西南山區(qū)鐵路沿線反傾巖質(zhì)邊坡地震動力響應(yīng)振動臺試驗(yàn)研究

陳偉庚 劉洋 王棟 岳茂 張良

（1.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣州 510000；2.中科（湖南）先進(jìn)軌道交通研究院，湖南株洲 412000；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031）

西南山區(qū)鐵路沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動強(qiáng)烈，由地震所引起的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。巖質(zhì)層狀邊坡是鐵路沿線分布極為普遍的邊坡類型［1]。與堆積型邊坡相比，該類邊坡受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的影響，穩(wěn)定性較差，在地震作用下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞［2]，給西南山區(qū)鐵路的工程建設(shè)及運(yùn)營安全帶來挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性問題開展了大量研究。黃潤秋等［3]結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測成果建立了層狀巖體失穩(wěn)破壞模型，并通過大型振動臺試驗(yàn)研究不同結(jié)構(gòu)類型斜坡的破壞過程和地震響應(yīng)特征；劉新榮等［4]針對三峽水庫蓄水誘發(fā)的高頻次微小地震，采用振動臺試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了不同動荷載、坡高等因素對順傾層狀巖質(zhì)邊坡的累積損傷和穩(wěn)定性的影響；Fan 等［5]開展含泥夾層的順層和反傾巖質(zhì)邊坡振動臺試驗(yàn)，得到邊坡動力破壞模式，并采用能量判識方法對邊坡內(nèi)部的震害損傷發(fā)展過程進(jìn)行了分析。

以往文獻(xiàn)對順層巖質(zhì)邊坡的研究很多，對反傾巖質(zhì)邊坡的研究較少，并且這類邊坡受巖土性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造的影響，在地震作用下的失穩(wěn)破壞機(jī)制極為復(fù)雜。基于此，本文以西南山區(qū)鐵路沿線典型的反傾巖質(zhì)邊坡為例，開展含結(jié)構(gòu)面反傾巖質(zhì)邊坡的振動臺試驗(yàn)，采用時(shí)頻域分析方法研究輸入不同峰值加速度地震波時(shí)該類邊坡的地震動力響應(yīng)特性，以供為西南山區(qū)鐵路防災(zāi)減災(zāi)措施的制定提供參考。

1 振動臺試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型參數(shù)的確定

本次試驗(yàn)以西南山區(qū)鐵路一隧道出口處的反傾巖質(zhì)邊坡為原型，在信陽師范學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開展振動臺試驗(yàn)。該振動臺為大型單向地震模擬振動臺，振動臺的臺面尺寸為3 m × 3 m，臺面結(jié)構(gòu)為鋼焊單層網(wǎng)格，臺面最大承載量為10 t，最大振動速度為0.7 m/s，工作頻率為0.1～50.0 Hz，位移范圍為±125 mm，水平向最大加速度為15 m/s2。

根據(jù)相似理論，原型與模型的幾何尺寸、土體重度和重力加速度的相似常數(shù)分別為10，1，1。通過Buckingham π 定理、量綱分析法［6]導(dǎo)出其余主要物理量的相似比，見表1。鑒于原型邊坡巖性主要以石英砂巖夾板巖為主，參考模型試驗(yàn)常用的相似材料以及各種配合比相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)［7-8]，采用石膏、黏土、河砂和水作為原材料，巖層材料的配合比為石膏∶黏土∶河砂∶水=1.00∶5.38∶1.52∶0.27，結(jié)構(gòu)面材料的配合比為黏土∶河砂∶水=1.00∶6.89∶0.25。通過密度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)以及三軸壓縮試驗(yàn)，確定巖層材料的密度為1.908 g/cm3、黏聚力為15.5 kPa、內(nèi)摩擦角為37.9°，結(jié)構(gòu)面材料的密度為1.72 g/cm3、黏聚力為2.7 kPa、內(nèi)摩擦角為41.7°。

表1 振動臺試驗(yàn)物理量相似常數(shù)

1.2 模型制作及測點(diǎn)布置

模型箱由角鋼、槽鋼和鋼板焊接而成，尺寸為2.0 m（長）× 2.0 m（寬）× 1.5 m（高）。為了便于觀察邊坡的變形破壞情況，模型箱兩側(cè)采用厚12 mm 的有機(jī)玻璃。同時(shí)，在有機(jī)玻璃與模型之間均勻涂抹凡士林，以減小模型與有機(jī)玻璃之間的摩擦。為了減少模型受邊界效應(yīng)的影響，在鋼板與模型之間放置厚10 cm的聚乙烯泡沫作為減震層。

