不同巖性組合模型斜坡地震動(dòng)力響應(yīng)特性研究

不同巖性組合模型斜坡地震動(dòng)力響應(yīng)特性研究

1研究對(duì)象與方法斜坡法的動(dòng)力一直是巖石和地震工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。早期斜坡動(dòng)力問題的研究主要集中于斜坡的動(dòng)力穩(wěn)定性分析,包括規(guī)范推薦的擬靜力法,Newmark滑塊位移法和動(dòng)力有限元法等,而對(duì)斜坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究甚少。擬靜力法將地震力通過擬靜力因子(即地震系數(shù))簡(jiǎn)化為作用于斜坡上的水平向不變慣性力,因其不能考慮地震加速度時(shí)空分布的不均勻性和動(dòng)態(tài)性,其缺陷是顯而易見的。斜坡的動(dòng)力響應(yīng)問題旨在研究斜坡在地震作用下的加速度、速度、位移和應(yīng)力等各響應(yīng)量的時(shí)空變化規(guī)律,為斜坡的動(dòng)力穩(wěn)定性和失穩(wěn)機(jī)制分析提供科學(xué)依據(jù)。物理模擬中的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室模擬地震的重要手段,根據(jù)相似性原理和量綱分析方法,研究模型內(nèi)的應(yīng)力–應(yīng)變狀態(tài)。近年來,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)飛速發(fā)展,但主要集中在土木工程領(lǐng)域的高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)的抗震分析上,而用于斜坡研究的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為數(shù)不多,并且絕大部分試驗(yàn)的地震波輸入都采用簡(jiǎn)諧波,模型也較簡(jiǎn)單[2~5]。由于模型試驗(yàn)是真實(shí)斜坡的簡(jiǎn)化縮影,在滿足相似律的條件下,能夠較真實(shí)直觀地反映震動(dòng)條件下斜坡變形破壞機(jī)制與過程,為研究地震條件下斜坡失穩(wěn)破壞的成因機(jī)制提供了重要的手段。2008年“5·12”汶川地震不僅觸發(fā)了數(shù)以萬計(jì)的崩滑災(zāi)害,而且這些災(zāi)害表現(xiàn)出與通常重力環(huán)境下斜坡災(zāi)害具有顯著不同的特點(diǎn)。因此,本文以汶川地震區(qū)典型斜坡結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,采用重慶交通科研設(shè)計(jì)院的目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的大型振動(dòng)臺(tái),以臥龍地震臺(tái)實(shí)測(cè)的“5·12”汶川地震波作為主要輸入波,在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)布置了大量的加速度、位移和應(yīng)力傳感器,進(jìn)行大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)旨在研究強(qiáng)震作用下復(fù)雜斜坡的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和斜坡變形破壞機(jī)制,為合理解釋汶川地震誘發(fā)崩滑災(zāi)害眾多奇特現(xiàn)象提供依據(jù)。2彈性結(jié)構(gòu)受拉壓除少數(shù)超大型振動(dòng)臺(tái)可以做足尺試驗(yàn)外,絕大多數(shù)振動(dòng)臺(tái)都只能做縮尺試驗(yàn)。