畢鵬程，車愛蘭，袁剛烈

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引言

2008年的汶川地震引發(fā)了多處邊坡崩塌、失穩(wěn)滑坡等地質(zhì)災害，其中在龍門山地區(qū)的滑坡中近60%出現(xiàn)在具有層狀結構的巖質(zhì)邊坡中[1]。汶川地震后，災區(qū)周邊地區(qū)地質(zhì)結構也受到擾動，使得地震引起的地質(zhì)災害更加頻繁且嚴重。近年來，西部地區(qū)發(fā)生了多次大地震，例如2013年甘肅省定西地震誘發(fā)了約600余處地質(zhì)災害[2]，2014年云南省普洱市景谷縣地震引發(fā)邊坡崩塌滑坡，這些地震災害引發(fā)的工程問題造成了重大的經(jīng)濟損失[3]。云南省內(nèi)在2016年開始實施46個高速公路重點項目，蒙文硯、宣曲、新嵩昆、昆明東南繞城、香麗、華麗等高速公路項目正在推動中，這些工程都涉及到地震作用下巖質(zhì)邊坡性能演化與安全控制問題[4]。

邊坡動力穩(wěn)定性影響因素具有不確定性，動力抗滑穩(wěn)定安全度判據(jù)具有多元性[5]。由于邊坡滑動時滑裂面以上的巖體同時滑動，因此橋基邊坡穩(wěn)定平衡系統(tǒng)是由橋基、隨橋基而動的基巖、軟弱結構面、軟弱結構面下部的基巖構成的[6]。所以，橋基邊坡抗滑穩(wěn)定安全度的判據(jù)具有多元性特征，不能用單一的安全系數(shù)來衡量，而應該用橋基、基礎的應力、位移等綜合指標進行判定。在實際工程中，位移監(jiān)測可為分析滑坡的結構和成因、評價邊坡的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢等提供重要信息。將位移監(jiān)測與邊坡破壞現(xiàn)象結合起來，能準確地判斷邊坡的破壞階段，評價和預測邊坡施工及其使用過程中邊坡的穩(wěn)定狀況[7]。

振動臺模型試驗是研究邊坡強震動力響應和破壞過程極為有效的方法之一[8-9]。LIN M L等[10]利用大型振動臺試驗對邊坡在地震下的動力響應進行研究，認為邊坡破壞局限在坡體表面，破壞深度較淺。黃潤秋等[11]采用大型振動臺試驗研究了地震作用下順層巖質(zhì)邊坡動力響應和破壞模式，發(fā)現(xiàn)邊坡的整體破壞機制為地震使坡面中部出現(xiàn)裂縫，裂縫貫通從而發(fā)生高位滑坡，最終轉化為碎屑流堆積坡腳。以上學者在振動臺試驗中，主要通過加速度傳感器研究邊坡的動力響應規(guī)律，進而分析其破壞規(guī)律。目前針對復雜地質(zhì)結構邊坡的位移規(guī)律方面的研究相對欠缺，利用位移響應特性對其穩(wěn)定性進行判定能更深入地研究其破壞機理。在位移響應方面，ABDOUN等[12]利用陣列式位移計測試了橋臺邊坡的位移，并將此技術應用于日本國立防災技術研究所的振動臺試驗上，取得了良好的位移數(shù)據(jù)。但利用傳感器測試位移的缺點在于測點少，精度有限。劉君等[13]將PIV技術應用于振動臺模型試驗中，利用相機對邊坡側面的位移進行了觀測并描繪出其滑動面，然而此方法只能觀測測點的平面位移特性，無法反映測點的空間位置信息。本文中采用的XTDIC光學測量系統(tǒng)能觀測測點在三維空間中的位移，且測距5 m內(nèi)測量誤差為0.05～0.1 mm，可觀測邊坡表面大量測點的位移變化。

本文以華麗高速公路金沙江特大橋橋址邊坡為研究對象，通過大型振動臺模型試驗，研究不同地震烈度輸入下(包括不同峰值加速度大小以及不同輸入方向)巖質(zhì)邊坡的位移響應特性，分析位移響應特性與邊坡失穩(wěn)破壞的關系。通過模型中的結構面的設置，明確地震作用下不良地質(zhì)構造對邊坡表面位移及穩(wěn)定性的影響。

