趙安平，馮 春，李世海，艾 暢，劉 洋

（1.中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

1 引 言

地震誘發(fā)的邊坡破壞是主要的地震次生災(zāi)害之一，在山區(qū)和丘陵地帶，地震誘發(fā)的滑坡往往具有分布廣、數(shù)量多、危害大的特點(diǎn)。5.12汶川大地震誘發(fā)了大量的滑坡，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汶川地震滑坡造成的次生災(zāi)害損失約占整個(gè)地震損失的1/3[1]。

地震荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題一直是巖土工程界學(xué)者關(guān)注的難題之一[2]。目前，國(guó)內(nèi)外的地震模型試驗(yàn)方法主要有離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及爆破模型試驗(yàn)。離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[3－5]的特點(diǎn)是可以在ng的作用下滿足重力相似，從而使模型與原型的應(yīng)力、應(yīng)變相等、變形相似且破壞機(jī)制相同，能夠再現(xiàn)原型的特性。但離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)費(fèi)用較高，且不能模擬高頻率、大振幅；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[6－17]不僅很難達(dá)到試驗(yàn)所需要的高烈度，而且無(wú)法保證重力相似。爆破模型試驗(yàn)[18－20]是一種利用爆炸地震波模擬自然地震波來(lái)研究邊坡模型在地震波作用下的破壞機(jī)制的有效方法。由于爆炸波的頻率較高（一般在幾百Hz），并且可以通過(guò)調(diào)整藥量來(lái)對(duì)產(chǎn)生的模擬地震波進(jìn)行有效控制，從而設(shè)計(jì)出不同頻譜、幅值和持續(xù)時(shí)間的對(duì)應(yīng)于不同地震烈度的等價(jià)人工合成地震的地面運(yùn)動(dòng)，于是人們逐漸對(duì)此類方法產(chǎn)生興趣。

鑒于離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)等方式無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)模型的高頻率、大振幅的地震響應(yīng)，且費(fèi)用較高，而爆炸地震波波形與天然地震波形較為一致，可較好地進(jìn)行天然地震的模擬，同時(shí)解決了振動(dòng)臺(tái)邊坡模型試驗(yàn)遇到的相似律問(wèn)題。為此，本文主要以汶川災(zāi)區(qū)宇宮廟滑坡（基巖與厚覆蓋層滑坡，下文簡(jiǎn)稱為基覆）為原型，利用動(dòng)力強(qiáng)度折減法結(jié)合相似律的概念制作了邊坡模型試驗(yàn)臺(tái)，以導(dǎo)爆索為爆源，用“水下爆炸”的方式來(lái)模擬近場(chǎng)地震，以高能量脈沖運(yùn)動(dòng)為特征，縱波（P波）為主要影響因素，觀察邊坡在沖擊荷載作用下的破壞模式并分析其波形圖及相關(guān)的參數(shù)，進(jìn)而研究施加支擋結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的作用，為類似邊坡的設(shè)計(jì)施工起到了重要的指導(dǎo)作用。

2 滑坡模型設(shè)計(jì)

2.1 量綱分析

（1）參量選擇

根據(jù)量綱分析[21]的基本原理，爆炸作用下發(fā)生滑坡的主要參數(shù)應(yīng)包括：

①幾何尺度：尺寸L；②物理力學(xué)參數(shù)：密度ρ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、彈性模量E、泊松比μ、振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間t、地震波波速v、坡體表面的特征加速度a、特征抗拉強(qiáng)度σt、特征頻率f等。

（2）參量分析

式中：m為模型；o為原型。

2.2 相似理論

根據(jù)汶川地震調(diào)查篩選出的典型邊坡——宇宮廟基覆邊坡的基本特征及模型材料如下：

（1）粉質(zhì)黏土，淺黃色-灰黑色，可塑，刀切面較光滑，搖震反應(yīng)輕微。干強(qiáng)度中等，韌性差，含有粉砂巖塊碎石，最大塊徑大于 130 mm，一般粒徑為20～50 mm，稍濕稍密。滑坡前部分布較薄，中部和后部地帶較厚，揭露層厚3.0～16.7 m。

（2）碎石土，雜色，母巖成份為泥灰?guī)r塊碎石，充填物為粉質(zhì)黏土及角礫，碎石粒徑20～200 mm，含量約占53%，塊石塊徑約200～350 mm，最大塊徑為400 mm，含量約占20%，稍濕稍密，揭露厚度4.1～12.8 m。

