地震作用下非貫通節理巖體斜坡破壞的物理模型試驗研究①

倪振強，孔紀名，阿發友

（1．聊城大學建筑工程學院，山東聊城 252000；2．中科院山地所山地災害與地表過程重點實驗室，四川成都 610041；3．昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

地震作用下非貫通節理巖體斜坡破壞的物理模型試驗研究①

倪振強1，孔紀名2，阿發友3

（1．聊城大學建筑工程學院，山東聊城 252000；2．中科院山地所山地災害與地表過程重點實驗室，四川成都 610041；3．昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093）

地震作用下高斜坡破壞的發生發展過程比較短暫、劇烈，破壞機理相對復雜。本文采用模型試驗的方法來研究地震作用下非貫通節理巖體斜坡的反應。試驗結果表明：節理上的應變最大，模型上部應變大于下部應變；節理貫通機理復雜，多為拉剪復合型破壞；節理的貫通并不意味著斜坡的破壞，而是破壞了斜坡的整體性，使其處于臨界狀態。試驗揭示了此類斜坡在地震作用下的動力響應及破壞機理，可為理論和工程實踐應用提供有益的參考和指導。

地震作用；非貫通節理；斜坡破壞；貫通機理；物理模型試驗

（1．School of Architecture and Civil Engineering，Liaocheng University，Shandong Liaocheng 252000，China；2．Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Science ＆Ministry of Water Conservancy／Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process，Chengdu 610041，China；3 Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

Abstract：In general the failure development process of high slope under seismic action is very short and intense，the failure mechanism is relatively complex．In this paper，a model test is adopted to study the response of intermittent joints rock slope under seismic load．The results indicate that the maximum strain is on the joints，the strain on upper part of the model is larger than the lower part．The coalescence mechanisms is complex，mostly are tensile－shear mixed failure．The coalescence of joints didn＇t imply the destruction of the slope，but destroy the integrity of the slope，and made it in the critical condition．The physical test reveals the response and failure mechanism of this type slope under the earthquake action，it will provide a useful reference and guide for theory application and engineering practice．

Key words：Earthquake action；Intermittent joints；Slope failure；Coalescence mechanism；Physical model test

0 前言

巖質斜坡的穩定變形分析由于其地質結構復雜多變以及其穩定性不易判別而成為工程和學術界關注的重大課題。而地震作用下的巖質斜坡破壞機理研究，特別是非貫通節理巖體斜坡的研究則更加復雜。目前大量學者對巖質高斜坡地震變形破壞問題展開了研究：王思敬［1］通過振動模擬試驗探討了塊體運動時滑動面的摩擦特性，討論了斜坡動力穩定性評價原理；薛守義［2］對塊狀巖體邊坡地震滑動位移進行了分析；祁生文［3］采用FLAC3D對斜坡動力響應規律進行了研究；何蘊龍［4］提出了一個巖石斜坡地震作用近似計算方法；姜彤［5］將加卸荷響應比理論運用到了地震作用下斜坡的響應研究中。這些研究集中在斜坡的穩定性及永久位移的計算方面，而對斜坡地震的漸進破壞和失穩力學機理的研究較少。

物理模擬是根據相似性原理和量綱分析原理，通過模型或模擬試驗的手段來研究模型內的應力應變狀態。常用的模擬方法主要有模型試驗、離心試驗、光測彈性法等，其中以模型試驗應用最為廣泛。由于物理模擬試驗是真實斜坡的簡化縮影，在滿足相似律的條件下，能夠較真實直觀地反映巖土斜坡的薄弱環節及漸進破壞機理和穩定性程度，便于直接判斷斜坡的地震穩定性［6－9］。

圖1 核桃坡不穩定斜坡模型示意圖Fig．1 Conceptualization model of Hetaopo unstable slope．

1 試驗目的及模型設計、制作

1．1 試驗目的

模型試驗是高斜坡穩定分析和變形研究中的一種重要手段。對于一些高斜坡由于其空間尺寸巨大，地質條件復雜，各種影響因素互相制約，特別是對于地震中的高斜坡，其發生發展過程比較短暫、劇烈，但其破壞機理卻相對復雜，使其在研究中受到諸多限制；而模型試驗可以通過在室內建立模型，提取影響地震作用下斜坡破壞的主要因素，忽略次要因素，客觀全面地觀察其發育發展過程。因此，本文采用模型試驗的方法來研究地震作用下非貫通節理巖體斜坡的反應，盡可能多的同時考慮多種因素及復雜邊界條件，揭示此類斜坡在地震作用下的動力響應及破壞機理，為理論和工程實踐應用提供有益的參考和指導。