1 振動臺試驗

本次振動臺模型試驗采用中國地震局蘭州地震研究所的大型電伺服式振動臺，由日本國際計測器株式會社生產(chǎn)。該振動臺臺面尺寸為4 m×6 m，總共由28臺伺服電機驅動，可實現(xiàn)水平方向和垂直方向地震荷載的模擬，轉子慣性扭矩為7.0×10-3kg·m2，水平、垂向最大加震力均可達600 kN。

1.1 工程背景

金沙江大橋位于金沙江中游河道，該段金沙江總體呈近SN向發(fā)育，河谷呈“V”型，為縱向單斜谷，兩岸地形基本對稱，山體雄厚，地形陡峻。因受地層產(chǎn)狀和順河向陡傾角結構面影響，兩岸岸坡多形成階梯狀地形，橋位區(qū)地勢較高，整體坡度較大，地下水埋藏深，地表水及地下水不發(fā)育，對橋梁工程整體影響較小。華坪岸為順向坡，總體坡度20°～30°，地形地貌如圖1所示。其工程地質(zhì)巖組主要包括玄武巖(微新)、T2結構面、后緣陡傾結構面。華坪岸剖面如圖2所示，其中T2結構面主要由凝灰?guī)r組成，后緣陡傾結構面為綠簾石、石英錯動帶，為硬性結構面，面有擦痕。根據(jù)《中國地震區(qū)劃圖》，華坪岸邊坡位于中甸-大理地震帶，該地區(qū)抗震設防烈度為Ⅷ度。

圖1 華坪岸地形地貌Fig.1 Topography and geomorphology of the Huaping Slope

圖2 華坪岸剖面圖Fig.2 The profile of Huaping Slope

影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素有地形地貌條件、巖石性質(zhì)、巖體結構面以及外力荷載等因素。根據(jù)華麗金沙江大橋橋址邊坡的地形地貌等工程地質(zhì)條件，目前金沙江兩岸邊坡在天然條件下是相對穩(wěn)定的，而在地震荷載作用下的穩(wěn)定性還有待進一步的研究。因此，地震附加荷載和結構面的組合是該橋址邊坡穩(wěn)定性的主要控制因素。本次振動臺試驗針對金沙江大橋華坪岸橋址邊坡地質(zhì)條件，研究其在地震荷載下的穩(wěn)定性。

1.2 模型設計與制作

試驗采用剛性密封模型箱，模型箱內(nèi)箱尺寸為2.8 m× 1.4 m× 1.4 m。將山體邊坡簡化為平面應變問題，取其一個截面進行分析，考慮的實際邊坡范圍內(nèi)坡高約450 m，坡長約900 m，坡腳為30°。根據(jù)試驗條件，采用相似準則最終確定模型幾何尺寸相似關系Cl為375∶1，因此設計的邊坡模型高1.3 m，寬1.4 m，長2.5 m(圖3)。按照模型幾何尺寸相似關系，模型材料的物理力學參數(shù)的相似計算如表1所示。

圖3 邊坡模型設計圖Fig.3 Slope model design

表1 相似常數(shù)

通過室內(nèi)試驗得到了玄武巖的物理力學參數(shù)，凝灰?guī)r及陡傾結構面巖石力學參數(shù)根據(jù)規(guī)范取其工程經(jīng)驗值(表2)。

表2 原型邊坡巖石物理力學參數(shù)

經(jīng)相似準則計算出玄武巖及凝灰?guī)r的物理力學參數(shù)后，通過不同配合比、不同材料試樣的密度試驗及靜三軸試驗，最終確定采用的模擬材料及配比為：水泥∶砂∶鐵粉∶黏土∶混合劑(速凝劑和減水劑)∶水=0.325∶17∶9∶0.4∶0.03∶5.0。T2凝灰?guī)r夾層縮尺后平均厚度約0.5 cm，采用雪弗板(PVC)模擬T2結構面。模擬材料的物理力學參數(shù)如表3所示?？紤]到陡傾結構面的幾何特性以及模型砌筑方式，試驗中將陡傾結構面考慮為模型砌筑時的砌縫，并在砌縫中填入松砂，模擬陡傾結構面的內(nèi)摩擦角φ=35°。

