水庫巖質邊坡的動力響應特性研究

鄒國勇

(江西省建洪工程監理咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

巖質邊坡在地震作用下的動力響應特性和變形破壞模式是巖土工程領域的重要研究課題，對于防止和減輕地震災害、保障工程安全具有重要意義。鎖固型巖質邊坡是一種常見的邊坡結構形式，特點是在邊坡滑動面上存在一段或多段鎖固段，使得邊坡具有一定的穩定性和抗剪強度。然而，在強震作用下，鎖固型巖質邊坡可能發生不同程度的變形和破壞，影響工程安全。因此，深入探討鎖固型巖質邊坡在地震作用下的動力響應特性及破壞機制，對于指導工程設計、施工和監測具有重要價值。

目前，已經有不少學者對鎖固型巖質邊坡在地震作用下的動力響應特性進行了研究，主要的研究方法有理論分析以及室內模型試驗。楊國香等人[1-2]通過室內模擬不同地震波對順層和均質巖質邊坡的影響，分析了邊坡的動力加速度響應特征及其與地震波參數和邊坡結構的關系。通過物理模型試驗，揭示了反傾層狀結構巖質邊坡在強震作用下的動力加速度放大特性及邊坡的破壞機理。曹鵬等人[3]通過多種方法分析了西藏白格滑坡的地質背景、巖體特征、滑動層、滑坡類型和形成機制，并探討了其對防災減災的意義。劉漢香[4]通過振動臺試驗，分析了含夾層斜坡的地震加速度和位移響應特征，并探討了夾層特征和激振強度對斜坡變形破壞模式的影響。泮曉華等人[5]通過物理模型試驗，揭示了不同類型巖質鎖固型斜坡的鎖固段破壞模式及其影響因素。

為了研究水庫巖質邊坡在地震波作用下的動力響應特性，本文在已有研究基礎上建立了一種鎖固型巖質邊坡模型，通過室內振動臺模擬地震波對動力響應特性進行研究。

1 試驗設計

1.1 試驗材料準備

巖質邊坡的原位試驗有著太多不確定因素且操作困難，因此，本文采用按比例縮放的模型試驗對動力響應特性進行研究。試驗采用大型振動臺，長度和寬度均為3m，最小震動頻率為0.5Hz，最大震動頻率為50Hz，振動臺正常工作所能承受最大試樣最大質量為10000kg。由于振動臺的性能并能完全模擬地震效應，為盡可能減小誤差，在尺寸按比例縮小的同時模型中土壤的主要力學性質也不能發生較大的改變，如密度、泊松比、內摩擦角以及加速度取原位土數據；長度、彈性模量、粘聚力以及應力以16∶1進行縮小；試驗用時以及頻率按照1∶4的比例進行調整。

1.2 試驗模型準備

本次試驗采用定制的模型箱，長度為150cm，寬度為85cm，高度為150cm，按照1.1節中的設計方案設計的鎖固型巖質邊坡尺寸為140cm×83cm×140cm，預留裂縫尺寸為35cm×2mm，夾層尺寸為42cm×3cm，坡角和夾層夾角度數分別為606和202。巖質邊坡模型采用分層擊實的方式進行制作，每層擊實厚度為4cm，在添加下一層土壤之前需對上一層擊實表面用刨毛針進行刨毛，避免出現明顯的分層現象。由于加速度作為動力響應特性的主要評價手段，因此在試驗模型設計中加入了加速度傳感器，具體的裂縫、夾層以及加速度傳感器(C0-C25)布置格式如圖1所示。

圖1 加速度傳感器布置圖

1.3 試驗方案

主要影響鎖固型巖質邊坡動力特性的因素為地震波，試驗采用不同類型的地震波對鎖固型巖質邊坡模型進行測試。如圖2所示，首先對模型在X軸方向上施加正弦波以及不同壓縮倍數的臥龍波和EI波來模擬實際地震波去研究邊坡還未發生實際變形破壞時的動力響應特性，正弦波的頻率在0到40Hz之間選取；邊坡模型穩定后逐漸增加壓縮倍數的地震波去研究邊坡模型在地震波增大時的內部破壞情況。

圖2 輸入的地震波

2 試驗結果分析

2.1 動力特性分析

邊坡模型受到0到4倍的臥龍波和EI波模擬的地震波時其自振頻率和阻尼比隨著輸入地震波次數的變化曲線如圖3所示。從圖3中可以發現隨著地震波輸入的次數增加，邊坡模型的阻尼比先是緩慢增加，在第六次加載地震波時阻尼比開始大幅度增加，與之相反的是邊坡模型的自振頻率，自振頻率隨著地震波的加載首先呈現出緩慢下降的趨勢，隨著第六次地震波的加載，邊坡模型自振頻率開始出現大幅下降。總體上來說，隨著地震波加載次數的增加，邊坡模型的力學性質變差，阻尼比增加，自振頻率降低。