（3）泥灰?guī)r塊石（上部夾有砂巖），夾有少量黏土，黃灰色，最大塊石塊徑為 300 mm，一般塊徑為50～100 mm，含有少量碎石，粒徑為20～30 mm，裂隙發(fā)育，主要分布在滑坡后部，厚度較薄，揭露厚度為0～4.4 m。

該滑坡堆積體物質(zhì)組成在垂向上變化較大，物質(zhì)呈不均勻分布，但滑坡堆積上部以粉質(zhì)黏土為主，下部以碎石土為主。其主要破壞形式為表層滑移。

根據(jù)模型制作的可行性，本試驗(yàn)邊坡高度選定為57.5 m，坡度為45°，密度取平均值2.0 g/cm3，彈性模量為400 MPa，S波波速為600 m/s，P波波速為1000 m/s，坡體材料的抗拉強(qiáng)度為2.5 kPa，黏聚力15 kPa，內(nèi)摩擦角為30°。研究的地震烈度范圍為Ⅵ-Ⅹ（加速度峰值為0.45～14.1 m/s2，具體見(jiàn)表1），頻率為1～10 Hz，持時(shí)為10～30 s。

表1 中國(guó)地震烈度表（GB/T 17742-1999）（截選）Table 1 China earthquake intensity(GB/T 17742-1999)(cut-off selection)

根據(jù)試驗(yàn)的可行性，采用幾何縮比為25，基覆邊坡的覆蓋層采用工程砂進(jìn)行模擬，重力式擋土墻采用加氣混凝土塊進(jìn)行模擬，樁板墻采用加氣混凝土塊及塑料扣板進(jìn)行模擬。加氣混凝土塊及工程砂的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 模型材料物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of model materials

因此，根據(jù)相似材料的力學(xué)參數(shù)[22－25]，v=，基覆邊坡需要滿足的相似率為

①地震3要素：

振動(dòng)加速度：

振動(dòng)頻率：

振動(dòng)持時(shí)：

②其他參數(shù)：

幾何尺寸：

密度：

地震波波速：

抗拉強(qiáng)度：

黏聚力：

內(nèi)摩擦角：

泊松比：

2.3 試驗(yàn)平臺(tái)的制作

本試驗(yàn)使用單坡平臺(tái)及雙坡平臺(tái)，2個(gè)平臺(tái)的基本尺寸如圖1、2所示。

在試驗(yàn)平臺(tái)的底部放置等間距的槽鋼，槽鋼置于預(yù)先澆注完成的基礎(chǔ)槽內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)，將基礎(chǔ)槽內(nèi)注滿一定的水，水位以沒(méi)過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)底邊線為準(zhǔn)（總深度約為 11 cm），將導(dǎo)爆索及起爆雷管纏繞于φ10 mm×1.6 m的鋼筋上，穿入槽鋼的內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)水下爆破。通過(guò)改變纏繞于鋼筋上的藥量及穿入槽鋼的鋼筋根數(shù)，可以模擬不同的地震烈度及不同的地震波入射方向。

圖1 單坡試驗(yàn)平臺(tái)側(cè)視圖、俯視圖及立體圖Fig.1 Single-slope test platform side view,top view and stereogram

圖2 雙坡試驗(yàn)平臺(tái)側(cè)視圖及立體圖Fig.2 Dual-slope test platform side view and stereogram

2.4 邊坡模型（覆蓋層）的制作

邊坡模型的制作方法：試驗(yàn)開(kāi)始前，將工程上用的粒徑為 1～2 mm的砂土由上至下自然堆積到已經(jīng)制作好的試驗(yàn)平臺(tái)（基巖）上，坡頂土層厚為2 cm，坡腳厚為20 cm。

2.5 自然基覆邊坡試驗(yàn)

自然基覆邊坡試驗(yàn)前后對(duì)比如圖3所示。

表3 基覆邊坡不同覆蓋層材料試驗(yàn)組次Table 3 Bedrock and overburden layer slope’s different overburden materials’ test groups

圖3 試驗(yàn)前后對(duì)比Fig.3 Comparison of pre and post of the test

對(duì)比分析：地震作用下，覆蓋層為砂土?xí)r，坡體表面發(fā)生流坍；另外，根據(jù)觀察統(tǒng)計(jì)，砂土出現(xiàn)大范圍破壞時(shí)的藥量為20～30 g。

