楊長衛(wèi),童心豪,蔡德鉤,張 良,瞿立明,郭雪巖
(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都 610031;2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)
我國國土面積大,分布著數(shù)量眾多的各類型邊坡,復(fù)雜險(xiǎn)峻的邊坡對(duì)沿線交通、房屋及公共建筑造成了極大的威脅[1],其中,邊坡坍塌是邊坡破壞的重要表現(xiàn)形式之一。近年來,邊坡安全問題已成為工程領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)研究,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于邊坡的滑坡、落石和坍塌等災(zāi)害發(fā)生機(jī)理方面已經(jīng)有了豐碩的研究成果,對(duì)于邊坡工程的防護(hù)也取得了極大的進(jìn)展。地震是我國中西部地區(qū)頻發(fā)的自然災(zāi)害,常導(dǎo)致邊坡防護(hù)失效,我國汶川地震時(shí)就造成約3 萬~5 萬處山體滑坡、崩塌和碎屑流災(zāi)害,地震次生地質(zhì)災(zāi)害造成遇難人數(shù)占總遇難人數(shù)的1/3[2]。坍塌是指坡面或邊坡上覆土層發(fā)生一定規(guī)模變形而坡體尚未大面積變形的邊坡變形形式,主要發(fā)生在堆積層或破碎巖層[3],其發(fā)生可能性僅次于崩塌和滑坡[4]。
邊坡坍塌常常與其他邊坡災(zāi)害混淆,國內(nèi)外許多學(xué)者將邊坡坍塌歸類于崩塌或滑坡之中,缺乏深入研究。邊坡坍塌時(shí)坡體會(huì)出現(xiàn)部分塌陷或碎石掉落,導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)遭受落石或滾木等突然性的小型沖擊,但由于坍塌不會(huì)像崩塌或滑坡一樣造成坡體整體位移,容易被人忽略其危害性。實(shí)際上,坍塌是邊坡結(jié)構(gòu)遭遇整體破壞的早期征兆,地震導(dǎo)致的邊坡崩塌和滑坡也很可能是先發(fā)生邊坡坍塌破壞再引起整體結(jié)構(gòu)發(fā)生位移。
邊坡破壞的內(nèi)因有巖土體類型[5]、坡度等,外因有地震、降雨、地下水變化等,目前已有許多學(xué)者針對(duì)邊坡破壞的相關(guān)原因進(jìn)行了研究。Keefer[6]通過歷史地震信息提出了地震滑坡分類方法,分析了滑坡與地震參數(shù)之間的關(guān)系;Hutchinson等[7]通過地面激光掃描測(cè)定了地震對(duì)巖石邊坡的影響;Zhao 等[8]通過實(shí)地調(diào)查分析了九寨溝7.0級(jí)地震導(dǎo)致滑坡的破壞特點(diǎn);鄭靜等[4,9]通過對(duì)汶川8.0 級(jí)地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析了地震導(dǎo)致邊坡破壞的形式和具體類型,發(fā)現(xiàn)坍塌主要發(fā)生在二元結(jié)構(gòu)的邊坡上,且坍塌物主要是上部松散覆蓋物,是由內(nèi)至外、由下至上發(fā)展;范剛[10]通過模型試驗(yàn)研究了含軟弱夾層層狀巖質(zhì)邊坡地震響應(yīng)并提出了穩(wěn)定性判別方法;蔣薇等[11]基于極限平衡理論提出了確定地震荷載作用下加筋土邊坡滑裂面的水平條分法;祝珣[12]研究了某黃土邊坡坍塌的原因和治理方案;張翾等[13]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和有限元軟件計(jì)算分析了某隧道洞口段邊坡的坍塌原因及過程;吳峰等[14]研究了巖溶邊坡的滑塌過程并提出了穩(wěn)定性分析方法;張建明[15]等通過魯?shù)?.0 級(jí)地震調(diào)查了公路邊坡的破壞類型,認(rèn)為邊坡坍塌與土的飽和程度有關(guān)。
