不同類型黃土場(chǎng)地地震誘發(fā)災(zāi)害分析

王會(huì)娟,王 平,郭利軍,錢紫玲,柴少峰,夏曉雨

(1.甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,甘肅 蘭州 730000;2.河北省地震災(zāi)害防御與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 三河 065201;3.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;4.內(nèi)蒙古能源集團(tuán)有限公司烏斯太熱電廠,內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750336)

0 引言

隨著國家“一帶一路”倡議的深入推進(jìn),黃土高原地區(qū)日益增長(zhǎng)的重大工程建設(shè)需求和成因類型復(fù)雜、地震地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的黃土場(chǎng)地成為主要矛盾。黃土場(chǎng)地地形和地層結(jié)構(gòu)條件是影響黃土場(chǎng)地地震災(zāi)害和地震動(dòng)響應(yīng)的主要因素之一,主要是引起了地震動(dòng)能量的增加和地震波傳播特征的改變,導(dǎo)致黃土場(chǎng)地地震災(zāi)害頻發(fā),建設(shè)用地受到了極大限制。因此,研究局部場(chǎng)地條件對(duì)黃土場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)特性的影響,揭示地震荷載作用下地形和地層結(jié)構(gòu)誘發(fā)的地震災(zāi)害成為了巖土地震工程領(lǐng)域關(guān)注的重要科學(xué)問題,研究成果對(duì)黃土場(chǎng)地地震災(zāi)害防御具有重要的科學(xué)意義。

局部場(chǎng)地條件對(duì)黃土場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)具有直接的影響,主要體現(xiàn)在局部條件對(duì)加速度、頻譜特征以及變形等因素的放大或縮小,并直接導(dǎo)致地震災(zāi)害的嚴(yán)重程度[1]。復(fù)雜地形條件造成地震動(dòng)放大異常,導(dǎo)致上部建筑結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重[2],該現(xiàn)象在黃土塬邊、溝谷和山脊地形條件下尤為突出。1994年HARTZELL等[3]針對(duì)山脊地形條件開展了研究,得出了地形效應(yīng)對(duì)黃土場(chǎng)地的破壞較為明顯。PEDERSEN等[4-5]基于地震數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù),考慮地震波的傳播特征和高程效應(yīng),分析了地震荷載作用下地形對(duì)場(chǎng)地效應(yīng)的影響。ASHFORD等[6-8]統(tǒng)計(jì)分析了陡坡地形條件下建筑物的震害情況,得出了地形條件的放大效應(yīng)是引起震害的主要原因。車偉等[9]研究了地形條件對(duì)地震波傳播的影響,揭示了地形條件對(duì)地震動(dòng)的放大具有差異性。吳志堅(jiān)等[1]基于汶川地震震害調(diào)查,指出黃土場(chǎng)地地形條件是影響地震災(zāi)害的重要因素。

針對(duì)黃土場(chǎng)地地層條件的研究主要體現(xiàn)在土-巖接觸型邊坡、土層性質(zhì)以及場(chǎng)地結(jié)構(gòu)等方面,王平等[10-11]基于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬,從黃土-泥巖接觸型邊坡宏觀破壞特征、地震動(dòng)響應(yīng)和破壞模式等方面,分析了黃土場(chǎng)地地層條件對(duì)地震動(dòng)響應(yīng)的影響。袁麗俠[12]針對(duì)盆地場(chǎng)地研究了土層性質(zhì)對(duì)地震動(dòng)的影響,指出了地基土的性質(zhì)可導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞。李思東[13]采用數(shù)值模擬方法,得出了地震動(dòng)一致條件下,土層條件是影響場(chǎng)地地震相應(yīng)的主要因素。王會(huì)娟等[14]建立三元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地振動(dòng)臺(tái)所持模型,指出了地震動(dòng)頻率和土層間的相互滑動(dòng)摩擦作用是影響地震動(dòng)響應(yīng)的主要因素。蘭景巖等[15]開展了離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),研究了地震動(dòng)放大系數(shù)隨黃土層厚度的影響規(guī)律,得出了土層厚度和放大效應(yīng)呈現(xiàn)正相關(guān)性。