為了使縮尺模型的動(dòng)力響應(yīng)特性能較客觀地反映原型的動(dòng)力特性,需建立正確的相似理論,選取合理的相似物理量和相似常數(shù)[8~10]。線彈性結(jié)構(gòu)在靜力和動(dòng)力作用下,其受力關(guān)系可分別表示為式中:σ為應(yīng)力(Pa),F為力(N),ρ為密度(kg/m3),g為重力加速度(m/s2),μ為泊松比,E為彈性模量(Pa),l為長(zhǎng)度(m),c為黏聚力(Pa),?為內(nèi)摩擦角(°),u為位移(m),v為速度(m/s),a為加速度(m/s2),t為時(shí)間(s),ω為頻率(Hz)。在滿足式(1),(2)條件下,本試驗(yàn)以幾何尺寸、密度和彈性模量作為基本量綱,其相似常數(shù)分別取Cl=100,Cρ=1和CE=100,按照π定理和量綱分析法,導(dǎo)出其余物理量的相似常數(shù)如表1所示。3模型材料和方法汶川地震誘發(fā)滑坡發(fā)育分布規(guī)律的一個(gè)顯著特點(diǎn)為滑坡沿河谷水系呈線狀、帶狀密集分布。因此,本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為2個(gè)單面坡相對(duì)布置構(gòu)成河谷狀,這樣既可提高試驗(yàn)設(shè)備的使用率,又可研究地震條件下不同坡向斜坡的動(dòng)力響應(yīng)特性。為了研究不同巖性組合和不同結(jié)構(gòu)斜坡的地震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,設(shè)計(jì)了如圖1所示試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂v向剖面圖。模型與原型尺寸的相似系數(shù)比為1∶100。模型的主要特征及成型方法為:(1)斜坡高150cm;(2)兩岸斜坡坡度均為60°;(3)兩岸坡體均為水平層狀巖體結(jié)構(gòu),模型中巖體層厚為15cm;(4)左斜坡為上硬下軟結(jié)構(gòu),右斜坡為上軟下硬結(jié)構(gòu),2斜坡均同時(shí)采用了軟巖和硬巖2種巖體,并且2斜坡中同為軟巖或硬巖的部分采用相同的材料配比,其中,軟巖以強(qiáng)度相對(duì)較低的泥巖為代表,硬巖以強(qiáng)度相對(duì)較高的灰?guī)r為代表。另外,在河谷內(nèi)鋪設(shè)一層30cm厚的松散物質(zhì),用于模擬原型中的河床松散堆積物。試驗(yàn)中巖體的相似材料用重晶石粉、石英砂、石膏、甘油和水配合而成。其中重晶石粉和石英砂分別起細(xì)骨料和粗骨料的作用,石膏起膠結(jié)作用,甘油起保水作用。軟巖采用的材料配比為:重晶石粉∶石英砂∶石膏∶甘油∶水=33.5∶55.5∶2.5∶2.0∶6.5。硬巖的材料配比為:重晶石粉∶石英砂∶石膏∶甘油∶水=32∶53∶5∶1∶9。河床堆積物材料采用各種級(jí)配下的碎石土混合而成。原型和模型材料的主要物理力學(xué)參數(shù)見表2,因?yàn)楸驹囼?yàn)?zāi)Ｐ蜑楦拍钅Ｐ?并無具體的斜坡為原型,所以模擬的灰?guī)r和泥巖參照《最新工程地質(zhì)手冊(cè)》和《巖石力學(xué)參數(shù)取值》中的取值作為本次的原型材料力學(xué)參數(shù)值。模型斜坡成型方法:將各種相似材料按照以上配比混合攪拌均勻后倒入模型箱中,按照體積控制原則分層振動(dòng)壓實(shí)至設(shè)計(jì)密實(shí)度,每層壓實(shí)厚度不超過5cm;同時(shí),斜坡坡面采用了模板和支撐工具以控制斜坡坡度在壓實(shí)過程中保持為60°。本試驗(yàn)在重慶交通科研設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供的大型高性能三軸向地震模擬臺(tái)陣系統(tǒng)上進(jìn)行。