劉洋 馬素健 張良 郭雪巖 陳偉庚

（1.中科（湖南）先進(jìn)軌道交通研究院有限公司，湖南株洲412000；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031；3.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣州510000）

我國(guó)西南地區(qū)位于印度洋板塊與亞歐板塊交界處，以山地為主，褶皺、斷層發(fā)育密集且活動(dòng)頻繁，地震頻發(fā)、強(qiáng)度高，易誘發(fā)大規(guī)?；?。邊坡發(fā)生滑塌后能夠迅速摧毀周邊建（構(gòu)）筑物，特別是鐵路工程中的隧道、橋梁、路基等基礎(chǔ)設(shè)施。比如2016年長(zhǎng)荊鐵路發(fā)生大面積滑坡，導(dǎo)致線路中斷數(shù)十日，造成巨額經(jīng)濟(jì)損失。2019年成昆鐵路一處山體發(fā)生滑坡，造成線路被掩埋及人員傷亡。因此，有必要對(duì)巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行深入探討。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地震作用下的邊坡穩(wěn)定性做了大量研究。言志信等［1］利用FLAC 2D分析了順層邊坡的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，揭示了多種參數(shù)對(duì)響應(yīng)規(guī)律的影響。劉紅帥［2］針對(duì)巖質(zhì)邊坡在地震動(dòng)隨機(jī)荷載下的穩(wěn)定性展開(kāi)研究，給出巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的有限元分析方法。陳鵬等［3］利用地震模型得到使用永久位移作為失穩(wěn)條件模擬計(jì)算邊坡破壞可能性的方法。董金玉等［4］設(shè)計(jì)了基于汶川地震波的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，揭示了汶川地震波下邊坡的破壞特征和機(jī)制。黃潤(rùn)秋等［5］通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)于順層和反傾邊坡在強(qiáng)震作用下坡面和坡體內(nèi)部PGA放大效應(yīng)展開(kāi)研究，揭示了強(qiáng)震條件下層狀邊坡的地震動(dòng)力響應(yīng)和失穩(wěn)破壞機(jī)制。已有的研究從時(shí)域角度分析了邊坡的破壞機(jī)制，但未從頻域角度對(duì)誘發(fā)邊坡破壞的地震波進(jìn)行分析。對(duì)于地震作用下的巖質(zhì)邊坡，從時(shí)域角度分析可以探究其破壞過(guò)程，而從頻域角度分析可以研究誘發(fā)其破壞的主要響應(yīng)頻段。

本文基于相似原理設(shè)計(jì)不同烈度EL Centro地震波作用下順層巖質(zhì)邊坡振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)加速度沿標(biāo)高的放大效應(yīng)以及不同測(cè)點(diǎn)的傅里葉頻譜特性研究順層邊坡的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和破壞機(jī)制。

1 試驗(yàn)方案

目前，研究地震動(dòng)力響應(yīng)最有效、最可靠的途徑是進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)［6-7］。通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)，可以直觀地觀察巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律并可通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理為后續(xù)工作提供參考?；谙嗨评碚摰氖覂?nèi)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可對(duì)邊坡進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，排除了地震發(fā)生的偶然性、監(jiān)測(cè)困難等缺陷，試驗(yàn)結(jié)果接近實(shí)際地震發(fā)生時(shí)邊坡的運(yùn)動(dòng)狀況。

1.1 相似條件

保持模型和原型相似是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的關(guān)鍵，但由于材料、技術(shù)、相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備及各種操作的原因，模型和原型不可能完全相似。因此，縮尺試驗(yàn)設(shè)計(jì)須針對(duì)可以體現(xiàn)試驗(yàn)關(guān)鍵的指標(biāo)進(jìn)行相似設(shè)計(jì)。相似理論中認(rèn)為兩類物理現(xiàn)象是相似的，如它們滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)學(xué)相似和動(dòng)力學(xué)相似。本試驗(yàn)的幾何相似比選用1∶10，分析整理了12個(gè)獨(dú)立的物理量，見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相似常數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)所采用的大型單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)見(jiàn)圖1。臺(tái)面尺寸為3 m×3 m，最大承載量為10 t，最大速度為0.7 m/s，工作頻率為0.1～50.0 Hz，位移為-125～125 mm，最大加速度為15 m/s2。由于模型的尺寸較大且剛度要求較高，試驗(yàn)采用鋼板+型鋼的剛性模型箱，內(nèi)部測(cè)量尺寸為2.2 m（長(zhǎng)）×2 m（寬）×1.6 m（高）。