目前針對(duì)地震作用下邊坡破壞的原因和防治措施已經(jīng)有了較為豐富的研究,但對(duì)于特殊類型的邊坡坍塌破壞過程研究仍然較為匱乏,難以發(fā)現(xiàn)、描述和控制邊坡地震破壞過程,對(duì)交通安全有極大的威脅。
本文通過模型試驗(yàn)觀測(cè)地震作用下基覆型邊坡坍塌破壞的現(xiàn)象,并監(jiān)測(cè)邊坡的加速度和位移;運(yùn)用Hilbert-Huang Transform (HHT) 方法,進(jìn)行邊坡坍塌全過程的地震動(dòng)響應(yīng)特征分析,相關(guān)結(jié)論對(duì)邊坡工程的發(fā)展有一定的參考價(jià)值。
由于巖土體長期受到自然力的影響,具有較大的離散性和顆粒性,理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬往往難以得到巖土動(dòng)力特性的精確解答,而使用物理模型試驗(yàn)?zāi)艿玫脚c實(shí)際情況更為接近的結(jié)果[16]。下文以川藏鐵路沿線位于理塘—德巫斷裂帶附近的典型邊坡為原型,設(shè)計(jì)模型與其相似比為1∶10,通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M邊坡坍塌的過程。值得注意的是,由于地下水會(huì)導(dǎo)致邊坡坍塌變形難以控制,為避免其影響,本試驗(yàn)不設(shè)置地下水。
由于坍塌是邊坡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的局域性破壞,在坡度較高且邊坡土體較為松弛時(shí)容易出現(xiàn),這是由于應(yīng)力波從堅(jiān)硬巖土體傳入軟弱土層時(shí)在界面處將會(huì)存在有較大的拉應(yīng)力,因此本試驗(yàn)設(shè)置堆積土作為滑體,中間設(shè)置軟弱夾層,下部設(shè)置硬巖層,根據(jù)相似理論對(duì)試驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行設(shè)計(jì)[17],主要過程如下。
選取試驗(yàn)相關(guān)的物理量,根據(jù)π定理[18],物理量之間需滿足特征方程
式中:L為幾何尺寸;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;γ為重度;E為動(dòng)彈性模量;μ為動(dòng)泊松比;υs為剪切波速;g為重力加速度;a輸入為輸入加速度;Td為持續(xù)時(shí)間;ω為振動(dòng)頻率;s為線位移;θ為角位移;ε為應(yīng)變;σ為應(yīng) 力;v為速度;a為響應(yīng)加速度。
將上述物理量無量綱化后,能夠得出相似準(zhǔn)則的表達(dá)式,并得出相似關(guān)系。
設(shè)控制量為幾何尺寸、重度和重力加速度,上述控制量的原型與模型相似比分別取10∶1,1∶1和1∶1,根據(jù)相似關(guān)系計(jì)算相應(yīng)參數(shù)的原型與模型相似比,黏聚力為10∶1,內(nèi)摩擦角為1∶1,動(dòng)彈性模量為10∶1,動(dòng)泊松比為1∶1,剪切波速為3.16∶1,輸入加速度為1∶1,持續(xù)時(shí)間為3.16∶1,振動(dòng)頻率為0.316∶1,線位移為10∶1,角位移為1∶1,應(yīng)變?yōu)?∶1,應(yīng)力為10∶1,速度為3.162∶1,響應(yīng)加速度為1∶1。