表3 模擬材料的物理力學參數(shù)

由于模型的體積大會引起制作不便、養(yǎng)護困難等問題，且在澆筑的過程中因澆筑時間的不同會出現(xiàn)材料特性差異。采用砌塊堆積的方式制作邊坡模型，堆砌完成后，將坡面多余部分削去。并在上部砌塊之間的砌縫中填充相同材料，盡量使其形成一個整體。

實際制作過程中，先將材料攪拌均勻后澆筑制作模型砌塊，在干燥通風良好的室內(nèi)放置三天后達到預設強度，最后進行邊坡模型的砌筑操作。模型中的T2結構面采用PVC板放入設定的模塊的設定方向及位置。制作完成的邊坡模型如圖4所示。定義x軸為沿坡長方向，y軸為沿坡寬方向，z軸為豎直方向。

圖4 邊坡模型Fig.4 Model slope

1.3 位移觀測

位移測試采用光學測量技術，利用蘇州西博三維科技有限公司研發(fā)的XTDIC測量系統(tǒng)采集位移數(shù)據(jù)(圖5)。動態(tài)位移測量系統(tǒng)基于雙目立體視覺技術，采用兩個高速攝像機實時采集被測物體各個位移階段的圖像，利用準確識別的標志點或者數(shù)字散斑(包括編碼標志點和非編碼標志點)實現(xiàn)立體匹配，重建出物體表面點的三維空間坐標和位移，計算得到物體的位移量。

圖6 坡面位移標志點的布設Fig.6 Layout of displacement mark

測量采用兩臺兩百萬像素攝像機，支持低速到高速采集，最高采集頻率340 Hz，測距5 m內(nèi)測量誤差約為0.05～0.1 mm。本次試驗采集頻率為50 Hz，即采樣間隔為0.02 s。

測量攝像頭標定好以后固定不動，在開始震動后連續(xù)性采集，通過計算出各個標志點每個狀態(tài)的空間坐標從而得到標志點的位移波形。位移觀測選取邊坡坡面，標志點采用14 mm非編碼，標志點的布設如圖6所示，在x方向上共設置16排標志點，每排7個。同時在模型箱上固定一標志點作為基準，最終將邊坡上標志點的位移波形減去基準點波形后得到邊坡標志點的相對位移波形，因此后文所提及的均為邊坡相對于模型箱的位移波形。

1.4 試驗荷載工況

該振動臺滿載時水平加載最大加速度為1.7g，垂直方向為1.2g，響應頻率為300 Hz，滿足實驗設計要求。垂直與水平荷載分別采用2008年汶川地震甘肅文縣基巖臺記錄的汶川地震記錄波垂直向波形與東西向波形，其卓越頻率為7.6 Hz，東西向波形及頻譜特性如圖7所示。汶川地震波持續(xù)時間長達160 s，其中強震持時超過20 s。

圖7 汶川地震記錄波(東西向)Fig.7 Seismic wave recorded during Wenchuan earthquake

為了研究試驗模型在不同烈度的地震力作用下的動力響應，按照Ⅵ度、Ⅷ度、Ⅸ度烈度遞增的順序分水平方向(x方向)和垂直方向(z方向)對模型進行加載，共加載了6個工況(表4)。

在地震力較小時，邊坡處于彈性變形階段；隨著地震力的增大，邊坡進入塑性變形階段，變形不可逆。在位移數(shù)據(jù)采集時對標識點及光學測量設備進行重置，保證位移波形采集的是每次震動引起的位移波形。對于模型本身無法進行可逆重置，因此模型的總變形是累計變形。