地震荷載作用下,針對(duì)黃土場(chǎng)地地形和地層條件動(dòng)力響應(yīng)的研究成果眾多,但地震波在塬、塬邊(斜坡)、梁等地形條件下產(chǎn)生的地形場(chǎng)地效應(yīng)和土-巖接觸等地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地質(zhì)場(chǎng)地效應(yīng)[16-18]對(duì)地震災(zāi)害的影響方面的研究略有不足。有鑒于此,本文以地震作用下地形場(chǎng)地效應(yīng)和地層場(chǎng)地效應(yīng)的動(dòng)力變形特性差異性為出發(fā)點(diǎn),建立不同類型的黃土場(chǎng)地計(jì)算模型,在考慮自重應(yīng)力、地震動(dòng)力、滑動(dòng)摩擦力等因素影響的基礎(chǔ)上,開展不同類型黃土場(chǎng)地?cái)?shù)值模擬計(jì)算,分析初始應(yīng)力條件下的垂直應(yīng)力及剪應(yīng)變?cè)隽糠植继卣?揭示不同類型黃土場(chǎng)地危險(xiǎn)特性和潛在滑移面類型;結(jié)合不同類型黃土場(chǎng)地簡(jiǎn)化模型動(dòng)力計(jì)算結(jié)果,探討不同地震荷載強(qiáng)度作用下的加速度放大系數(shù)、頻譜變化特征和水平方向位移變化規(guī)律,揭示地形條件和地層結(jié)構(gòu)條件對(duì)黃土場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)的影響,揭示地形和地層結(jié)構(gòu)條件對(duì)黃土場(chǎng)地地震災(zāi)害的影響。研究成果對(duì)黃土場(chǎng)地地震災(zāi)害防御和抗震設(shè)防具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 地質(zhì)背景

1.1 黃土斜坡場(chǎng)地

甘肅省天水市典型黃土-泥巖接觸型斜坡場(chǎng)地(圖1)受南北構(gòu)造帶擠壓強(qiáng)烈,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁發(fā)生,其幅值和速度較大,對(duì)斜坡產(chǎn)生的影響較為明顯。該地區(qū)地震震級(jí)可達(dá)Ms6～8級(jí),極易引發(fā)大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害,如滑坡、崩塌和泥石流等,同時(shí),該黃土場(chǎng)地地處隴南山區(qū)西秦嶺山地山間斷陷盆地(西禮盆地)西部,境內(nèi)山巒重疊,坡陡谷深,溝壑縱橫,地形復(fù)雜。東北部為黃土梁峁溝壑區(qū),西北和西南部為秦嶺石質(zhì)山地,南部為土石山區(qū),縣境北緣是長(zhǎng)江水系和黃河水系的分水地帶,在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響與外營力的共同作用,形成多種多樣的地貌形態(tài),整體地勢(shì)呈現(xiàn)東北高西南低,斜坡坡度集中在15°～20°之間的高達(dá)81%。第四紀(jì)晚更新世以來,在隴中黃土高原形成過程中,來自異地的風(fēng)成黃土覆蓋在第三紀(jì)紅層之上,黃土層自南向北逐漸增厚。頂部夾腐殖層。區(qū)域厚度大于 100 m,鉆孔揭露 37.9 m,其中含腐殖質(zhì)的淤泥質(zhì)泥巖厚5.7 m。巖層傾向 ES,傾角小于 10°。

圖1 黃土-泥巖接觸面型斜坡剖面及特征Fig. 1 Coss section and local featunes of typical landslides

歷次地震災(zāi)害調(diào)查發(fā)現(xiàn),單一黃土滑坡主要由由全新世黃土或坡積黃土狀土和Q3黃土組成,巖性單一、均質(zhì)、原生垂直節(jié)理發(fā)育,一般具濕陷性,大多分布于塬的邊緣。該類滑坡含水率較低,斜坡傾角較小,在地震作用下,黃土的架空結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌,土顆粒發(fā)生解體,土顆粒之間的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生旋轉(zhuǎn),翻滾,滑移運(yùn)動(dòng),原有大孔隙結(jié)構(gòu)破壞并被細(xì)小顆粒和空隙填充,空隙氣壓增大,有效應(yīng)應(yīng)力減小,抗剪強(qiáng)度降低,導(dǎo)致斜坡發(fā)生失穩(wěn)破壞[19-23]。

1.2 黃土塬場(chǎng)地

我國西北區(qū)域黃土塬地勢(shì)平坦開闊、四周溝谷切割,分布范圍都在幾十到幾百平方公里。根據(jù)勘探資料,場(chǎng)地土主要由第四系的全新統(tǒng)雜填土、第四系上更新統(tǒng)黃土和中更新統(tǒng)黃土層組成。

