與模型底部的摩擦力,部分坡體間粘結(jié)不太均勻等,在數(shù)值模擬工況中并沒有考慮。但數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)結(jié)果總體規(guī)律是一致的,說明數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)吻合較好,結(jié)果可信。
室內(nèi)模型試驗(yàn)采用峰值加速度為2g、頻率為20 Hz的正弦波進(jìn)行加載。振動(dòng)臺試驗(yàn)不同時(shí)刻邊坡破壞情形見圖6。從圖6可知,t=5 s時(shí),邊坡模型的坡面中部淺層巖體發(fā)生破壞,且伴有零星掉塊現(xiàn)象;t=10 s時(shí),邊坡模型中下部拉張裂縫開始發(fā)育,但并不明顯;t=15 s時(shí),邊坡模型中下部拉張裂縫的發(fā)育明顯,且開始向邊坡內(nèi)部發(fā)展;t=20 s時(shí),部分巖體開始向臨空面方向剪出;t=25 s時(shí),邊坡模型中下部巖體開始大面積向臨空面方向剪出;t=30 s時(shí),邊坡模型出現(xiàn)大面積垮塌現(xiàn)象,邊坡上部巖體出現(xiàn)向臨空面彎曲現(xiàn)象。
圖6 振動(dòng)臺試驗(yàn)不同時(shí)刻邊坡破壞情形
通過室內(nèi)試驗(yàn)可以看出,輸入高頻率、大振幅的橫向正弦波,反傾層狀巖質(zhì)邊坡破壞初期主要為坡面中部淺表部的巖體松動(dòng),出現(xiàn)零星掉塊現(xiàn)象,此時(shí)邊坡并未發(fā)生整體失穩(wěn)。邊坡整體失穩(wěn)是由于裂隙發(fā)展、延伸并逐漸貫通,最終引起邊坡發(fā)生大面積的崩塌破壞。裂隙從邊坡的中下部開始發(fā)育,沿結(jié)構(gòu)面不斷向內(nèi)部和上部延伸,同時(shí),由于震動(dòng)的持續(xù),邊坡內(nèi)部巖體發(fā)生錯(cuò)動(dòng),并向臨空面方向剪出,最終裂隙貫通,導(dǎo)致邊坡的整體失穩(wěn)。
通過對試驗(yàn)不同階段破壞模式進(jìn)行分析,可將反傾層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞分為以下3個(gè)階段:
(1)坡面淺表部松動(dòng),裂隙產(chǎn)生階段。在震動(dòng)初期,邊坡的變形破壞主要發(fā)生在坡面的淺表部,表現(xiàn)為松動(dòng)和掉塊現(xiàn)象;隨著震動(dòng)的持續(xù),邊坡中下部開始出現(xiàn)拉張裂縫,地震產(chǎn)生的應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)面處相互疊加,產(chǎn)生拉應(yīng)力,是裂縫產(chǎn)生的重要原因[14]。
(2)裂隙延伸,巖體錯(cuò)動(dòng)階段。持續(xù)的震動(dòng)導(dǎo)致裂隙沿結(jié)構(gòu)面向邊坡內(nèi)部和上部延伸并擴(kuò)張,且坡體內(nèi)部巖體的錯(cuò)動(dòng)不斷加劇,并向臨空面方向剪出,部分巖體出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。
(3)裂隙貫通,邊坡大面積垮塌。裂隙的擴(kuò)展及巖體的錯(cuò)動(dòng)形成貫通的結(jié)構(gòu)面,導(dǎo)致邊坡大面積崩塌,破壞面呈階梯狀,崩塌部分上部巖體向臨空面方向彎曲,雖然并未掉落,但裂隙已經(jīng)開裂,形成危巖體,若震后受到外部荷載作用,則可能發(fā)生破壞[15]。
采用FLAC3D軟件對室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬。根據(jù)相似比確定輸入的地震波的加速度為1.2g,頻率為20 Hz,模擬結(jié)果見圖7。從圖7可以看出,當(dāng)t=5、10、15、20、25 s和30 s時(shí),模型最大位移量分別為1.27、2.71、4.16、5.63、7.09 mm和8.56 mm。模型的形變量隨著時(shí)間的增加而逐漸增大。
圖7 數(shù)值模擬不同時(shí)刻邊坡位移云圖
由模擬結(jié)果可知,在輸入高頻率、大振幅的橫向正弦波時(shí),模型的最大位移處在坡面中部,其次為邊坡頂部、坡肩及坡腳處,模型最小位移處在邊坡后部和底部,位移量從邊坡中部向邊坡后部和底部依次遞減,這與室內(nèi)試驗(yàn)邊坡破壞規(guī)律近似一致。地震波持時(shí)也對反傾層狀巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)具有很大影響[16],即隨著震動(dòng)的持續(xù),邊坡各部分的位移持續(xù)增大[17],但其分布規(guī)律基本不變。
本文通過振動(dòng)臺試驗(yàn)和數(shù)值分析,研究了強(qiáng)震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡的變形破壞模式及變形規(guī)律,得到如下結(jié)論:
(1)地震波持時(shí)對反傾層狀巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)有很大影響,主要表現(xiàn)在坡體的位移不斷增大,坡內(nèi)能量不斷累積,裂隙不斷發(fā)育發(fā)展。
(2)裂隙的產(chǎn)生、發(fā)育和貫通是導(dǎo)致反傾層狀巖質(zhì)邊坡整體失穩(wěn)的主要原因。裂隙從邊坡的中下部開始發(fā)育,沿結(jié)構(gòu)面不斷向邊坡內(nèi)部和上部延伸,最終貫通,導(dǎo)致邊坡大面積崩塌破壞。
(3)在輸入高頻率、大振幅的水平向正弦波的情況下,反傾層狀巖質(zhì)邊坡的破壞模式為:坡面淺表部松動(dòng),開始產(chǎn)生裂隙,并持續(xù)發(fā)育,不斷向坡體內(nèi)部及上部延伸,坡體內(nèi)部發(fā)生巖體錯(cuò)動(dòng)并不斷加劇,直至裂隙貫通,邊坡大面積崩塌破壞。
(4)強(qiáng)震作用下,反傾層狀巖質(zhì)邊坡的主要變形規(guī)律為:在震動(dòng)初期,坡表部分巖體松動(dòng),最終脫離坡體形成墜落;隨著震動(dòng)的持續(xù),裂隙沿坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面逐漸貫通,形成崩塌;崩塌產(chǎn)生后,崩塌處上部部分巖體向臨空面彎曲形成危巖體。