2.6 帶支擋結(jié)構(gòu)的基覆邊坡試驗(yàn)

宇宮廟滑坡東側(cè)支擋結(jié)構(gòu)為樁板墻，幾何參數(shù)如表 4。西側(cè)為重力式擋土墻。出露在馬路以上部分，擋土墻幾何尺寸（寬×高）為1.0 m×2.5 m，系由漿砌片石加水泥砂漿素面抹灰而成。

表4 樁板墻物理參數(shù)一覽表Table 4 Pile wall’s physical parameters

（1）整體布局及支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

宇宮廟滑坡的斷面圖如圖4所示。

圖4 宇宮廟滑坡斷面圖Fig.4 Yugongmiao temple landslide’s sectional drawing

試驗(yàn)時(shí)采用工程砂土模擬基巖上部的覆蓋層，砂土尺寸為1～2 mm左右，基覆邊坡的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D如圖5所示，立體圖如圖6所示。

圖5 基覆邊坡模型示意圖Fig.5 Bedrock and overburden layer slope’s model sketch

圖6 模型擋土墻側(cè)（左）、樁板墻側(cè)（右）示意圖Fig.6 Model sketch of the retaining wall(left)and the pile wall(right)

（2）傳感器布設(shè)

① 模型內(nèi)部壓力傳感器

在模型澆注過(guò)程中，在模型內(nèi)部預(yù)埋入 2支PVDF壓力傳感器（內(nèi)壓1、2）用以測(cè)量爆炸載荷，作用于模型內(nèi)部的動(dòng)載荷特性，其中內(nèi)壓1在平臺(tái)以下20 cm，內(nèi)壓2在平臺(tái)以上50 cm。

② 模型正面加速度傳感器

為了測(cè)量模型正面墻壁不同高度的加速度分布規(guī)律，在模型正面墻壁上設(shè)置加速度安裝支架。

③ 樁板墻處的壓力傳感器布設(shè)

樁板墻上共布置5個(gè)PVDF壓力傳感器，分別布置于板下部（距底部5 cm）、板中下部（距底部9 cm）、板中部（距底部13 cm）、板中上部（距底部17 cm）、板上部（距底部21 cm）。

④ 邊坡表面的加速度傳感器布設(shè)

為了測(cè)定基覆邊坡表面加速度的變化規(guī)律，在邊坡表面一定位置安裝加速度傳感器。巖塊上的加速度傳感器通過(guò)螺桿固定連接，工程砂土中的加速度傳感器直接埋入。

⑤ 爆源位置及布設(shè)

采用水下爆破技術(shù)，水深約為11 cm。將導(dǎo)爆索及起爆雷管纏繞于φ10 mm×1.6 m的鋼筋上。本試驗(yàn)采用2個(gè)爆源同時(shí)起爆，雷管綁扎在鋼筋中部，導(dǎo)爆索沿鋼筋均勻分布。支架及各傳感器具體布置請(qǐng)參看圖7。

圖7 模型表面?zhèn)鞲衅靼惭b位置Fig.7 Sensors’ installation locations in the model surface

2.7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1）現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)與5.12汶川地震真實(shí)波形圖對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以看出：爆炸試驗(yàn)波形圖與汶川地震真實(shí)波形圖相似；經(jīng)相似率換算得到的試驗(yàn)波持時(shí)（約為 13.5 s）與 5.12汶川波主震持時(shí)（約為20 s）很接近；經(jīng)相似率換算得到的試驗(yàn)波主頻（約為4.8 Hz）與汶川波主頻（約為5 Hz）也非常接近?？傊?，持時(shí)、主頻都相差不大，進(jìn)而驗(yàn)證了用爆破模擬地震的可行性。

（2）藥量與地震烈度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)各組試驗(yàn)各藥量下基覆邊坡坡體表面加速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出了坡體表面平均振動(dòng)加速度隨藥量的變化曲線（如圖10所示），并用直線進(jìn)行相應(yīng)的擬合，給出了擬合公式，如式（12）所示。根據(jù)原型與模型的換算關(guān)系，可得原型的加速度計(jì)算公式如式（13）所示。

圖8 汶川地震波(上)與試驗(yàn)波(下)持時(shí)對(duì)比Fig.8 Comparison of Wenchuan seismic wave(up)and the test wave(down) vs. duration