為了方便建立模型和試驗(yàn)分析，根據(jù)前期地質(zhì)勘查結(jié)果將原型邊坡簡化為巖層平行的邊坡，巖層傾角為35°，坡角為60°，按照巖層厚度6 cm、軟弱夾層厚度1 cm 分層填筑夯實(shí)，填筑一層后靜置一段時(shí)間后填筑下一層。填筑期間，將三向加速度傳感器布置在坡體內(nèi)部和表面，振動臺的臺面上也布置了加速度傳感器。通過剛性支撐將拉線式位移計(jì)固定在模型箱上，用于測量坡面不同高度處的位移。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1，測點(diǎn)布置如圖2所示，A1為坡肩測點(diǎn)；A2，A3，A4，A5 為坡體內(nèi)部測點(diǎn)；A6，A7，A8 為坡體表面測點(diǎn)；A9 為臺面測點(diǎn)，為計(jì)算邊坡加速度峰值放大系數(shù)的參照點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.3 加載工況

在水平方向施加汶川臥龍地震波。施加前對地震波的峰值加速度進(jìn)行歸一化處理，持時(shí)按照原型和模型的相似關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的地震波加速度時(shí)程曲線及其傅里葉頻譜見圖3。峰值加速度從0.1g開始，按0.3g，0.5g，0.7g，0.9g，1.0g，1.2g逐級加載，并在每一級地震波加載前均對模型進(jìn)行0.05g的白噪聲掃描。

圖3 調(diào)整后的地震波加速度時(shí)程曲線及其加速度傅里葉幅值譜

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 反傾巖質(zhì)邊坡的加速度放大效應(yīng)

將A1—A8 各測點(diǎn)的y向加速度峰值與振動臺臺面測點(diǎn)A9 的y向加速度峰值的比值定義為加速度峰值放大系數(shù)β。輸入不同峰值加速度G的地震波時(shí)β值隨邊坡高度的變化情況見圖4。可以看出：

1）對于坡內(nèi)測點(diǎn)，輸入G＝0.1g～0.9g的地震波時(shí)，測點(diǎn)A5—A4β值隨高度增加而減小，測點(diǎn)A4—A1β值隨高度增加而增大，特別是在2/3 高度（臨界點(diǎn)A2）以上β值顯著增大；輸入G＝1.0g～1.2g的地震波時(shí)β值在臨界點(diǎn)之前隨高程增加而減小，在臨界點(diǎn)之后β值顯著增大。對于坡體表面測點(diǎn)，輸入G＝0.1g～0.9g的地震波時(shí)β值隨邊坡高度增加一直增大；輸入G＝1.0g～1.2g的地震波時(shí)測點(diǎn)A8—A7β值隨高度增加而增大，測點(diǎn)A7—A6 呈減小趨勢，在測點(diǎn)A8—A6變化幅度不大，但在臨界點(diǎn)之后隨高度增加又明顯增大。可見無論是在坡內(nèi)還是坡體表面，除局部β值隨高度增加而減小，總體來看β值隨高度增加而增加，表明地震動力響應(yīng)具有高程放大效應(yīng)［6]，且在坡肩處放大效應(yīng)更明顯。

圖4 不同峰值加速度地震波作用下β 值隨邊坡高度的變化情況

2）在相同高度下輸入不同G的地震波時(shí)，除了底部坡內(nèi)測點(diǎn)A5 的β值大于坡體表面測點(diǎn)A8，其余同一高度的2 個(gè)測點(diǎn)均是坡體表面測點(diǎn)的β值大于坡內(nèi)測點(diǎn)，反映出地震動力響應(yīng)還具有趨表放大效應(yīng)［6]。

3）坡肩測點(diǎn)A1 與臨界點(diǎn)A2的β值相差較大。G＝0.9g時(shí)測點(diǎn)A1 的β值達(dá)到最大值，之后β值隨G的增加而減小，可見加載到G＝0.9g時(shí)坡肩達(dá)到臨界狀態(tài)。此時(shí)坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，巖體中存在大量微裂縫，將邊坡分割成松散塊體，增強(qiáng)了邊坡材料的濾波效應(yīng)［9]。