甘肅省平?jīng)鍪写笳l(xiāng)地形復(fù)雜,北部為黃土塬,居住人口集中。南面大部地區(qū)為山地,人口居住分散。地貌類型以溝壑、殘塬為主,丘陵為主,黃土覆蓋層較厚,隸屬黃土高原丘陵區(qū)。整體地形呈現(xiàn)出東北低,西南高的形態(tài)分布,平均海拔為1 350～1 700 m。常年日照充足,屬溫帶半干旱半濕潤氣候,年平均氣溫約為9.89 ℃,晝夜溫差較大。氣候相對(duì)較為干燥,年平均降雨量為500多毫米左右,主要集中于夏季。大寨鄉(xiāng)地區(qū)地表土層以黃土狀粉土為主,土質(zhì)疏松,垂直節(jié)理發(fā)育;中部為黃土狀粉質(zhì)黏土,土質(zhì)較為均勻,鈣質(zhì)結(jié)合物含量較高;底部為第四紀(jì)紅層,呈現(xiàn)紅棕色,致密、堅(jiān)硬、呈現(xiàn)出塊狀,與上覆黃土呈現(xiàn)不整合接觸。受地形地貌和地層結(jié)構(gòu)的影響,引起地震波的疊加和相對(duì)位移,最終引發(fā)局部場(chǎng)地出現(xiàn)明顯的放大作用,加導(dǎo)致地震災(zāi)害加劇,如圖2所示。

圖2 平?jīng)鍪写笳l(xiāng)震害及地形特征Fig. 2 Damage and local featunes in Zhaoyuan,Dazhai town,Pingliang City

2 模型建立及參數(shù)設(shè)定

2.1 模型建立

本文以地震作用下地形場(chǎng)地效應(yīng)和地層場(chǎng)地效應(yīng)的動(dòng)力變形特性差異性為出發(fā)點(diǎn),建立不同類型的黃土場(chǎng)地計(jì)算模型,因此地形條件主要考慮塬及塬邊為計(jì)算模型,地層條件主要考慮黃土-泥巖接觸型的二元結(jié)構(gòu)地層和純黃土的一元結(jié)構(gòu)類型。

根據(jù)甘肅省天水市典型黃土-泥巖接觸型斜坡場(chǎng)地的實(shí)際尺寸,建立黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡模型和一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡概化分析模型,兩種不同類型斜坡模型長(zhǎng)為480 m,寬280 m,高200 m,斜坡坡頂寬度為100 m,斜坡坡面處坡角為25°,坡腳以下,斜坡坡角為15°。黃土斜坡場(chǎng)地模型尺寸及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。為有效進(jìn)行底層結(jié)構(gòu)對(duì)黃土場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)差異性的研究,概化模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于相同部位,分別布設(shè)于距場(chǎng)地左邊界20、100、170、240和380 m處,即斜坡后緣、坡肩、坡腰和坡腳部位。

圖3 斜坡場(chǎng)地模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig. 3 The models and monitoring points of landslides types

根據(jù)甘肅省平?jīng)鍪械湫蛙珗?chǎng)地的鉆孔資料和實(shí)際尺寸,建立一元結(jié)構(gòu)和二元結(jié)構(gòu)大厚度黃土場(chǎng)地分析模型,一元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地模型長(zhǎng)為140 m,寬70 m,高50 m,二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地模型長(zhǎng)為75 m,寬75 m,高65 m,黃土塬場(chǎng)地模型尺寸及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。黃土塬模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿高程等距布設(shè),考慮地層條件的影響,在分界面處布設(shè)傳感器。

圖4 大厚度場(chǎng)地模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig. 4 The models and monitoring points of large thickness field

模型靜力計(jì)算時(shí)四周采用固定約束,模型頂部自由,動(dòng)力計(jì)算時(shí)清除固定約束采用自由場(chǎng)邊界在模型四周生成二維和一維網(wǎng)格,通過阻尼器與主體網(wǎng)格進(jìn)行耦合,為主體網(wǎng)格提供與無限場(chǎng)地作用相同的效果,阻止地震波在邊界發(fā)生反射效應(yīng)[24]。為了精確描述地震波在模型中的傳播特性,模型網(wǎng)格劃分依據(jù)網(wǎng)格尺寸Δl小于地震波波長(zhǎng)的1/8或者1/10[25],因此本文模型網(wǎng)格長(zhǎng)度在3～5 m之間。