圖1 順層巖質(zhì)邊坡單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)

為了便于觀察和記錄試驗(yàn)過(guò)程中邊坡模型變形破壞現(xiàn)象，模型箱兩側(cè)采用有機(jī)玻璃實(shí)現(xiàn)可視化，在模型與玻璃之間涂抹凡士林減小摩擦。為減小模型的邊界效應(yīng)，采用聚乙烯泡沫作為減震層。為增大箱底與模型之間的摩擦從而減小相對(duì)位移，在模型箱底部采用環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)碎石構(gòu)造摩擦面。

采用電容式三向加速度傳感器，量程0～2g；諧振頻率大于5.5 kHz；三軸靈敏度450 mV/g左右；誤差±3 dB下的頻率響應(yīng)：x軸為0～1 400 Hz，y軸為0～1 400 Hz，z軸為0～600 Hz；外形尺寸為16 mm（長(zhǎng)）×15 mm（寬）×8 mm（高）。此外，在傳感器的外面澆筑一層硅膠用于防水。

1.3 試驗(yàn)工況

輸入EL Centro地震波，根據(jù)相似理論模型與原型之間的輸入波形保持一致，僅按照時(shí)間的相似準(zhǔn)則進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)從小到大逐級(jí)調(diào)節(jié)加速度的幅值實(shí)現(xiàn)不同烈度地震波的加載，在加載前均進(jìn)行0.05g白噪聲掃描，見(jiàn)表2。在邊坡表面和內(nèi)部從上到下均勻布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，在自由場(chǎng)布置1組加速度測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

表2 順層巖質(zhì)邊坡振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載工況

圖2 順層巖質(zhì)邊坡測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 邊坡加速度響應(yīng)特征

地震作用下邊坡不同部位加速度會(huì)產(chǎn)生不同的放大或減小效果［8］。由于不同坡體之間巖土層的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、形態(tài)特征等差異，地震波在坡體內(nèi)的傳播也有差異，因此不同邊坡的失穩(wěn)形式也不同［9］。為探究不同烈度EL Centro地震波下PGA放大系數(shù)沿標(biāo)高的變化情況，沿邊坡坡面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，在邊坡底部布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，將測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析，得到各點(diǎn)沿標(biāo)高的PGA放大系數(shù)以及在輸入地震波加速度峰值為0.1g，0.2g，0.4g，0.7g時(shí)順層巖質(zhì)邊坡的響應(yīng)特征，見(jiàn)圖3。可知，邊坡中上部均呈現(xiàn)不同程度的PGA放大，基本呈現(xiàn)非線性關(guān)系。在標(biāo)高0.4 m以下，輸入地震波加速度峰值為0.1g時(shí)放大最明顯，輸入地震波加速度峰值為0.2g，0.4g，0.7g時(shí)放大系數(shù)接近；在標(biāo)高0.5 m附近，中高烈度PGA放大系數(shù)差異不大。因此邊坡下部更易受低烈度地震波影響而產(chǎn)生破壞。

在0.2g和0.4gEL Centro地震波作用下，邊坡走向和豎直方向PGA放大系數(shù)彼此相差不大且沿標(biāo)高變化規(guī)律相似。地震波烈度對(duì)標(biāo)高0.5 m以上部位的影響由大逐漸變小，即0.5 m以上標(biāo)高時(shí)PGA放大系數(shù)與地震波烈度成正相關(guān)關(guān)系。定義PGA放大系數(shù)為A（Amplification Coefficient），即不同烈度放大效應(yīng)關(guān)系為A0.7g＞A0.4g＞A0.2g＞A0.1g；對(duì)于順層邊坡臨空面方向，即地震波的加載方向，PGA放大系數(shù)與地震波烈度在標(biāo)高0.5 m以下基本成負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明邊坡的穩(wěn)定性與地震波的施加方向有關(guān)。

圖3 順層邊坡PGA放大系數(shù)