表4 試驗加載工況

2 邊坡模型的位移響應特性

2.1 位移波形

圖8為水平方向(x方向)加載時，邊坡表面標志點6-5(其位置見圖6)在Ⅵ度及Ⅸ度地震烈度工況下的x方向和z方向的位移波形圖?？梢钥闯鏊捷斎霑rz軸方向的位移響應很小，Ⅵ度時僅在0.3 mm以下，Ⅸ度時存在約3 mm的永久位移，而x軸方向位移響應較大，Ⅵ度時最大響應達到了3 mm，在Ⅸ度時，最大響應達到了32 mm，永久位移達到了約13 mm?？梢哉J為，采用光學測量的手段，可以很好的觀測邊坡模型表面的動態(tài)位移。在水平輸入(x方向)時，x方向位移占主導地位，并且垂直輸入(z方向)工況也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

圖8 典型測點位移波形(水平輸入)Fig.8 Displacement wave at measuring point

2.2 位移響應特性

根據(jù)各測點的位移波形，取其振幅絕對值的最大值，獲取該測點的最大位移(PGD，Peak Ground Displacement)。提取表面所有測點最大位移，將其按對應位置分布在坡面上可得到各工況的坡面最大位移分布圖。水平加載工況只考慮x方向PGD，垂直加載工況只考慮z方向PGD。

圖9、圖10分別為汶川地震波輸入時Ⅵ度、Ⅷ度及Ⅸ度烈度下垂直加載時z向PGD分布圖和水平加載時x向PGD分布圖。可以發(fā)現(xiàn)，在地震烈度較小(Ⅵ度左右)時，邊坡整體位移較小且無明顯相對位移。隨著地震烈度的增大，達到約Ⅷ度(336 gal)時，在邊坡的陡傾結構面處(承臺位置)出現(xiàn)明顯的相對位移。地震烈度達到Ⅸ度(504 gal)時，在陡傾結構面處的相對位移更加明顯。陡傾結構面處至坡腳附近PGD基本不變，可以認為該部分發(fā)生整體位移。

圖9 垂直加載時z向PGD分布Fig.9 Distribution of PGD in z direction (vertical loading)

圖10 水平加載時x向PGD分布Fig.10 Distribution of PGD in x direction (horizontal loading)

標志點在x方向上共16排，每排有7個點，取每排標志點PGD的平均值，可得到各工況下每排觀測點的平均PGD的分布圖(包括x向與z向)(圖11)。在垂直與水平方向輸入的工況中，分別將各排標志點的x向與z向PGD整合為矢量并反映在模型側面，可得到側視坡面PGD分布圖，為便于觀察比較，繪圖時將實際的PGD擴大了10倍(圖12)。

可以發(fā)現(xiàn)，地震波垂直輸入的工況中，z向PGD遠大于x向PGD，占主導地位；水平輸入的工況中，x向PGD遠大于z向PGD，占主導地位。無論是水平輸入還是垂直輸入，Ⅵ度(84 gal)地震烈度輸入時，所有標志點PGD均在5 mm以下，且無明顯相對變化。Ⅷ度(336 gal)時，在承臺附近位移響應呈現(xiàn)明顯突變，其兩端出現(xiàn)明顯的相對位移，最大達到約1.4 cm。Ⅸ度(504 gal)時，兩端出現(xiàn)的相對位移進一步增大，最大達到約3 cm。

圖11 沿坡向平均PGD分布Fig.11 Average PGD along the slope

圖12 坡面PGD分布(側視圖)Fig.12 PGD distribution on the slope surface (side view)

2.3 位移演化規(guī)律

通過位移響應分布可以認為坡體呈現(xiàn)整體滑動破壞，因此將整體滑動部位內(nèi)所有測點的PGD及永久位移取平均值，根據(jù)地震波輸入方向分別分析其在Ⅵ度(84 gal)、Ⅷ度(336 gal)、Ⅸ度(504 gal)時的變化規(guī)律(圖13)。

PGD及永久位移演化規(guī)律基本相同，隨著輸入地震波峰值加速度的增大，整體滑動部分的PGD與永久位移不斷增大。無論是水平輸入還是垂直輸入，Ⅷ度(336 gal)之前，PGD與永久位移呈線性增長，Ⅷ度(336 gal)之后呈現(xiàn)加速增長趨勢，說明邊坡在這一階段進入非線性狀態(tài)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。到達Ⅸ度(504 gal)時，邊坡最終失穩(wěn)破壞。Ⅸ度(504 gal)時水平輸入下PGD達到32.46 mm，垂直輸入下PGD達到24.89 mm?？梢哉J為，邊坡在受到地震力累計作用下進入不穩(wěn)定狀態(tài)，在如降雨、地震等其他誘發(fā)條件下，發(fā)生滑動破壞。位移演化規(guī)律可用于災后邊坡位移監(jiān)測、預警等。