臺(tái)面尺寸為3m×6m(寬×長(zhǎng)),承載的最大試件質(zhì)量為3.5×104kg,最大工作頻率為70Hz,水平軸向位移(2個(gè))、速度和加速度范圍分別為-150~150mm,-800~800mm/s和-1g~1g,豎向位移、速度和加速度范圍分別為-100~100mm,-600~600mm/s和-1g~1g。模型箱的整體尺寸3.10m×2.78m×2.45m(長(zhǎng)×寬×高),采用鋼性固定邊界,四周內(nèi)襯22cm厚的柔性材料作為減震層。為了研究強(qiáng)震作用下的斜坡動(dòng)力響應(yīng)特性和規(guī)律,在斜坡上不同位置布置了63個(gè)傳感器,其中包括35個(gè)加速度傳感器,用于測(cè)定水平向(以下統(tǒng)稱為X向)和豎直向(以下統(tǒng)稱為Z向)的加速度響應(yīng)值;16個(gè)位移傳感器,用于測(cè)定坡面的水平位移響應(yīng)值;同時(shí)布置了12個(gè)土壓力計(jì)。為減小橫向兩側(cè)邊界的影響,試驗(yàn)中的傳感器全部布置在模型中間的縱剖面上,模型斜坡左、右兩岸的傳感器成對(duì)稱布置,具體布置見圖2。模型制作及傳感器安裝完成后見圖3。4不同加速度對(duì)斜坡變形響應(yīng)的影響本試驗(yàn)輸入的地震動(dòng)參數(shù)采用了不同的地震波類型、頻率、激振方向和振幅。地震波采用人工合成波和天然波2種,其中人工波采用正弦波,頻率為10和15Hz,方向?yàn)閄和Z向;天然波采用臥龍地震臺(tái)實(shí)測(cè)的“5·12”汶川地震波(?t=0.005s,持時(shí)108s),方向分為X,Z單向和ZX合成向,其中ZX向由單向X和Z合成。為了研究不同地震加速度條件下斜坡的動(dòng)力響應(yīng)特性,探明促使坡體開始出現(xiàn)明顯變形的臨界加速度值和使坡體失穩(wěn)破壞的臨界加速度值,采用逐級(jí)施加地震加速度的方式加載。在試驗(yàn)開始階段,首先進(jìn)行白噪聲掃描,測(cè)試模型的初始動(dòng)力特性;隨后,開始施加振幅為0.05g的加速度正弦波。當(dāng)施加的正弦波加速度振幅超過0.25g后改用汶川地震中記錄的天然地震波,每級(jí)加速度的振動(dòng)時(shí)間為10.8s。每級(jí)加速度施加完成后停止一段時(shí)間,對(duì)振后模型進(jìn)行觀測(cè)記錄,然后再施加高一級(jí)的加速度。當(dāng)斜坡出現(xiàn)大變形后,改用正弦波進(jìn)行破壞性試驗(yàn),以觀察震動(dòng)條件下斜坡變形破壞規(guī)律。至試驗(yàn)結(jié)束時(shí),天然波和正弦波施加的最大加速度振幅分別為1.1g和0.6g。5坡腳、坡面、邊坡內(nèi)部加速度特性為了探尋斜坡的加速度動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,在左、右斜坡坡面上不同高程處分別布設(shè)了加速度傳感器AL3(AR3),AL5(AR5),AL7(AR7),AL8(AR8),AL11(AR11),AL12(AR12),AL14(AR14)。其中,AL3和AR3在坡腳,被埋入松散堆積物內(nèi);AL8和AR8設(shè)置在軟巖和硬巖的分界處;而AL14和AR14則在坡肩部位的拐角處。同時(shí)在坡內(nèi)約距坡面一半坡寬處沿不同高程處布置了加速度傳感器AL4(AR4),AL6(AR6),AL9(AR9),AL13(AR13),AL15(AR15),以探討斜坡內(nèi)部加速度在垂直方向上的動(dòng)力響應(yīng)特性,同時(shí)還可觀測(cè)斜坡加速度在水平方向上的動(dòng)力響應(yīng)特性。為便于分析,本文引入量綱一的PGA放大系數(shù),為斜坡內(nèi)任一點(diǎn)的響應(yīng)加速度峰值與振動(dòng)臺(tái)面上響應(yīng)加速度峰值的比值。