試驗(yàn)選用水、河砂、石膏、黏土為原材料制作模型邊坡,包括滑體(堆積體)、軟弱夾層和滑床(基巖)結(jié)構(gòu),其中滑體為散粒土,滑床為以石英砂巖夾板巖為主的硬巖,分別進(jìn)行分層填筑夯實(shí)。模型整體高度為1.5 m,坡高1.25 m,坡度約為50°,模型底部長2.21 m,寬2 m;上頂面長0.25 m,寬2 m。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)得出堆積層的基本性能參數(shù),其天然含水率約為10%,密度ρ為1.91 g·cm-3,黏聚力c為5.50 kPa,內(nèi)摩擦角φ為37.90°。試驗(yàn)使用的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面長度和寬度均為3 m,使用的模型箱兩側(cè)裝配有12 mm 厚的有機(jī)玻璃以實(shí)現(xiàn)可視化,并在模型邊界上涂抹潤滑劑以減少摩擦,并在模型與鋼板接合處安置泡沫板以減少邊界效應(yīng)。
為監(jiān)測(cè)邊坡坍塌過程,選用加速度傳感器及位移傳感器對(duì)坡面進(jìn)行監(jiān)測(cè),模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。圖中位移傳感器測(cè)點(diǎn)為D1—D3,加速度傳感器測(cè)點(diǎn)為A1—A3。
圖1 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖
試驗(yàn)選取歸一化后的實(shí)測(cè)汶川臥龍地震波、Kobe 地震波以及El Centro 地震波作為輸入波,每次加載地震波前均施加白噪聲,通過依次逐級(jí)加載0.1g,0.2g,…,1.0g峰值加速度的汶川臥龍地震波、Kobe 地震波以及El Centro 地震波,從而模擬不同烈度地震荷載,研究邊坡坍塌過程。地震波加載方向?yàn)槠旅嬷僚R空面水平向,地震波波形如圖2所示。
圖2 地震波波形
HHT 是一種處理振動(dòng)信號(hào)的典型方法[19],能較好地反映地震動(dòng)響應(yīng)的頻譜特性,已有學(xué)者將其運(yùn)用到結(jié)構(gòu)損傷判別之中[20]。HHT 分析方法主要分為2 個(gè)步驟,即經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和Hilbert 譜分析(Hilbert Spectrum Analysis,HSA)。主要過程如下。
(1)基于局部極值點(diǎn)作出監(jiān)測(cè)信號(hào)x(t)的上包絡(luò)線Xmax(t)和下包絡(luò)線Xmin(t),在原序列x(t)中減去上下包絡(luò)線的平均值m1(t),得到新序列h1(t),并判斷其是否滿足固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function,IMF)的要求,如滿足該要求,則令該序列為第1 個(gè)IMF 分量,否則將h1(t)替換原序列并重復(fù)上述過程,直到IMF分量出現(xiàn)。
(2)將IMF 分量從原序列中剔除,將剩余序列作為新的原序列繼續(xù)求下1個(gè)IMF分量,直至剩余序列Rn(t)變?yōu)閱握{(diào)函數(shù)或小于某閾值時(shí)結(jié)束。
(3)將IMF分量h(t)與1/(πt)卷積,即
式中:PV為柯西主值;x(τ)為各階IMF 分量;τ為頻率。
在振幅-時(shí)間平面上,原信號(hào)可表示為
式中:n為IMF 分量的數(shù)量;aj(t)和ω(t)分別為IMF分量的瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率。
HHT 的優(yōu)勢(shì)在于減小了傅里葉變換的擬合誤差,有效避免了海森堡不確定性原理中時(shí)間與頻率之間的對(duì)應(yīng)性問題[21],適用于突變信號(hào),且能同時(shí)表征結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中的時(shí)域及頻域響應(yīng)。因此,使用HHT 方法研究邊坡地震動(dòng)響應(yīng)可以較為準(zhǔn)確地反映土體受力狀態(tài)的變化情況。
下文根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象及傳感器響應(yīng)結(jié)果,進(jìn)行邊坡坍塌特性分析。