2.2 物理參數(shù)

基于室內(nèi)三軸試驗(yàn),得出不同類型黃土場(chǎng)地的土性條件、物理力學(xué)參數(shù)。結(jié)合有限差分軟件,通過對(duì)比分析應(yīng)力-應(yīng)變的發(fā)展特征,校正數(shù)值模擬所需關(guān)鍵參數(shù),采用該參數(shù)進(jìn)行黃土場(chǎng)地?cái)?shù)值模擬參數(shù)設(shè)置。采用本構(gòu)模型為Mohr—Coulomb模型,所需土體參數(shù)分別為體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等?？筛鶕?jù)室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行取值。

室內(nèi)試驗(yàn)所得土層參數(shù)如表1所示：

表1 物理模型材料參數(shù)Table 1 Material parameters

體積模量K、切向模量G與彈性模量E的換算式(1)如下：

(1)

式中μ為泊松比。

2.3 地震波類型

為了使數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際,同時(shí)便于和振動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比,數(shù)值模擬動(dòng)力計(jì)算過程中采用地震波水平分量和垂直分量同時(shí)輸入的方式。本文采用的不同頻率地震波加速度時(shí)程曲線分別來自于2013年7月22日岷縣地震波加速度時(shí)程如圖5(a),水平向和垂直向最大峰值加速度為1.86 m/s2和0.87 m/s2,岷縣地震波水平向和垂直向傅氏幅值譜如圖5(b),卓越頻率主要集中在4 Hz和8.3 Hz左右;2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震時(shí),湯峪強(qiáng)震臺(tái)記錄的主震加速度時(shí)程曲線,如圖6所示。地震波水平向峰值加速度為2.18 m/s2,地震波垂直向峰值加速度為1.37 m/s2,地震波兩分量主頻集中于0.8 Hz左右。

圖5 岷縣地震波Fig. 5 Min Xian seismic wave

圖6 湯峪地震波Fig. 6 Tangyu seismic wave

輸入地震荷載時(shí),對(duì)加速度時(shí)程乘以相應(yīng)的強(qiáng)度系數(shù)使其峰值分別為1、2、4、8 m/s2即烈度為Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度、Ⅹ度四種工況。計(jì)算結(jié)束后,結(jié)合不同類型黃土場(chǎng)地動(dòng)力計(jì)算數(shù)據(jù)和宏觀變形特征,分析地形條件和地層結(jié)構(gòu)條件對(duì)黃土場(chǎng)地地震災(zāi)害的影響。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 初始剪應(yīng)變?cè)隽糠治?/h3>

剪應(yīng)變?cè)隽渴且粋€(gè)與位移息息相關(guān)的物理量,同時(shí),由于巖土體發(fā)生破壞時(shí)某一面上的剪應(yīng)力超過其極限應(yīng)力狀態(tài),而且在此破裂面上發(fā)生較大剪切變形。因此,基于剪應(yīng)變?cè)隽空页霾煌愋忘S土場(chǎng)地的最軟弱部位,即最易發(fā)生損壞失穩(wěn)的部位。

從不同類型黃土場(chǎng)地X向剪應(yīng)變?cè)隽糠植记闆r如圖7可知,不同類型黃土場(chǎng)地存在明顯的剪應(yīng)變?cè)隽繋椅恢貌煌?。如圖7(a),黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡X向剪應(yīng)變?cè)隽垦亟佑|面處呈圓弧形狀分布。該剪應(yīng)變?cè)隽宽敳棵黠@穿出斜坡頂部,并在斜坡頂部貫通,沿著接觸面向下逐漸減小,延伸至分界面底部;斜坡表面坡腳處剪應(yīng)變?cè)隽繛樨?fù)值(云圖中藍(lán)色部分),則表明土體沿坡腰部位至坡腳發(fā)生堆積,黃土堆積層厚度均逐漸增大。

一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡如圖7(b)所示,假設(shè)為均質(zhì)黃土層,其X向剪應(yīng)變?cè)隽糠植记闆r與圖7(a)差異較為明顯,坡面上部即靠近坡肩位置發(fā)生一定的剪切破壞,坡體內(nèi)部相較于坡面破壞程度降低,坡面中部呈現(xiàn)共軛剪切破壞形式,斜坡坡腳和坡底發(fā)生少量土體堆積顯現(xiàn),整體相對(duì)穩(wěn)定。