2.2 邊坡加速度頻譜變化規(guī)律

將0.2gEL Centro地震波作用下邊坡表面4個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程進(jìn)行傅里葉變換，得到各測(cè)點(diǎn)不同方向的傅里葉譜曲線。邊坡走向方向加速度傅里葉譜見(jiàn)圖4?？芍?.2gEL Centro地震波作用下，邊坡走向方向傅里葉譜的卓越頻率主要集中于0～20 Hz，20～40 Hz，40～60 Hz。隨著標(biāo)高增大（4#測(cè)點(diǎn)至1#測(cè)點(diǎn)），0～20 Hz頻段加速度幅值在中下部差別不大，在頂部放大2倍左右，20～40 Hz和40～60 Hz頻段加速度幅值隨標(biāo)高逐漸增大，在頂部近似放大2倍；而高頻段（60～80 Hz）幅值則在中下部無(wú)明顯改變，在頂部甚至有被削弱的趨勢(shì)。

圖4 邊坡走向方向加速度傅里葉譜

臨空面方向加速度傅里葉譜見(jiàn)圖5，可知在0.2gEL Centro地震波作用下，邊坡臨空面方向傅里葉譜的卓越頻率主要集中于0～20 Hz，20～40 Hz，40～60 Hz。隨著標(biāo)高增大，0～20 Hz頻段加速度幅值在中下部以2倍速率逐漸增大，在頂部測(cè)點(diǎn)處則迅速減弱；20～40 Hz頻段加速度幅值在中下部也以接近于2倍速率增長(zhǎng)，而在頂部測(cè)點(diǎn)處迅速減弱；40～60 Hz頻段加速度幅值則隨標(biāo)高上下波動(dòng)；而高頻段（60～80 Hz）幅值則無(wú)明顯變化。推測(cè)這種現(xiàn)象可能與地震波的加載方向有關(guān)。

圖5 邊坡臨空面方向加速度傅里葉譜

豎直方向加速度傅里葉譜見(jiàn)圖6，可知在0.2gEL Centro地震波作用下，邊坡豎直方向傅里葉譜的卓越頻率主要集中于0～20 Hz，20～40 Hz，40～60 Hz。隨著標(biāo)高增大，3個(gè)頻段內(nèi)加速度幅值呈遞增趨勢(shì)，在頂部測(cè)點(diǎn)處加速度幅值放大效應(yīng)最明顯，0～20 Hz，20～40 Hz頻段加速度幅值遞增趨勢(shì)較明顯，而40～60 Hz頻段加速度幅值增加幅度比前2個(gè)頻段小，高頻段幅值（60～80 Hz）大致呈減弱趨勢(shì)，在頂部逐漸趨于0，即巖質(zhì)邊坡對(duì)于高頻段地震波產(chǎn)生了削減作用。

圖6 邊坡豎直方向加速度傅里葉譜

綜上，EL Centro地震波作用下順層邊坡模型第一階自振頻率可能位于20 Hz附近，且?guī)r質(zhì)邊坡對(duì)于地震波低頻段的加速度幅值具有顯著的放大作用，而對(duì)于高頻段的加速度幅值則具有一定的削減作用。

3 結(jié)論

1）在不同烈度地震波下，順層巖質(zhì)邊坡中上部均呈現(xiàn)不同程度的PGA放大效應(yīng)，邊坡下部更易受低烈度地震波影響出現(xiàn)破壞，邊坡走向方向和豎直方向的PGA放大系數(shù)相差不大且變化規(guī)律相似，邊坡中上部PGA放大系數(shù)與地震波烈度成正相關(guān)關(guān)系。臨空面方向PGA放大系數(shù)與地震波烈度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2）在0.2gEL Centro地震波作用下，順層巖質(zhì)邊坡傅里葉譜的卓越頻率大致集中于低頻段。隨著標(biāo)高增大，3個(gè)方向加速度幅值都產(chǎn)生放大效應(yīng)，且低頻段的放大效應(yīng)較顯著，高頻段的加速度幅值基本無(wú)變化，甚至在頂部減小。因此，巖質(zhì)邊坡對(duì)于地震波低頻段的加速度幅值具有放大作用，而對(duì)于高頻段的加速度幅值則具有一定的削減作用。