在輸入峰值加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)為0.3g的El Centro 地震波時(shí),邊坡出現(xiàn)部分碎屑流,總體上保持穩(wěn)定,無肉眼可見的裂縫,如圖3所示。
圖3 PGA為0.3g的El Centro地震波作用下邊坡變形
在輸入PGA 為0.6g的El Centro地震波時(shí),邊坡發(fā)生劇烈碎屑流,坡面上部出現(xiàn)裂縫,滑體部分位置坍塌,坍塌位置主要在坡面下部,可見劇烈碎屑流,同時(shí)有坡面凸起發(fā)生,同時(shí)軟弱夾層和硬巖間出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象,如圖4所示。
圖4 邊坡坍塌過程
由于巖土體結(jié)構(gòu)動(dòng)力變形形式極為復(fù)雜,在地震動(dòng)荷載作用下使巖土體發(fā)生瞬時(shí)位移后,巖體能夠依靠自身特性抵消應(yīng)力波[22],根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象、位移響應(yīng)及加速度HHT 譜,可將邊坡在地震作用下的坍塌階段劃分為邊坡穩(wěn)定振動(dòng)階段、裂縫擴(kuò)張階段和坍塌破壞階段。
3.2.1 邊坡穩(wěn)定振動(dòng)階段
圖5 給出了輸入PGA 為0.1g的El Centro 地震波時(shí)邊坡各測(cè)點(diǎn)的位移。由圖5 可見:位移變化范圍始終保持在0.1 mm 左右,且無永久位移,說明該點(diǎn)處地震動(dòng)響應(yīng)較小,下部硬巖及上部堆積體已經(jīng)耗散了大部分能量,輸入汶川臥龍地震波和Kobe 地震波時(shí)邊坡各測(cè)點(diǎn)的位移相似,在此不再贅述。
圖5 輸入PGA為0.1g的El Centro地震波時(shí)坡面位移時(shí)程
圖6 給出了輸入PGA 為0.1g的不同地震波時(shí)坡面A3測(cè)點(diǎn)加速度的HHT 譜。由圖6可知:汶川臥龍地震波作用下該測(cè)點(diǎn)在0~20 s 時(shí)的加速度HHT 譜幅值較高,Kobe 地震波作用下該測(cè)點(diǎn)在2~4 s 時(shí)的加速度HHT 譜幅值較高,El Centro 地震波作用下該測(cè)點(diǎn)在2~4 和6~8 s 時(shí)的加速度HHT 譜幅值較高;不同地震波作用下該測(cè)點(diǎn)加速度的HHT 譜在時(shí)域分布較為集中,在頻域上卓越頻段均位于0~25 Hz 之間;加速度HHT 譜的幅值大小順序?yàn)殂氪ㄅP龍地震波>Kobe 地震波>El Centro 地震波;在輸入El Centro 地震波時(shí)加速度的HHT 譜會(huì)出現(xiàn)多個(gè)幅值明顯的時(shí)域帶,這應(yīng)當(dāng)是El Centro 地震波卓越頻率與邊坡自振頻率相近的原因。上述現(xiàn)象說明:不同類型地震波作用下邊坡各位置的加速度HHT 譜響應(yīng)有明顯的差異,根據(jù)坡面測(cè)點(diǎn)位移和加速度HHT 譜可知,邊坡此時(shí)還處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖6 輸入PGA為0.1g的地震波時(shí)A3測(cè)點(diǎn)加速度HHT譜
綜上可知,自然邊坡在低烈度地震作用下還保有一定的抵抗能力,原因是巖土體內(nèi)部的黏聚力、土-水間分子作用力等阻力可以抵消地震動(dòng)荷載,由于該阻力主要由巖土體的介質(zhì)特性決定,因此不同巖土體之間存在一定的差距,在此時(shí)期巖土體出現(xiàn)微弱位移,卓越頻率較為集中,主要為低頻振動(dòng)。
3.2.2 邊坡裂縫擴(kuò)張階段