圖7 不同類型黃土場(chǎng)地X向剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig. 7 XX strain increment cloud

大厚度場(chǎng)地整體較為穩(wěn)定,但是二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地如圖7(c)所見,由于內(nèi)部地層結(jié)構(gòu)的存在,導(dǎo)致場(chǎng)地內(nèi)部發(fā)生一定的土體塌陷和堆積現(xiàn)象,場(chǎng)地表面相對(duì)于一元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地?fù)p壞較為嚴(yán)重,場(chǎng)地周邊發(fā)生相對(duì)損壞,中部略有隆起現(xiàn)象,而一元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地內(nèi)部無明顯剪切變形。

綜上所述,圖7所見的地層條件對(duì)黃土場(chǎng)地的X向剪應(yīng)變?cè)隽坑绊懗尸F(xiàn)倍數(shù)增長(zhǎng),二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地水平向剪應(yīng)變?cè)隽渴且辉Y(jié)構(gòu)的1.5倍左右,但黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡潛在滑移面和損壞更為明顯,這種現(xiàn)象可能由于上覆黃土與下伏紅層在力學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)上均存在巨大差異,使得接觸面成為天然的地質(zhì)軟弱帶和相對(duì)滑動(dòng)帶。地形條件對(duì)X向剪應(yīng)變?cè)隽坑绊懖蝗菪∮U,由于圖中的地形的不同,即臨空面的存在則會(huì)引起土體沿坡面發(fā)生一定范圍的滑動(dòng)和堆積,斜坡場(chǎng)地的X向剪應(yīng)變?cè)隽渴谴蠛穸赛S土場(chǎng)地的上萬倍,進(jìn)一步說明黃土塬內(nèi)較塬邊更為穩(wěn)定,不易發(fā)生損傷破壞。

3.2 加速度放大系數(shù)變化規(guī)律

為了歸納總結(jié)地形條件和地層條件對(duì)地震動(dòng)響應(yīng)的差異性,本小結(jié)對(duì)比分析相同地震荷載作用下不同結(jié)構(gòu)黃土斜坡場(chǎng)地、大厚度黃土場(chǎng)地隨高程變化加速度放大系數(shù)的變化規(guī)律,相同場(chǎng)地條件下輸入不同頻率特性地震波的加速度放大系數(shù)變化規(guī)律,揭示震動(dòng)強(qiáng)度和頻率對(duì)不同類型黃土場(chǎng)地加速度變化規(guī)律的影響。

黃土斜坡場(chǎng)地以坡面監(jiān)測(cè)點(diǎn)PN1(N=1、2、3、4、5)為例,其中P0為基準(zhǔn)點(diǎn),分析輸入荷載為高頻岷縣地震波時(shí),黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡和一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡沿坡面加速度放大系數(shù)變化特征,見圖8(a)與圖8(b)。

黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡加速度放大系數(shù)沿坡面由坡面至坡頂?shù)淖兓?guī)律如圖8(a)所示。由坡腳至坡肩,加速度放大系數(shù)先減小后增大,坡肩位置處增大異常,坡頂相較于坡肩位置加速度放大系數(shù)減小,相較于坡面加速度放大系數(shù)增大,引起坡肩位置加速度變化異常現(xiàn)象的原因是由于坡肩位置應(yīng)力集中造成。輸入地震動(dòng)強(qiáng)度與加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大,坡肩位置加速度放大系數(shù)由3左右減小至1.2,坡頂加速度放大系數(shù)在1-1.7范圍內(nèi)變化。

圖8 黃土斜坡場(chǎng)地加速度放大系數(shù)變化規(guī)律Fig. 8 The law of acceleration amplification factor of landslides types

一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡加速度放大系數(shù)變化規(guī)律如圖8(b)所示。其加速度放大系數(shù)沿坡面的變化規(guī)律與黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡較為相似,但地震動(dòng)強(qiáng)度影響較小,隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大,坡肩位置加速度放大系數(shù)由1.6左右減小至1.2,坡頂加速度放大系數(shù)在1.2左右變化。隨著輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增加,黃土場(chǎng)地土體逐漸震密,土體強(qiáng)度逐漸增加,相比地震動(dòng)強(qiáng)度較小的松軟土質(zhì),加速度放大系數(shù)逐漸減小,這是引起高地震動(dòng)工況下PGA出現(xiàn)縮小現(xiàn)象的主要原因之一。