因?yàn)楫?dāng)斜坡內(nèi)的加速度響應(yīng)值相對(duì)于臺(tái)面響應(yīng)值減弱時(shí),加速度放大系數(shù)實(shí)際上小于1,與“放大”的意思相違背,但在文中為了使放大系數(shù)依然適用,規(guī)定:當(dāng)加速度放大系數(shù)大于1時(shí),斜坡內(nèi)的加速度響應(yīng)相比臺(tái)面響應(yīng)被放大;小于1時(shí),加速度響應(yīng)相對(duì)減弱;等于1時(shí),加速度響應(yīng)等于臺(tái)面響應(yīng)。5.1坡面加速度動(dòng)力響應(yīng)以輸入加速度峰值0.3g為例,坡內(nèi)和坡面不同高程處在X向激振下的水平向響應(yīng)加速度峰值放大系數(shù)變化規(guī)律見圖4。從圖中可以看出,高程對(duì)斜坡地震加速度具有明顯的放大效應(yīng),放大系數(shù)隨高程呈非線性增大趨勢(shì)。大致以圖4中虛線所在的高程95cm為界(該高程正好對(duì)應(yīng)軟–硬巖界面),在此高程以上,加速度放大系數(shù)隨高程的增大非常顯著,在接近坡頂處尤其明顯。而在此高程以下,加速度的放大系數(shù)變化較小(尤其是右斜坡中下段為硬質(zhì)灰?guī)r),甚至在局部高程出現(xiàn)減弱的現(xiàn)象。比較坡面和坡內(nèi)的加速度動(dòng)力響應(yīng),在不同高程處,加速度沿水平方向上的響應(yīng)規(guī)律并不完全相同,總體而言,坡內(nèi)加速度的動(dòng)力放大效應(yīng)比坡面上的動(dòng)力放大效應(yīng)明顯。上述試驗(yàn)結(jié)果除顯示出與一般均質(zhì)斜坡類似的高程和水平向放大規(guī)律外,還表明軟–硬巖接觸面這一物性差異界面對(duì)斜坡動(dòng)力響應(yīng)具有重要影響。地震波的傳播特性與介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān),對(duì)比圖4(a)和(b)可知,不同巖性組合結(jié)構(gòu)的斜坡對(duì)相同的地震加載作用響應(yīng)情況也一定的差別。對(duì)于上軟下硬結(jié)構(gòu)斜坡,在中下段硬巖分布地段,加速度響應(yīng)值隨高程變化不大,而到了中上段的軟巖分布地段,加速度放大系數(shù)隨高程迅速增大到5.0左右。對(duì)于上硬下軟斜坡,加速度放大系數(shù)總體大于1,且隨高程的增加,加速度響應(yīng)值也在快速增大,體現(xiàn)出斜坡的高程放大效應(yīng)主要出現(xiàn)在斜坡中上段的共同特點(diǎn)。因坡體結(jié)構(gòu)的差異,頂部最大放大系數(shù)也僅在3.5左右,但在斜坡中下段,上硬下軟組合斜坡的加速度放大系數(shù)基本上比上軟下硬組合斜坡相應(yīng)部位的加速度放大系數(shù)大。5.2水平向下硬—豎直向加速度動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律以往對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力問題的研究,不論是物理模擬還是數(shù)值模擬,都主要集中在水平方向的地震動(dòng)力作用。從宏觀現(xiàn)象來看,與水平向地震力相比豎向地震力對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞效應(yīng)較輕,因此沒有引起足夠的重視。但汶川地震的種種跡象表明,豎向地震力不僅是客觀存在的,且在極震區(qū),豎向地震力甚至成為造成建筑物破壞和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要因素。仍以輸入加速度峰值0.3g為例,左、右斜坡坡面和坡內(nèi)在Z向激振下從坡腳到坡頂各測(cè)點(diǎn)的豎直向響應(yīng)加速度峰值放大系數(shù)變化規(guī)律見圖5。