圖9 汶川地震波（上）與試驗(yàn)波（下）主頻對(duì)比Fig.9 Comparison of Wenchuan seismic wave(up)and the test wave(down) vs. main frequency

圖10 基覆邊坡表層加速度幅值隨藥量的變化Fig.10 Bedrock and overburden layer slope’s surface acceleration amplitude with the change in dose

式中：a為振動(dòng)加速度；Q為藥量。當(dāng)藥量從 1 g變化到 30 g時(shí)，基覆坡體表面的實(shí)測(cè)加速度將從15 m/s2變化到47 m/s2，而對(duì)應(yīng)的地震烈度從Ⅵ度變化到了Ⅷ度。

圖10中數(shù)據(jù)離散性較大，這與每次試驗(yàn)時(shí)爆源位置、水位高度的差異、坡體在高烈度下的滑移（無(wú)法滿足小變形假設(shè)）等有一定的關(guān)系。

（3）斜坡表面法向加速度分析

在覆蓋層為砂土的基覆邊坡表面布設(shè)加速度傳感器，測(cè)量其表面的法向加速度，其典型的加速度振動(dòng)時(shí)程曲線如圖11所示，其他加速度傳感器的波形基本類似。由此可得，坡體表面的加速度存在2次比較大的峰值，第1次峰值是由于爆炸波在巖土交界面處產(chǎn)生反射，將上部松散砂土抬起時(shí)產(chǎn)生的加速度；第2次是由于被抬起后的砂土在自重作用下下落，撞擊到巖土交界面處產(chǎn)生的加速度。

圖11 砂土表面典型振動(dòng)曲線Fig.11 Typical vibration curve of the sandy soil surface

各藥量下距坡腳80 cm處傳感器測(cè)得的自由落體時(shí)間隨藥量的變化如圖12所示。由圖可知，隨著藥量的增加，自由落體的時(shí)間逐漸增加。

圖12 距坡腳80 cm處自由落體時(shí)間隨藥量的變化Fig.12 Trends of the free-fall time with the change in dose at the 80 cm away from the foot of the slope

圖13、14給出了抬升時(shí)沖擊加速度及下落后沖擊加速度隨著藥量及到坡腳距離的變化規(guī)律。由圖可知，第1個(gè)峰值及第2個(gè)峰值均隨著藥量的增加而逐漸增加。

圖13 抬升時(shí)加速度峰值隨藥量的變化趨勢(shì)Fig.13 Trends of the acceleration amplitude with the change in dose when uplifted

圖14 下落后加速度峰值隨藥量的變化趨勢(shì)Fig.14 Trends of the acceleration amplitude with the change in dose after falling

（4）重力式擋土墻上土壓力的分布規(guī)律

擋土墻上土壓力正峰值隨著藥量的變化及隨著擋土墻高度的變化如圖15、16所示。

圖15 土壓力正峰值隨著藥量的變化趨勢(shì)Fig.15 Trends of the soil pressure’s positive amplitude with the change in dose

圖16 土壓力正峰值隨著墻高的變化趨勢(shì)Fig.16 Trends of the soil pressure’s positive amplitude with the wall’s height

由圖可知，隨著藥量的增加，擋土墻上各壓力傳感器的正峰值基本呈增加趨勢(shì)，在藥量為18.2 g時(shí)發(fā)生了局部轉(zhuǎn)折，表明此時(shí)的覆蓋砂土層已經(jīng)產(chǎn)生了局部的破壞。隨著墻高的增加，動(dòng)土壓力正峰值基本呈中間大、兩頭小的鐘形，且藥量越大，此種規(guī)律越明顯。這可能表明，擋土墻上鐘形分布的規(guī)律可能與形成的潛在滑動(dòng)面有關(guān)。小藥量下，由于沒(méi)有形成滑動(dòng)面，各墻高處的壓力值基本相等，而一旦滑面形成，鐘形分布的土壓力模式便出現(xiàn)。

（5）樁板墻上土壓力的分布規(guī)律

對(duì)各藥量下樁板墻上土壓力的正壓峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，土壓力峰值隨著藥量及板高的變化如圖17、18所示。

由圖可知，隨著藥量的增加，樁板墻上各壓力傳感器的壓力峰值總體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；隨著板高的增加，土壓力峰值則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，換句話說(shuō)，隨著到板底距離的增加，土壓力峰值基本呈中間大兩頭小的鐘形分布。