在輸入PGA為0.3g的汶川臥龍地震波及Kobe地震波時(shí),D1—D3 測(cè)點(diǎn)位移變化較小,但在輸入PGA 為0.3g的El Centro 地震波時(shí),D1—D3 測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較為明顯的突變位移,發(fā)生永久位移時(shí)間約為0.4 s″,約為0.1 mm,如圖7 所示。此時(shí)A3 測(cè)點(diǎn)的加速度HHT 譜如圖8 所示。由圖8 可見:該測(cè)點(diǎn)在2~4 和6~8 s 的加速度HHT 譜幅值較高,且較圖6(c)有明顯增長,卓越頻段仍然處于0~25 Hz 范圍內(nèi),但位于50~75 Hz 的HHT 譜幅值明顯提升,這應(yīng)當(dāng)是由滑體中的散粒土導(dǎo)致的,此時(shí)坡面雖然出現(xiàn)一定的碎屑流及微弱裂縫,但邊坡仍能保持主體穩(wěn)定,這與“累積效應(yīng)”描述相符。該現(xiàn)象反映了邊坡坡面防護(hù)的重要性,以減少碎屑流為目標(biāo)進(jìn)行坡面防護(hù)可有效提升中低地震烈度地區(qū)的抗震減災(zāi)能力。
圖7 輸入PGA為0.3g的El Centro地震波時(shí)位移時(shí)程
圖8 輸 入PGA 為0.3g 的El Centro地震波時(shí)A3測(cè)點(diǎn)加速度HHT譜
輸入PGA 為0.5g的3 種地震波都導(dǎo)致邊坡坡面發(fā)生較大永久位移,圖9 給出了坡底的D3 測(cè)點(diǎn)位移。由圖9 可見:汶川臥龍地震波作用下坡底永久位移最大,約為0.5 mm,El Centro 地震波次之,Kobe 地震波最小,這應(yīng)當(dāng)是由于汶川臥龍地震波持時(shí)最長的原因。
圖9 輸入PGA為0.5g的地震波時(shí)D3測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程
圖10給出了不同地震波作用下A3測(cè)點(diǎn)的加速度HHT 譜。由圖10 可見:在輸入PGA 為0.5g的地震波作用下該測(cè)點(diǎn)的加速度HHT 譜幅值較輸入PGA 為0.1g的地震波時(shí)有較大提升;該測(cè)點(diǎn)在El Centro 地震波作用下加速度HHT 譜仍存在多個(gè)幅值明顯的時(shí)域帶;位于50~75 Hz 頻率范圍內(nèi)加速度HHT譜幅值有明顯增大。
圖10 輸入PGA為0.5g的地震波時(shí)A3測(cè)點(diǎn)加速度HHT譜
根據(jù)位移響應(yīng)的變化大小可知此時(shí)邊坡坡面裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大,土體內(nèi)部節(jié)理面擴(kuò)大,部分土體發(fā)生位移后不能復(fù)原,根據(jù)加速度HHT 譜可知由于地震波在增強(qiáng)后在節(jié)理面、坡面等位置由于折射反射和疊加而造成破壞效應(yīng)增強(qiáng),因此可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞前的臨界狀態(tài)。
綜上可知,邊坡巖土體在承受PGA 較大的地震動(dòng)荷載后其本身的抗震能力已經(jīng)難以耗盡地震波能量,原因是巖土體之間的孔隙逐漸擴(kuò)大,導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度急劇降低,土體張拉應(yīng)力超過極限強(qiáng)度,出現(xiàn)節(jié)理面并繼續(xù)發(fā)展。值得注意的是,在進(jìn)行逐級(jí)加載時(shí)由于“累積效應(yīng)”,巖土體在地震力作用下可能在一瞬間會(huì)出現(xiàn)剪切失穩(wěn),但并不破壞,直到剪切面中的鎖固段被突破或越過某些凸起體后才導(dǎo)致最終破壞。
3.2.3 邊坡坍塌破壞階段