大厚度場(chǎng)地以監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1N(N=1、2、3、4、5)為例,N由小到大代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿表面向黃土內(nèi)部垂直延伸,其中P0為基準(zhǔn)點(diǎn),分析輸入荷載為低頻湯峪地震波時(shí),二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地和一元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地黃土覆蓋層厚度對(duì)加速度放大系數(shù)的影響規(guī)律如圖9(a)和圖9(b)。

圖9 大厚度黃土場(chǎng)地加速度放大系數(shù)變化規(guī)律Fig. 9 The law of acceleration amplification factor of large thickness field

二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地?cái)?shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果[14]進(jìn)行對(duì)比,兩者具有較好的吻合度。沿著高程的增加,加速度放大系數(shù)逐漸增大,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示巖層內(nèi)加速度放大系數(shù)無明顯放大現(xiàn)象,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)則相反,這中現(xiàn)象是由于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)下覆泥巖強(qiáng)度無法達(dá)到實(shí)際強(qiáng)度引起的,黃土場(chǎng)地表面加速度放大系數(shù)減小,可能由于傳感器異常引起。隨著輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增大,地表加速度放大系數(shù)由2.5左右減小至1.5附近。相比于黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡最大加速度放大系數(shù)增大,也許是由于黃土層覆蓋厚度、地層結(jié)構(gòu)不同或輸入地震動(dòng)頻率引起。

一元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地加速度放大系數(shù)沿高程的變化規(guī)律如圖9(b)所示。黃土場(chǎng)地沿底部向黃土表面變化,加速度放大系數(shù)先略微減小后明顯增大,地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)加速度放大系數(shù)的影響與前文相同。相比于一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡坡頂(P51),場(chǎng)地表面加速度放大系數(shù)明顯增大,進(jìn)一步證明該現(xiàn)象是由于黃土層結(jié)構(gòu)特征和輸入地震波頻率不同造成。

總之,如圖8(a)、圖8(b)、圖9(a)、圖9(b)所示的地層條件對(duì)黃土場(chǎng)地加速度放大系數(shù)的影響明顯,二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地加速度放大系數(shù)約為一元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地1.5倍,圖中的地形條件的不同對(duì)加速度放大系數(shù)的影響不容忽視,斜坡坡肩處加速度放大系數(shù)是坡頂處的1.2左右,與黃土場(chǎng)地表面相差較大。

以二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地和斜坡場(chǎng)地為例,分別輸入湯峪地震波和岷縣地震波(見圖10),分析不同頻率地震波對(duì)黃土場(chǎng)地加速度放大系數(shù)的影響。

圖10 不同類型黃土場(chǎng)地加速度放大系數(shù)變化規(guī)律Fig. 10 The law of acceleration amplification factor

如圖10(a)實(shí)線所示,黃土場(chǎng)地輸入荷載為高頻岷縣地震波時(shí),加速度放大系數(shù)隨高程的變化趨勢(shì)與湯峪地震波作用下較為一致,均表現(xiàn)出隨高程增加加速度放大系數(shù)逐漸增加的現(xiàn)象,但是岷縣地震荷載作用下黃土場(chǎng)地底部(P0-P13)加速度放大系數(shù)增大明顯,黃土場(chǎng)地頂部,加速度放大系數(shù)相比湯峪地震波明顯減小。說明對(duì)于二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地,低頻地震波對(duì)黃土場(chǎng)地淺層加速度放大系數(shù)影響較為明顯。

如圖10(b)實(shí)線所示,黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡場(chǎng)地輸入荷載為高頻岷縣地震波時(shí),隨高程增加加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì),斜坡坡腳至坡腰處(P0-P31)岷縣地震荷載作用下加速度放大系數(shù)增大明顯,坡肩至斜坡頂部(P41-P51)加速度放大系數(shù)相比湯峪地震波明顯減小。說明臨空面附近,高頻地震波對(duì)斜坡場(chǎng)地動(dòng)力響應(yīng)影響明顯,斜坡坡頂平坦場(chǎng)地低頻地震波影響顯著。

3.3 頻譜變化特征

以輸入水平垂直耦合岷縣地震動(dòng)荷載加速度幅值4 m/s2為例,簡(jiǎn)明分析黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡和一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡沿破表不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅里葉譜變化特征(見圖11)。

黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡沿坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傅里葉譜變化規(guī)律,如圖11(a),坡腳處(P11)頻帶主要分布在0.1～3 Hz范圍內(nèi)附近,最大幅值在4左右,與輸入岷縣地震波水平分量的卓越頻率(4 Hz)相比略向低頻方向偏移,斜坡表面隨著高度的增加,坡肩處(P41)的頻帶范圍變寬,最大幅值增大至8左右,約是坡腳處的2倍,即隨著高程的增加頻率向高頻方向偏移較為明顯,進(jìn)一步說明斜坡表面坡肩處土體發(fā)生較大的剪切破壞。一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡,如圖11(b),坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)卓越頻率近似相同,均在2.5 Hz左右,但是坡肩(P51)傅里葉譜幅值較大,說明坡肩位置地震動(dòng)能量較為聚集,易失穩(wěn)破壞。

圖11 黃土斜坡場(chǎng)地表層傅里葉譜特征曲線Fig. 11 Fourier spectral characteristic curve of landslides types

歸納上述,地層結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)放大效應(yīng)影響顯著,斜坡坡肩處易造成地震動(dòng)能量發(fā)生聚集,發(fā)生剪切破壞,導(dǎo)致斜坡失穩(wěn),除此之外,黃土覆蓋層厚度對(duì)卓越頻率的影響較為明顯。

3.4 變形破壞特征

以輸入水平垂直耦合地震動(dòng)荷載加速度幅值為4 m/s2為例,為更明確觀測(cè)地形條件和地層條件對(duì)黃土場(chǎng)地變形破壞特征的影響,沿不同類型黃土場(chǎng)地中心軸方向進(jìn)行切片,如圖12所示。

圖12 地震荷載作用下X向位移云圖Fig. 12 XX displacement nephogram

黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡位移云圖如圖12(a)所示,即在地震荷載作用下,斜坡沿坡表發(fā)生大面積的滑動(dòng),涉及范圍長(zhǎng)達(dá)200 m以上,但黃土層滑動(dòng)厚度隨著向坡腳的移動(dòng)逐漸減小,坡腰位置滑動(dòng)速率明顯降低,巖-土界面處形成明顯的貫通滑移面,巖層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡位移云圖如圖12(b)所示。最大水平位移發(fā)生在黃土淺表層坡腰處,厚度達(dá)5 m左右,長(zhǎng)度約為100 m,并且沿坡面向黃土體內(nèi)部逐漸延伸呈現(xiàn)斜“υ”狀分布,位移分層現(xiàn)象明顯,坡腳和斜坡底部土體無明顯變形,斜坡內(nèi)部無明顯滑移面存在。

黃土塬場(chǎng)地位移分布云圖如圖12(c)和圖12(d)所示。此類黃土場(chǎng)地在地震作用下基本處于穩(wěn)定狀態(tài),隨著地震波的傳播,土層發(fā)生微弱剪切變化,無明顯滑動(dòng)破壞現(xiàn)象。二元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地最大水平位移是一元結(jié)構(gòu)黃土場(chǎng)地的2倍,說明地層條件的存在加劇了剪切位移的產(chǎn)生。

總而言之,地震荷載作用下黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡沿地質(zhì)軟弱帶即潛在滑移面發(fā)生大規(guī)模滑動(dòng),由于坡腳處角度的改變發(fā)生黃土大面積堆積。相比之下,一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡水平向最大位移無論是涉及范圍長(zhǎng)度還是厚度均有所減小,沿坡面向黃土體內(nèi)部逐漸延伸呈現(xiàn)斜“υ”狀分布。大厚度黃土場(chǎng)地相較于斜坡場(chǎng)地相對(duì)穩(wěn)定,無明顯大變形現(xiàn)象。

4 黃土斜坡失穩(wěn)的力學(xué)模型

基于前文分析可得,黃土斜坡場(chǎng)地由于臨空面的存在會(huì)引起土體沿坡面發(fā)生一定范圍的滑動(dòng),更易發(fā)生失穩(wěn)破壞,產(chǎn)生較大的變形現(xiàn)象。因此對(duì)斜坡場(chǎng)地進(jìn)行力學(xué)分析,判別其危險(xiǎn)特性。大厚度黃土場(chǎng)地在自身重力下發(fā)生向下的沉積固結(jié),在地震力水平分量作用下土體整體產(chǎn)生水平向正負(fù)位移,地震力垂直分量作用下土體發(fā)生疏松沉降。因此大厚度黃土場(chǎng)地不做詳細(xì)受力分析。