2.8 支擋結(jié)構(gòu)效果

對(duì)于基覆邊坡而言，支擋結(jié)構(gòu)（樁板墻、重力式擋土墻等）具有不可替代的作用。圖19、20的對(duì)比試驗(yàn)給出了很好的證明。

圖17 土壓力峰值隨藥量的變化趨勢(shì)Fig.17 Trends of the soil pressure’s amplitude with the change in dose

圖18 土壓力峰值隨板高的變化趨勢(shì)Fig.18 Trends of the soil pressure’s amplitude with the board’s height

圖19 自然邊坡一側(cè)Fig.19 The side of natural slope

圖20 有樁板墻的一側(cè)Fig.20 The side of the pile wall

通過(guò)對(duì)比可以看出，在相同藥量下，自然邊坡一側(cè)（沒(méi)有支擋）表層的標(biāo)記物大量下滑，而有樁板墻的一側(cè)，由于有下部樁板墻的支擋作用，松散砂土體受到了一定的約束，只產(chǎn)生了輕微的滑動(dòng)（從圖中的標(biāo)記物可以看出）；但兩者也有共性：即兩類坡體的后緣均有將近10 cm的整體下錯(cuò)。

3 結(jié)論與展望

（1）破壞現(xiàn)象：對(duì)于覆蓋層為砂土的自然基覆邊坡，地震力作用下的主要破壞現(xiàn)象是淺表層大量松散巖土體翻滾下落，形成表面流坍，并最終聚集于坡腳。這一現(xiàn)象與汶川地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的破壞現(xiàn)象相符。

（2）破壞模式：距震源很近（即近場(chǎng)）且地震烈度為Ⅵ至Ⅷ度之間時(shí)，基覆邊坡一般不會(huì)發(fā)生崩塌或者大面積滑坡，破壞模式主要是淺表層張拉而導(dǎo)致表層松散體流坍。原因是應(yīng)力波作用下，黏聚力及抗拉強(qiáng)度的喪失，最終在自重作用下發(fā)生滑移。

（3）藥量與地震烈度的關(guān)系：當(dāng)藥量從1 g變化到30 g時(shí)，基覆邊坡坡體表面加速度將從15 m/s2變化到47 m/s2（擬合公式為：式（12）），通過(guò)相似率換算，對(duì)應(yīng)的地震烈度將從Ⅵ度變化到Ⅷ度。

（4）支擋結(jié)構(gòu)的作用：重力式擋土墻及樁板墻等支擋結(jié)構(gòu)對(duì)基覆邊坡具有很好的支擋效果。支擋結(jié)構(gòu)提供了支撐面，約束了基巖上部覆蓋層的整體位移，在一定程度上減弱了原有的剪出臨空面。

（5）重力的影響：在爆破瞬間，由于地震波傳播產(chǎn)生的動(dòng)土壓力遠(yuǎn)大于靜止土壓力，因此，此過(guò)程可以不考慮坡體自重的影響；但在爆破后，由于在重力的作用下坡體表面發(fā)生流坍，并對(duì)支擋結(jié)構(gòu)（樁板墻、擋土墻）產(chǎn)生壓力，此時(shí)的重力又是不可忽視的。因此，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，要對(duì)重力的影響從不同的角度來(lái)考慮。

（6）工程意義：為防止基覆邊坡表層流坍導(dǎo)致的道路掩埋，對(duì)于鐵路和公路選線，應(yīng)盡量避免通過(guò)高陡基覆邊坡的密集區(qū)，若必須通過(guò)，可在坡體表層設(shè)置主動(dòng)及被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，同時(shí)在坡腳處設(shè)置擋土墻、樁板墻等支擋結(jié)構(gòu)。

（7）試驗(yàn)展望：一方面，今后對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ停梢越Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況選取更加“相似”的材料，進(jìn)一步滿足相似率的要求，以達(dá)到相對(duì)理想的效果；另一方面，對(duì)于滑坡面形狀，考慮到現(xiàn)有的模型（直線型）是對(duì)宇宮廟滑坡進(jìn)行了簡(jiǎn)化，今后會(huì)盡量選用弧形坡面，同時(shí)會(huì)兼顧到基巖與滑坡體的接觸面性質(zhì)，進(jìn)而更好地模擬真實(shí)的滑坡。

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