圖11—圖13 給出了在輸入PGA 為0.6g地震波時(shí)D1—D3 測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程。由圖11—圖13 可見:3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化曲線較為相似,且位移大小順序?yàn)镈3 測(cè)點(diǎn)>D2 測(cè)點(diǎn)>D1 測(cè)點(diǎn),汶川臥龍地震波作用下>Kobe 地震波作用下>El Centro 地震波作用下;坡面3個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程表明坡面發(fā)生了劇烈變形,D1—D3 測(cè)點(diǎn)位移均超過10 mm,但變化趨勢(shì)相近,說明地震波對(duì)邊坡坡面造成的位移變化較為一致,滑體還保持相對(duì)穩(wěn)定,坍塌是局部破壞現(xiàn)象。
圖11 輸入PGA為0.6g的汶川臥龍地震波時(shí)坡面位移時(shí)程
圖12 輸入PGA為0.6g的Kobe地震波時(shí)坡面位移時(shí)程
圖13 輸入PGA為0.6g的El Centro地震波時(shí)坡面位移時(shí)程
圖14 給出了A1—A3 測(cè)點(diǎn)的加速度HHT 譜。由圖14可見:在時(shí)域分布上,加速度HHT 譜幅值均值上A1測(cè)點(diǎn)>A2測(cè)點(diǎn),這與坍塌和變形主要位置(坡面下部)的距離相近;在大小關(guān)系上,A1測(cè)點(diǎn)的加速度HHT 譜幅值最大,且與其他2 個(gè)測(cè)點(diǎn)相比加速度HHT 幅值更大,說明坍塌區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力波動(dòng),原因是土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)劇烈變形,加速度HHT 譜幅值變化加劇,該處裂縫面貫通,土體發(fā)生坍塌。
圖14 輸入PGA為0.6g的El Centro地震波時(shí)HHT譜
綜上可知,邊坡坍塌前巖土體內(nèi)部松弛,加速度HHT 譜幅值波動(dòng)明顯,裂隙面不斷擴(kuò)大,部分土體位移后不能復(fù)原,邊坡抵抗外力能力降低,伴隨坡面碎屑流現(xiàn)象,在承受較大地震荷載后,土內(nèi)鎖固面被突破發(fā)生嚴(yán)重變形,最終導(dǎo)致坡面坍塌,同時(shí)還可能發(fā)生錯(cuò)落,此后將演變?yōu)楸浪蚧?,HHT方法對(duì)于邊坡坍塌特性能夠進(jìn)行有效分析。
(1)根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象及傳感器響應(yīng)結(jié)果,可將地震導(dǎo)致基覆型邊坡坍塌過程分為穩(wěn)定振動(dòng)、裂縫擴(kuò)張及坍塌破壞階段,用HHT 方法可以有效分析地震作用下邊坡振動(dòng)時(shí)域-頻域-幅值變化。
(2)邊坡在穩(wěn)定振動(dòng)期間通過巖土體內(nèi)力可以有效抵消地震動(dòng)荷載,但可能會(huì)發(fā)生少量彈性位移,主要為低頻振動(dòng),不同地震波類型造成的邊坡HHT譜響應(yīng)有明顯的差異。
(3)在裂縫擴(kuò)張階段,地震導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)裂縫并擴(kuò)張,但在El Centro 地震波作用下最先出現(xiàn)較大位移和碎屑流,說明地震動(dòng)頻譜特性對(duì)邊坡地震動(dòng)響應(yīng)有明顯影響,此外坡面防護(hù)對(duì)于地震中低烈度區(qū)域有重要意義。
(4)邊坡坍塌時(shí)主體部分還保持穩(wěn)定,坍塌僅是局部效應(yīng),坍塌是由下至上發(fā)生,坍塌相鄰區(qū)域的HHT 譜幅值在時(shí)域上分布明顯,且50 Hz 以上頻段HHT 譜幅值明顯增加,位移大小關(guān)系與不同地震波HHT譜的幅值大小關(guān)系一致。