圖13 整體滑動區(qū)域PGD及永久位移Fig.13 PGD and permanent displacement at overall sliding area

3 邊坡失穩(wěn)破壞特征

每個工況加載后，對邊坡模型表面的裂縫擴張情況進行描繪，各階段的描繪狀態(tài)如圖14所示。隨著地震力的施加，首先在坡底剪出口處出現(xiàn)少許裂縫；地震烈度達到Ⅷ時，承臺位置附近開始出現(xiàn)裂縫并不斷擴張；當?shù)卣鹆叶冗_到Ⅸ時，承臺附近及剪出口處的裂縫不斷擴張并貫通，最終邊坡模型失穩(wěn)破壞。此外，隨著烈度的增大，砌磚之間產(chǎn)生裂隙并逐漸擴張，最大可達2～4 mm，該情況可能與模型砌筑過程中砌磚、砌縫成型時間差異導致的力學性能不一致有關，但對該模型的破壞模式基本無影響。

圖14 模型坡面裂縫開展情況Fig.14 Description of cracks during test

圖15展示了邊坡破壞過程，分別為Ⅵ度、Ⅷ度及Ⅸ度水平輸入工況下邊坡的表面狀態(tài)，由于水平與垂直工況下位移演化規(guī)律基本一致，而水平輸入工況位移更為明顯，因此選取了水平輸入工況的現(xiàn)場照片。圖16、圖17揭示了模型失穩(wěn)后破壞情況，從俯視圖中可以發(fā)現(xiàn)坡底出現(xiàn)明顯的剪出口，剪出口處產(chǎn)生大量的裂縫并隨之擴張，在坡頂陡傾結構面附近產(chǎn)生大量的傾角方向裂縫，且該區(qū)域右側位置砌塊破碎嚴重，可見該區(qū)域巖體強度基本喪失，危及承臺所在橋址；從側視圖中可以發(fā)現(xiàn)坡體內(nèi)部距離坡表50～200 mm處存在大量擴張裂縫，判斷其為滑坡滑動面，并隨著水平輸入烈度的增加，滑動面逐漸貫通。綜上，陡傾結構面處(承臺位置)為控制性滑動面的后緣面，剪出口位于坡腳附近，陡傾結構面處至坡腳附近間坡體呈整體滑動趨勢。

圖15 邊坡破壞過程Fig.15 Failure process of the slope

圖16 模型破壞情況描繪Fig.16 Description of slope failure

圖17 失穩(wěn)后模型照片F(xiàn)ig.17 Model slope after failure

4 結論

針對巖體的不連續(xù)特性以及地震力的動力特性，設計并開展了含不連續(xù)面的巖質(zhì)邊坡大型振動臺試驗，評價了含順向貫通性結構面、陡傾結構面的巖質(zhì)邊坡的位移響應規(guī)律。

(1)通過光學測試系統(tǒng)，獲取了大量邊坡表面觀測點的實時動態(tài)位移變化。地震烈度為Ⅵ度時，位移響應較小，達到Ⅷ度時，邊坡發(fā)生永久位移。

(2)水平輸入和垂直輸入的PGD演化規(guī)律基本一致，地震烈度達到Ⅷ度前，PDG呈線性增大趨勢。Ⅷ度時，邊坡模型在陡傾結構面處相對位移達到約1.4 cm。大于Ⅷ度時，PGD呈加速放大趨勢，此時邊坡呈不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 巖體的不連續(xù)性是控制巖質(zhì)邊坡動態(tài)失穩(wěn)以及失穩(wěn)模式的主要因素之一，貫通性順向結構面為主要控制因素，滑動面由陡傾結構面處剪入，在坡腳附近剪出,呈整體滑動破壞模式。建議橋梁建設時對陡傾結構面及坡腳處巖體用錨固等手段進行加固，增強巖質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性。