1．2 相似原理

根據相似準則，在通過模型試驗進行斜坡破壞的物理過程或力學性質研究時，物理量的相似主要地是指一般幾何相似、動力學相似以及運動學相似三類。

在汶川地震滑坡中，砂泥巖、板巖、片巖、千枚巖等軟巖類的滑坡最多。這些軟巖類巖石除本身巖石力學性質之外，巖體結構的存在（特別是節理的存在）使斜坡在地震中極容易發生破壞。

例如汶川縣耿達鄉三村一組的核桃坡不穩定斜坡（圖1），該斜坡前緣高程為1 406m，后緣高程1 545m，前后緣高差約140m，距離約為180m。坡度變化范圍較大在30°～70°之間，局部甚至更大。組成坡體的巖體主要為千枚巖，夾少量灰巖，產狀為275°∠51°。其主要力學參數為密度2．1g／cm3，抗壓強度為45．8MPa，抗剪強度粘聚力為1．7MPa，摩擦角34．5°。該斜坡主要受三個結構面控制，結構面①產狀為276°∠42°，延伸長65m，深0～10m，閉合度2～3cm；結構面②產狀為250°∠45°，延伸長100m，深0～30m，閉合度3～4cm；結構面③產狀為270°∠35°，延伸長80m，深0～40m，閉合度2～3cm。

該斜坡在汶川地震前相對穩定。汶川地震后斜坡沿結構面①發生了滑塌，并且結構面②、③也基本貫通，形成了不穩定斜坡。

本試驗以核桃坡不穩定斜坡和其同類型的非貫通節理巖體斜坡為基本原型，考慮了室內試驗具有的一定限制性，模型并不是完全制作成原型的外形；而是在一定程度上理想化了模型，并添加了兩組結構面。這樣做的目的是為了使試驗更具有代表性，并充分考慮其結構的復雜性。

取幾何相似系數Cl為300，因此設計模型的高度大約為0．55m，取容重相似系數Cr＝1．0，則根據相似理論得到的模型試驗的相似條件為

其中：Cl、Cγ、CσC、CC、CE、Cε、Cφ分別為幾何相似常數、容重相似常數、抗壓強度相似常數、粘聚力相似常數、變形模量相似常數、應變相似常數和摩擦角相似常數。

1．3 模型制作

根據不同試驗材料的力學性質，選擇石英砂、重晶石粉、碳酸鈣顆粒作為試驗材料，反復多次做出一系列材料配比的試件測試物理力學指標，以爭取滿足容重、彈性模量、抗壓強度的相似常數。采用雙膠紙來模擬節理結構面，得到滿足相似條件的滑面相似材料（表1）。

表1 模型材料配比及力學參數

按相似材料的配合比稱量各種成分，經過攪拌碾磨之后，倒入槽型試驗臺（試驗臺長3．5m，高0．8 m，寬0．5m），模型制作時實際堆積模型高0．5m，長度2．28m，取主滑方向寬度0．4m。模型不考慮斜坡兩側的摩阻力，因此在槽型試驗臺兩側各設置一層塑料，以使其兩側摩阻力近似為零。在槽型試驗臺底部設置一層厚約0．05m的粘土層，用來模擬斜坡下部的穩定巖體，使斜坡在試驗過程中免于整體滑動。其中節理設置5組，各節理間隔0．1m，傾斜角度為40°，節理①長0．33m，節理②長0．45 m，節理③長0．16m，節理④長0．31m，節理⑤長0．19m；其中①③、①④、②④和②⑤之間巖橋的長度皆為0．08m，節理③頂端距坡面的長度也為0．08 m。制作完成后的模型如圖2所示。