針對(duì)黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡,上覆第四紀(jì)松散堆積物和下伏泥巖之間形成軟弱結(jié)構(gòu)面,軟弱結(jié)構(gòu)面的存在增加了斜坡發(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)性。由其動(dòng)力計(jì)算云圖可知,黃土-泥巖接觸面為斜坡的滑動(dòng)面,滑動(dòng)面的強(qiáng)度服從莫爾-庫倫判據(jù),其受力示意圖如圖13(a)所示。

一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡中無結(jié)構(gòu)面存在,根據(jù)粘性土坡整體圓弧滑動(dòng)法,假定均值黃土斜坡滑動(dòng)體為剛體,滑動(dòng)面為圓弧AC,R為圓弧半徑,d為滑體重心與圓弧遠(yuǎn)點(diǎn)間的距離,根據(jù)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,其受力示意圖如圖13(b)所示。

圖13 受力示意圖Fig. 13 Schematic diagram of force

圖中,G為斜坡體上覆黃土層重力大小,Qh為地震力水平分量,Qv為地震力垂直分量,斜坡體垂直方向高度H=200 m,水平方向滑移距離L=300 m,斜坡寬度B=280 m,斜坡滑動(dòng)面與水平面夾角為α,斜坡滑動(dòng)面與坡面夾角為θ,接觸面出內(nèi)聚力為Cj,內(nèi)摩擦角為φj。

當(dāng)僅考慮重力作用下斜坡的穩(wěn)定性時(shí),其受力分析如下：

重力沿滑動(dòng)面上的垂直分量：Gv=Gcosα

重力沿滑動(dòng)面上的水平分量：Gh=Gsinα

下滑力：Fr=Gh=Gsinα

抗滑力：Fs=Gvtanφj+CjL=Gcosαtanφj+CjL

根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)的定義,則斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算如式(1)

(1)

針對(duì)一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡,穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如式(2)

(2)

當(dāng)考慮重力和地震力共同作用下斜坡的穩(wěn)定性時(shí),以地震力水平分量X正方向和地震力垂直分量Z負(fù)方向?yàn)槔?其受力分析如下：

下滑力：F′r=Gsinα+Qvsinα+Qhcosα

抗滑力：F′s=(G+Qv)cosαtanφj-Qhsinαtanφj+CjL

對(duì)比兩種不同情況下下滑力和抗滑力可得,地震力作用導(dǎo)致斜坡的下滑力增大,抗滑力減小,致使斜坡穩(wěn)定性系數(shù)減小,因此黃土-泥巖接觸型斜坡發(fā)生失穩(wěn)破壞,但是一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡是否發(fā)生變形破壞受地震動(dòng)強(qiáng)度的大小和滑動(dòng)面的位置影響較大。

5 結(jié)論

1)黃土-泥巖接觸型二元結(jié)構(gòu)斜坡,地層條件的存在導(dǎo)致上覆黃土與下伏泥巖接觸面形成軟弱結(jié)構(gòu)面,在地震作用下極易發(fā)生滑動(dòng)破壞引起斜坡失穩(wěn),并且在坡肩位置引起較為明顯的動(dòng)力響應(yīng),加速度放大系數(shù)是坡頂?shù)?倍左右;相同條件下一元結(jié)構(gòu)黃土斜坡加速度放大系數(shù)是二元結(jié)構(gòu)的0.7倍左右。

2)地層條件相同時(shí),黃土斜坡臨空面的存在會(huì)引起土體沿坡面發(fā)生一定范圍的滑動(dòng)和堆積,黃土塬內(nèi)較塬邊更為穩(wěn)定,不易發(fā)生損傷破壞,斜坡坡肩處加速度放大系數(shù)是坡頂處的1.2左右,與黃土場(chǎng)地表面相差較大,易造成地震動(dòng)能量發(fā)生聚集。

3)低頻地震波對(duì)平坦場(chǎng)地的地震響應(yīng)影響明顯,隨著高程的增加,頻帶寬度增加,傅里葉譜幅值增加,坡肩處的幅值是坡腳的2倍左右。

4)黃土斜坡場(chǎng)地在地震荷載作用下易形成滑移面,上覆黃土沿滑移面發(fā)生剪切滑動(dòng)破壞,誘發(fā)大面積的滑坡災(zāi)害;黃土塬場(chǎng)地在剪切力和壓張破壞條件下土體發(fā)生震酥震損現(xiàn)象,進(jìn)而誘發(fā)黃土場(chǎng)地局部震陷災(zāi)害。