圖5表明,左、右斜坡在豎直向激振下的加速度放大系數(shù)隨豎直向的變化規(guī)律與水平向激振作用結(jié)果類似,都具有明顯的高程放大效應(yīng),但其最大放大倍數(shù)要比水平向激振小得多,約相當(dāng)于水平向的1/2,且在斜坡中下段,坡內(nèi)的響應(yīng)程度大于坡面。豎直向地震波作用時(shí)的高程放大效應(yīng)并不具有水平向地震波作用時(shí)主要體現(xiàn)在斜坡中上段的特點(diǎn),此外,與水平向地震波作用時(shí)的另一區(qū)別是,上軟下硬組合斜坡沿高程各測(cè)點(diǎn)處的加速度放大系數(shù)均大于上硬下軟組合斜坡相應(yīng)部位的加速度放大系數(shù)。綜上所述,水平向和豎直向加速度的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律均表現(xiàn)出了高程效應(yīng)、坡面效應(yīng)和巖性組合效應(yīng)。斜坡上部巖體較下部受到的約束少,在受到來自底部的地震波擾動(dòng)時(shí),更有可能發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)。針對(duì)這些現(xiàn)象,已有不少學(xué)者從彈性應(yīng)力波的角度去解釋。根據(jù)彈性波散射理論,地震應(yīng)力波在傳播過程中遇到異質(zhì)界面時(shí),為了保持狀態(tài)平衡,將發(fā)生波場(chǎng)分裂現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為在自由表面的反射、坡內(nèi)不連續(xù)界面(層面)的反射和折射,各種類型的波相互疊加在界面附近形成復(fù)雜的地震波場(chǎng)?；诖藙?dòng)力學(xué)原理,石崇等利用平面射線理論和方法,推導(dǎo)出了單面邊坡地震的高程放大效應(yīng)理論解,認(rèn)為邊坡的高程放大效應(yīng)是由于應(yīng)力波在邊坡自由面的反射作用形成的。盧愛紅等運(yùn)用波的傳播理論研究了應(yīng)力波在自由界面的反射和疊加效應(yīng),并得出疊加后的應(yīng)力波幅值不僅與介質(zhì)的位置與參數(shù)有關(guān),而且與應(yīng)力波本身的入射頻率和波速有關(guān)。王偉等針對(duì)巖石強(qiáng)度指標(biāo)的差異對(duì)應(yīng)力波傳播的影響進(jìn)行了計(jì)算與分析,得出從“軟”巖層進(jìn)入“硬”巖層時(shí),應(yīng)力、速度波的波陣面峰值有所提高,從“硬”巖層進(jìn)入“軟”巖層時(shí),由于“軟”巖層剛度小,強(qiáng)度低,應(yīng)力波的峰值明顯降低。同時(shí),本文得出加速度放大系數(shù)曲線隨高程呈折線變化,而這種現(xiàn)象在左斜坡(上硬下軟)中表現(xiàn)得尤為明顯。在豎直向激振作用下,左斜坡的中上部硬巖段,坡內(nèi)和坡面的加速度響應(yīng)無論從量值還是變化規(guī)律上都呈現(xiàn)出顯著的差別;而在右斜坡(上軟下硬)中,地震波在近水平結(jié)構(gòu)面處的反射和折射現(xiàn)象要比左斜坡弱得多。由此表明,從軟巖向硬巖傳播時(shí),遇到與地震波近垂直的結(jié)構(gòu)面時(shí)所發(fā)生的反射和折射現(xiàn)象,要比地震波從硬巖向軟巖傳播時(shí)遇到類似結(jié)構(gòu)面所發(fā)生的反射和折射現(xiàn)象強(qiáng)得多。這一點(diǎn)在節(jié)5.3的加速度響應(yīng)譜中也可以得到證實(shí)。為了更好地比較斜坡的水平向X和豎直向Z的加速度響應(yīng)大小,圖6給出了左斜坡和右斜坡豎直向和水平向響應(yīng)加速度比值隨高程的變化規(guī)律,圖中,PVA表示豎直向響應(yīng)加速度峰值,PHA表示水平向響應(yīng)加速度峰值。