圖2 試驗模型Fig．2 Experimental model．

2 試驗設備及實驗過程

本次物理試驗的設備包括振動臺設備和量測設備。振動臺設備主要分為臺面基座、振動彈簧、激震電動機、模型箱、調頻箱和起降裝置。臺面基座為鋼結構，四個腳均設有升降螺桿可調節振動臺的高度；振動彈簧共4個，位于基座橫梁上支撐上部模型箱，最大載重2t；激震電動機采用MVE系列振動源三相異步電動機（OL1－WOLONG），激振力調整范圍0～13 000k，其頻率通過調頻控制箱進行調節，調頻范圍0．5～50Hz；模型箱尺寸為3m×0．85 m，自重0．2t。可進行二維振動輸入，水平方向允許最大振幅15mm，豎向允許最大位移10mm；在允許最大承重情況下水平X方向可以輸入最大加速度0．8g，豎直Y方向可以輸入最大加速度0．6 g。量測設備主要包括測振儀、地震傳感器、應變片和應變儀等，其中應變片布置兩排，Ⅰ號貼有應變片的蛇尺通過節理，Ⅱ號貼有應變片的蛇尺布置在節理之間，具體布置如圖2。

模型制作完備以后，通過激震電動機對模型進行激震，激震的同時利用測振儀進行地震波記錄；同時打開應變儀，對應變片的應變情況進行記錄。

3 試驗結果及分析

3．1 輸入地震波

地震動輸入是抗震設計中最大的不確定性，合理選擇用來分析的地震波是至關重要的。汶川縣地震基本烈度為Ⅷ度，設計基本水平地震加速度為0．2 g，地震動反應譜特征周期為0．35s。我們據此來設定輸入模型的地震波，通過測振儀記錄，經過基準校正和濾波處理，得到最終地震波如圖3所示。地震波加速度記錄時間間隔為0．01s，記錄時間為20s。其中水平向加速度峰值為1．93m／s2（≈0．2g＝1．96m／s2），豎向地震波加速度峰值為－1．21m／s2。

通過記錄的地震波可以看出，在激震電機的持續激震下，地震波振幅在較短的時間內迅速達到較大值，并在以后的震動中振幅變化較小。相對于自然地震波，激震電動機形成的地震波在達到峰值加速度后，由于激震的持續作用使地震波的振幅衰減較小。在電動機停止激震后，振動臺也能以較快的速度達到靜力平衡。雖然由激震電動機輸入的地震波與自然地震波有些許不同，但由于較小振幅段地震波對斜坡穩定性的影響較小，而對于主要時間段（振幅較大段）對坡體穩定性的影響較大，從這方面來說，兩者是具有相同特征的。

圖3 輸入地震波Fig．3 Input seismic wave．

3．2 應變記錄分析

應變是通過應變儀記錄，去除其中的奇異點得到的。圖4為時間－應變曲線（其中Ⅰ號和Ⅱ號應變蛇尺上應變片的各自號碼排序都是從模型自上向下算起的）。

由圖4（a）的Ⅰ號時間－應變曲線可以看出，在地震波輸入初期各點的應變極小，后隨著地震波的不斷輸入應變逐漸累積變大，而且各點的增大程度不同。其中點Ⅰ－1的應變最大，最大值達到4．92e－2；點Ⅰ－3的應變次之；其次各點應變最大值從大到小依次為點Ⅰ－5，Ⅰ－2，Ⅰ－4。通過分析穿越節理的Ⅰ號蛇尺上的應變，可以總結出這樣的規律：模型上部的應變大于底部的應變，節理上的應變大于節理間巖土的應變。

圖4 時間－應變曲線Fig．4 Time－strain curves．

由圖4（b）的Ⅱ號時間－應變曲線可以看出，在地震波輸入初期各點的應變較小，后隨著地震波的不斷輸入其應變逐漸累積增大。其中點Ⅱ－2的應變最大，最大值為5．20e－2；其次各點的應變最大值從大到小依次為點Ⅱ－4，Ⅱ－1，Ⅱ－3，Ⅱ－5。通過分析未穿越節理的Ⅱ號蛇尺上的應變，我們可以得到：模型上部的應變大于底部的應變，①、②節理頂端的應變大于其它部位的應變，相對于Ⅰ號上的應變Ⅱ號較大。