圖3 邊坡模型自振頻率和阻尼比在不同加載次數下的變化情況

2.2 加速度影響下的動力響應規律

本小節以頻率為40Hz下的正弦波試驗數據為例對邊坡模型的動力響應規律進行研究。將40Hz正弦波下的試驗數據繪制了振幅為0.1g，壓縮倍數為2倍地震波影響下的邊坡模型加速度放大系數試驗結果繪制成坐標軸的形式如圖4所示，對坡面上水平方向和垂直方向上的加速度放大系數變化規律進行研究。如圖4(a)所示，隨著坡面高度的增加，正弦波在坡面上的加速度放大系數持續增加，且在0.75m和1.075m處有顯著的增大；臥龍波在坡腳處隨坡面高度增加先有一段加速度放大系數下降的階段，隨后在0.75m處恢復上升，且斜率保持不變，雖然有一段下降趨勢，但整體上臥龍波加速度隨著坡面高度增加不斷增大；EI Centro波在坡面上加速度放大系數的變化比較穩定，隨著坡面高度的增加，加速度放大系數也是穩定上升。在坡體垂直方向和水平方向上3種波形加速度的變化與其在坡面上的變化類似，但正弦波的加速度放大系數在坡頂處有一個大幅度的提升。從整體上來看，無論是在坡面、邊坡模型垂直方向或者邊坡模型水平方向上，正弦波的加速度放大系數最大，其次為臥龍波和EI波，臥龍波的加速度放大系數略高于EI Centro波。

圖4 加速度動力響應

2.3 正弦波頻率對邊坡模型動力響應的影響

取不同頻率正弦波、不同高度坡面(C1、C8、C14、C19以及C23)加速度放大系數繪制關系曲線如圖5所示。

圖5 不同頻率正弦波坡面加速度放大系數

由圖5可以看出，在相同的坡面高度，隨著正弦波的頻率從0Hz增加到15Hz，坡面加速度放大系數有著顯著的增加，正弦波繼續從15Hz增加到40Hz時，坡面加速度放大系數呈現出下降趨勢，整體來看，坡面加速度放大系數在正弦波頻率為15Hz時達到最大；在同一頻率的正弦波下，隨著坡面高度的增加，坡面加速度放大系數隨之增大，坡頂處達到當前頻率正弦波的最大值。

2.4 臥龍波壓縮倍數對邊坡模型動力響應的影響

取初始臥龍波、2倍臥龍波以及4倍臥龍波影響下的坡面加速度放大系數結果與坡面高度繪制關系曲線如圖6所示。

圖6 不同壓縮倍數臥龍波坡面加速度放大系數

從圖6中可以觀察到，在相同倍數臥龍波的影響下，邊坡模型坡面的加速度放大系數在坡面高度0.1～0.425m處先下降，隨著坡面高度超過0.425m，坡面加速度放大系數隨著坡面高度的增加而增大，在坡頂處達到最大值，造成0.425m處加速度放大系數下降的原因為臥龍波的傳遞受到了夾層的影響，夾層造成了臥龍波的反射與折射；在相同坡面高度上，隨著臥龍波壓縮倍數的增加，加速度放大系數也隨之增大[6-7]。

2.5 裂縫及夾層對模型動力響應的影響

根據圖1的布置，選用C19-C22得到的模型試驗數據對裂縫附近的加速度放大系數進行分析，選用C4、C10、C15以及C19對夾層附近的加速度放大系數進行分析，具體的試驗數據如圖7—8所示。

圖7 不同頻率正弦波裂縫附近加速度放大系數

從圖7中可以發現在裂縫對于加速度放大系數的影響十分大，水平距離從模型最左邊向裂縫靠近時加速度放大系數有著明顯的下降趨勢，水平距離從裂縫向坡面靠近時加速度放大系數有著明顯的增加趨勢，總體上來看裂縫處的加速度放大系數為整個水平面的最小值。

從圖8中可以發現夾層對于加速度放大系數同樣有影響，整體上加速度放大系數隨著測點高度的增加而增大，但在通過夾層所在高度(0.425m)后，加速度放大系數的增長速率相比通過夾層前有著顯著的提升。

圖8 不同頻率正弦波夾層附近加速度放大系數

3 結語

文章采用室內模型試驗模擬鎖固型巖質邊坡受到地震波影響后加速度放大系數在邊坡中的分布。得到以下結論。

(1)垂直方向上，加速度放大系數隨邊坡高度的降低而下降；水平方向上，加速度放大系數隨水平距離的增加而增大。

(2)相同的坡面高度，隨著正弦波的頻率增加，坡面加速度放大系數先增加后下降；同一頻率的正弦波時，坡面加速度放大系數隨坡面高度的增加而增大。

(3)相同倍數臥龍波的影響下，邊坡模型坡面的加速度放大系數與坡面高度呈正相關；相同坡面高度上，加速度放大系數隨臥龍波壓縮倍數的增加而增大。

(4)裂縫和夾層對邊坡加速度放大系數有一定影響，裂縫會導致加速度放大系數大幅度降低，夾層會導致邊坡放大系數的增長速率變緩。