從圖6可以清楚看出,在軟–硬巖分界面以下,除坡面最底部被堆積體所填壓的位置以外,其余各測(cè)點(diǎn)的PVA/PHA值隨高程增加而增加,并逐漸超過1,說明在此斜坡段,豎直向加速度的作用在加大,并最終超過了水平向加速度的作用。但在軟–硬巖分界面以上,PVA/PHA值開始隨高程的增加而減少,說明在斜坡的中上段,豎直向加速度的作用在逐漸減小。但右斜坡在高程140cm以下,該比值仍然大于1,直到坡頂才又減小到小于1。由此可以得出斜坡中下段對(duì)豎直向地震作用響應(yīng)較強(qiáng)烈;而斜坡的中上段對(duì)水平向地震作用響應(yīng)較強(qiáng)烈。5.3斜直斜片中多段地殼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)圖7,8分別給出了左、右斜坡坡面在水平(X)向和豎直(Z)向激振下不同高程處的加速度傅里葉振幅譜。從圖7,8中可以看出,臺(tái)面上輸入的頻譜特性經(jīng)斜坡介質(zhì)傳播后,譜線形狀和幅值都發(fā)生了顯著的變化,具體可以歸納如下:(1)在水平(X)向激振下,臺(tái)面和斜坡內(nèi)的加速度響應(yīng)譜曲線明顯地出現(xiàn)了4個(gè)頻段(粗略按照?qǐng)D7(a)劃分),而各測(cè)點(diǎn)的加速度傅里葉幅值則在這4個(gè)頻段內(nèi)選擇性地被放大。地震波在斜坡內(nèi)從下往上傳播時(shí),左斜坡的主頻值所在的頻段逐漸從第四頻段的高頻轉(zhuǎn)向第一頻段的低頻,但第四頻段仍存在較大的幅值(見圖7(a));右斜坡的卓越頻率所在的頻段并沒有發(fā)生改變,始終集中在第一頻段(見圖7(b))。(2)在豎直(Z)向激振下,斜坡內(nèi)的加速度響應(yīng)譜曲線和水平(X)向激振下的加速度響應(yīng)譜曲線有顯著的區(qū)別,其卓越頻率集中在更高的頻段。地震波在斜坡內(nèi)從下往上傳播的過程中,左斜坡的2個(gè)頻段的加速度譜值放大程度相當(dāng);右斜坡的卓越頻率始終集中在第2頻段。以上分析表明,左斜坡對(duì)起放大作用的頻段比右斜坡更具有選擇性。由于斜坡體主要為2相或3相介質(zhì),地震應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播相當(dāng)于在固體骨架本身和孔裂隙中的傳播,因而應(yīng)力作用必然引起顆粒間發(fā)生相對(duì)摩擦滑動(dòng),液體或氣體分子間發(fā)生劇烈的位移,做功產(chǎn)生熱量,對(duì)振動(dòng)能產(chǎn)生吸收作用。而斜坡上部巖體由于約束小及自由表面的應(yīng)力波疊加效應(yīng),將產(chǎn)生更大的位移響應(yīng),從而質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將做功越多,吸收能量越多,最終導(dǎo)致上部巖體的高頻成分衰減越快。從圖7,8中可以看出,高頻成分在上部巖體的衰減規(guī)律在水平向地震波作用下表現(xiàn)得更為明顯。6斜坡對(duì)地震波的放大作用本文設(shè)計(jì)并完成了1∶100比尺的斜坡大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?；谠囼?yàn)過程中采集到的大量動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù),本文以天然地震波加速度輸入峰值0.3g為典型工況,探討了2種巖性組合斜坡在水平向X和豎直向Z激振下加速度動(dòng)力響應(yīng)的基本規(guī)律,同時(shí)對(duì)相應(yīng)的加速度傅里葉譜進(jìn)行了分析,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)對(duì)斜坡坡面和坡內(nèi)不同高程處的加速度響應(yīng)峰值作放大系數(shù)曲線,結(jié)果表明,振動(dòng)荷載作用下