對于Ⅰ號應變蛇尺上的應變情況，節理上的應變大于節理間巖體的應變，這是因為在地震動的作用下，由此引起斜坡巖體中的拉剪應力和震動慣性力共同作用，節理間的變形大于巖體的變形造成的。當應力波從相對堅硬的巖體傳入較軟弱的巖層中時，將產生反射波（即拉伸波），在界面處產生拉應力；而水平地震波產生反射時，不僅會產生拉應力同時還產生較強的剪切作用。模型上部的變形大于底部巖體，是因為地震加速度會隨坡高的增加（即放大效應）［10－13］造成的，上部慣性力大于下部慣性力，同樣使模型上部的巖體變形大于底部巖體的變形。

對于Ⅱ號應變蛇尺上的應變情況，①、②節理頂端的應變大于其它部位的應變，這是因為在節理面的變形擴展延伸，擠壓節理頂端的巖體而造成的。節理頂端作為節理面的擴展延伸點，無論方向如何，這個部位較之其他部位都將首先發生破壞。

模型內部節理是整體的薄弱環節，因此在地震動作用下節理面上的應變將率先增大，進而擴展至節理頂端、巖體。從圖4可以看出，點Ⅱ－2的應變值是所有點的應變值中最大的值，在地震荷載的作用下此點將首先達到塑性應變極限，發生破壞；而在所有應變值中Ⅰ－1和Ⅰ－3的值略小于點Ⅱ－2的值，因此當斜坡破壞時，節理面將在Ⅱ－2與Ⅰ－1或Ⅱ－2與Ⅰ－3之間貫通。

4 斜坡模型變形破壞機理分析

相對于靜力條件下斜坡破壞的標志，地震作用下由于荷載隨時間的變化，位移也將隨時間發生變化［9］，因此單憑某一時刻位移的突變是不能判斷斜坡的；而塑性應變的貫通作為斜坡整體失穩的標志在動力分析中仍是適用的。對于非貫通節理巖體斜坡的破壞是以節理的貫通、巖橋的破壞為標志的［14］。在本次地震模型試驗中，通過挖開的模型坡面圖可以清楚地看到節理的貫通情況（圖5）。

圖5 模型中節理的貫通Fig．5 The coalescence of joints in the model．

在節理傾斜角度一定的情況下，巖橋的長短是影響節理貫通的最大因素；而在巖橋長度相同時，破壞總是發生在巖土體抗剪（張拉）強度不能承受其剪切（張拉）應力的地帶。在本模型的節理組合下，各節理之間的巖橋均設置為0．08m，在節理①③和①④之間巖橋長度相同的情況下，節理③頂端貫通模型表面發生破壞；而在①④節理和②④之間巖橋長度相同的情況下，①④節理貫通破壞。由應變記錄的分析可知，在模型節理的貫通破壞處都產生了較大的應變，在節理③頂端對應的應變記錄為Ⅰ－1處的4．92e－2；而在①④節理之間對應的應變記錄分布為Ⅱ－2處的5．20e－2和Ⅰ－3處的3．79e－2。當應變足夠大時，塑性應變達到極限，巖體破壞，從而使節理之間貫通形成破壞面。

文獻［15］指出在地震荷載作用下，節理有可能處于拉剪應力狀態，或壓剪應力狀態；巖體動力破壞是一系列具災變性的節理系統演化和發展過程和結果，其復雜性和不均勻性遠大于靜力作用時的情況。巖體在受到水平和豎向地震動作用時的破裂機制和應力強度因子在結構面傾角一定時取決于水平和豎向地震系數組合。模型在初始接觸到地震動時，特別是第一個加速度組合方向垂直節理面、方向指向坡體表面時，模型將與初動方向相同一側受拉，剪應力斜向坡上，造成坡體的松動變形，形成初始破壞。此后在地震波的持續作用下，尤其是水平向地震波造成模型體左右晃動，其作用效果使坡體應力方向隨時發生改變，甚至相反。斜坡表部表現更為強烈，一旦達到其破壞強度將迅速破壞。