2.2 反傾巖質(zhì)邊坡的加速度傅里葉幅值譜特征

對各測點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT），得到加速度傅里葉幅值譜。

輸入G＝0.1g的地震波時(shí)反傾巖質(zhì)邊坡各測點(diǎn)加速度傅里葉幅值譜見圖5。可見：在地震波作用下邊坡坡內(nèi)和坡體表面的加速度傅里葉幅值譜形態(tài)及分布基本一致。加速度傅里葉幅值主要分布在0～60 Hz，并在20，30 Hz 附近出現(xiàn)2 個(gè)峰值，并且幅值隨邊坡高度增加逐漸增大，表明地震波在向上傳播過程中能量逐漸增大。

圖5 輸入G＝0.1g的地震波時(shí)反傾巖質(zhì)邊坡的加速度傅里葉幅值譜

對輸入G＝0.1g的地震波時(shí)測得的臺面測點(diǎn)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行FFT 變換，得到加速度傅里葉幅值譜。坡肩、坡內(nèi)、坡體表面測點(diǎn)的加速度傅里葉幅值與臺面測點(diǎn)的加速度傅里葉幅值的比值記為Spt［10]。

輸入G＝0.1g的地震波時(shí)反傾巖質(zhì)邊坡的Spt變化曲線見圖6。由圖2 和圖6 可知：①從A5 到A1，A8到A1，隨著坡體高度增加，地震波穿越多個(gè)節(jié)理面，其頻譜分布逐漸變得復(fù)雜，3個(gè)Spt峰值逐漸增大，高程放大效應(yīng)明顯。②坡肩測點(diǎn)A1 處Spt的峰值最大。這是因?yàn)槠录鐬樽杂擅妫卣鸩ㄔ诖颂幎啻握凵浜头瓷涫沟肧V 波（S 波為一種偏振波，其質(zhì)點(diǎn)在豎直面內(nèi)運(yùn)動時(shí)稱為SV波）與P波（縱波）發(fā)生了耦合效應(yīng)。

圖6 輸入G＝0.1g的地震波時(shí)不同測點(diǎn)的Spt變化曲線

3 結(jié)論

本文通過大型振動臺試驗(yàn)研究了輸入不同峰值加速度地震波時(shí)反傾巖質(zhì)邊坡的地震動力響應(yīng)特性。得出以下結(jié)論：

1）對于坡體內(nèi)部測點(diǎn)，β值隨邊坡高度增大先減小后增大；對于坡體表面測點(diǎn)，除了G＝1.0g～1.2g，輸入其他峰值加速度時(shí)各測點(diǎn)β值均隨邊坡高度增加而增大。無論是坡體內(nèi)部還是坡體表面測點(diǎn)，坡肩測點(diǎn)A1 處的β值明顯大于臨界點(diǎn)（A2，A6）處的β值，地震動力響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的高程放大效應(yīng)。

2）在相同高度下輸入不同峰值加速度地震波時(shí)，除了底部坡內(nèi)測點(diǎn)A5 的β值大于坡體表面測點(diǎn)A8，其余同一高度的2 個(gè)測點(diǎn)均是坡體表面測點(diǎn)的β值大于坡內(nèi)測點(diǎn)，反映出地震動力響應(yīng)具有趨表放大效應(yīng)。

3）與臨界點(diǎn)的β值相比，坡肩測點(diǎn)的β值明顯增大。在G＝0.9g時(shí)β值達(dá)到最大值，之后β值隨G增大而減小，可見加載到G＝0.9g時(shí)坡肩達(dá)到了臨界狀態(tài)。

4）邊坡坡內(nèi)和坡體表面的加速度傅里葉幅值譜形態(tài)及分布基本一致。傅里葉幅值主要分布在0～60 Hz，在20，30 Hz 附近出現(xiàn)2 個(gè)峰值，并且傅里葉幅值隨邊坡高度增加逐漸增大，表明地震波在向上傳播過程中能量逐漸增大。

5）隨坡體高度增加，地震波穿越多個(gè)節(jié)理面，其頻譜分布逐漸變得復(fù)雜，3個(gè)峰值的Spt值逐漸增大，高程放大效應(yīng)明顯，且坡肩處Spt的峰值最大。