對于節理①頂端的裂隙形成，節理頂端形成了兩條裂隙，一條是沿節理產狀，主要是剪應力造成的；另一條是豎直方向，主要是拉應力造成的。最終是沿著豎向裂隙貫通到了模型表面。這是因為在地震波作用下，一般坡頂裂縫為拉應力產生，向下（坡體內部）裂縫逐漸變小消失（這與筆者在汶川地震中的現場考察結果是相一致的），進而作用力轉化為以剪應力為主。對于①④節理之間的貫通，亦是拉剪應力共同作用的結果，但相對于淺表層，剪應力的作用大于拉應力的作用。通過應變監測可知，節理頂端是應變較大的地方，當達到塑性應變極限時，節理沿著這些端點進一步破壞延伸。但由于拉應力的作用，使得破壞面并非全與剪切方向平行，而是沿著合力最大的方向，最終破壞面為一不規則的曲線，如圖5。

模型在地震作用下使得部分節理貫通，但在地震停止后，斜坡整體并未發生破壞。地震作用進一步破壞了斜坡整體性，進而降低斜坡穩定性。由于先前的地震作用而使斜體內部節理貫通使斜坡處于臨界狀態，此后雨水的入滲將降低斜坡的力學參數，在一定程度時發生失穩破壞；另一種情況是在地震過后，余震的侵襲也有可能導致斜坡的失穩破壞；另外在遭遇人為因素，例如開挖時也有可能導致斜坡的失穩破壞。在本次試驗中，當對模型第二次進行激震（將激震電動機頻率調小以模擬余震）時，模型沿節理貫通區發生了破壞（圖6）。

圖6 二次激震下斜坡的破壞Fig．6 The destruction of slope under second time ground motion．

對于深層的節理②⑤雖未貫通，但在節理的頂端亦可見細小的裂紋，通過對模型地表的測量，②號節理處的坡面有微小的沉降，而且由應變記錄分析，在②⑤節理間發生了塑性應變，使巖體遭到了破壞。在實際工程中，如果遇到此類斜坡坡腳開挖，使節理有臨空面時，則有可能造成斜坡②⑤節理的剪切破壞。

5 結論

本文通過模型試驗對地震作用下非貫通節理巖體斜坡的破壞機理進行詳細分析，得到以下幾個結論：

（1）在地震荷載的持續作用下，節理上的應變最大，節理頂端應變次之，巖體上的應變最小；模型上部巖體的應變由于地震加速度的放大效應，普遍大于模型下部巖體的應變。

（2）在地震荷載的持續作用下，節理的貫通機理是比較復雜的，多數破壞為拉剪復合型破壞。模型上部以張拉破壞為主，模型下部以剪切破壞為主。

（3）斜坡在地震荷載的持續作用下，坡體內的節理貫通，破壞了斜坡整體性，進而降低斜坡穩定性。但有可能并不立即破壞，而在遭遇開挖、雨水和余震的作用時才發生破壞。

（4）斜坡模型的破壞機理表明，如果對此類非貫通節理巖體斜坡進行加固，一方面可以在坡腳堆積荷載或修建擋墻，消除節理臨空面；二是應對節理面進行錨索加固，為滑坡體提供較大的抗滑阻力。

作為地震作用下的物理模型試驗，目前研究尚少，特別是在材料配制、模型制作和試驗觀測方面比較困難和復雜。本文對地震作用下非貫通節理巖體斜坡的破壞進行了物理試驗，其中仍有許多地方需要改進，但作為試驗性的研究，無論是對此后同類試驗的研究或是工程實踐的建設都有借鑒和指導意義。

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Physical Model Test of Rocky Slope Failure Containing Intermittent Joints under Earthquake Action

NI Zhen－qiang1，KONG Ji－ming2，A Fa－you3

TU457

A

1000－0844（2012）03－0209－06

10．3969／j．issn．1000－0844．2012．03．0209

2011－08－20

國家自然科學基金重點項目（50639070）；云南省交通運輸廳科技項目－云南干線公路邊坡災害風險評估研究（2010（A）08－b）

倪振強（1983－），男（漢族），山東萊蕪人，講師，博士，主要從事邊坡、基坑等巖土工程方面的研究．

孔紀名（1956－），男，研究員，主要從事斜坡變形破壞規律研究．