楊 崢，許 強，劉漢香，王 龍

（1．成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059；2．四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，成都 610017）

我國地域遼闊，山地、丘陵分布廣泛，特殊的地質(zhì)環(huán)境造就了大量的自然斜坡。同時，我國又是個地震頻發(fā)的國家，地震是誘發(fā)斜坡失穩(wěn)破壞的主要因素之一，近年來發(fā)生的多次強烈地震，在山區(qū)和丘陵地帶造成了大量的崩塌、滑坡等次生災害。如2008年汶川地震造成的次生地質(zhì)災害損失約占整個地震損失的三分之一［1－4］。因此地震動作用下斜坡的穩(wěn)定性研究顯得極為重要。近年來，地震模擬振動臺試驗逐漸被應用于斜坡的動力穩(wěn)定性研究，包括斜坡在地震作用下的動力響應規(guī)律和變形破壞機制，并取得了一定成果。翟陽等［5］在模型試驗的基礎上對土壩的穩(wěn)定性問題作了初步探討，Hong等［6］對土釘支護邊坡的動力穩(wěn)定性問題做了詳細的研究，祁生文等［7］通過大量動力數(shù)值分析研究斜坡的動力響應規(guī)律，梁慶國等［8］利用物理模擬試驗，研究了層狀巖體斜坡在強地震動作用下的變形破壞問題，Debabrata等［9］對三種坡度（30°，35°，40°）的路堤邊坡的動力響應特性做了對比研究，董金玉等［10－11］研究了順層和反傾層狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)斜坡的動力響應特性，許強等［12］對水平層狀上硬下軟和上軟下硬兩種巖性組合的巖質(zhì)斜坡做了大型振動臺試驗研究，楊長衛(wèi)等［13］提出SV波作用下巖質(zhì)斜坡地震穩(wěn)定性的時頻分析方法，并通過振動臺試驗和數(shù)值分析進行驗證。但是，由于巖質(zhì)斜坡的巖體結(jié)構(gòu)和動力問題的復雜性，利用大型振動臺試驗對巖質(zhì)斜坡的動力問題的研究還需要不斷的發(fā)展和完善［10］。

現(xiàn)有資料缺乏對含軟弱夾層斜坡的動力變形破壞特征和動力響應的研究，因此很難揭示軟弱夾層在斜坡震動過程中的作用。本文依托國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃），設計并完成了含不同厚度軟弱夾層斜坡的大型振動臺模型試驗，并對斜坡的變形破壞特征和模式進行了分析。

1 振動臺模型試驗概況

本試驗在中國核動力研究設計院二所核級抗震實驗室的三軸向六自由度大型地震模擬振動臺上進行。振動臺臺面尺寸為6 m×6 m，最大負載60 t，滿負載時水平向最大加速度1 g，垂直向最大加速度0．8 g，水平向最大位移±150 mm，垂直向最大位移±100 mm，頻率范圍0．1～80 Hz，3向6自由度加載。

1.1 試驗模型設計與監(jiān)測點布置

影響斜坡動力響應特性的因素多而復雜，其中包括坡體結(jié)構(gòu)、地形地貌、巖性特征及外荷載條件等［14］。在本次試驗以前，筆者已經(jīng)針對巖性、硬性結(jié)構(gòu)面和高程的影響進行了多次振動臺模型試驗研究，并獲得了一定的認識［15－16］。為了進一步探討軟弱夾層對斜坡地震動力響應特性的影響，本次試驗以含有一定厚度軟弱夾層的巖質(zhì)斜坡為模擬對象，為了突出軟弱夾層的作用，軟弱夾層兩側(cè)巖體的巖性相同，且不再考慮任何結(jié)構(gòu)面。如圖1和2所示，夾層的傾角為20°，傾向坡內(nèi)，考慮了兩種厚度，分別為3 cm和15 cm。每個模型高180 cm，坡頂寬57．6 cm，厚150 cm，兩模型相對布置成“U”型，坡度為60°。模型箱兩側(cè)連接厚度為20 cm的聚乙烯泡沫板作為減震層以降低模型箱前后壁剛性邊界對模型變形的干擾。在基本滿足相似律條件下，軟巖采用的相似材料質(zhì)量配比為重晶石粉：石英砂：石膏粉：精甘油：水 ＝32∶56∶6∶1∶7；軟弱夾層采用的相似材料質(zhì)量配比為石英砂：成都（東郊）粘土：水＝20∶66∶14。模型分層堆筑并夯實，考慮到土體的重塑作用，模型在堆筑完成一段時間后再進行振動臺試驗。相似材料的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 相似材料物理力學參數(shù)Tab．1 Physico-mechanical parameters of similar materials

圖1 斜坡模型Fig．1 Model slopes

本試驗采用的傳感器包括壓電式加速度傳感器、微型電阻應變式土壓力計、LVDT拉桿式位移傳感器。在每個模型坡面的上部、中部和底部，分別布置了3個土壓力計和3個位移傳感器。加速度傳感器在坡面和坡體內(nèi)部都有布置。每側(cè)斜坡的坡面上從坡腳至坡頂布置5個測點，與土壓力計和位移計一起，用于觀測地形放大效應。特別地，緊鄰軟弱夾層的上下部位分別布置有2個測點，測點距夾層上下面的垂直距離為4 cm，用于驗證地震波經(jīng)過軟弱夾層時的反射和透射效應。在模型箱和振動臺上各布置一個加速度測點，分別用于觀測箱體和振動臺的運動特征。模型總共布置加速度傳感器24個，布置方案詳見圖2。

圖2 斜坡模型及監(jiān)測布置方案（單位：cm）Fig．2 Slope model and layout of monitoring scheme（unit：cm）

1.2 地震波輸入方案

本試驗輸入的地震波以正弦波為主，主要輸入不同加速度幅值（0．1 g，0．2 g，…，0．8 g）、不同頻率（5，10，15 Hz）、不同激振方向（Z向，X向）的正弦波。在試驗開始階段和以后的不同階段均有輸入白噪聲進行掃描，用以測試模型的初始動力特性以及地震波輸入后的動力特性變化。除了正弦波，本試驗還將兩種天然波按相似比壓縮4倍后作為試驗輸入波進行對比驗證，包括臥龍地震臺實測的“5．12”汶川地震波（Δt＝0．005 s，持時 108 s）和1995年日本 kobe地震波（Δt＝0．02 s，持時40 s）。為了模擬自然狀態(tài)下的地震波作用，對汶川波同時施加了X和Z向的合成激振。試驗首先加載峰值為0．1 g的天然波，然后每次的峰值加速度以0．1 g為梯度向上遞增，并依次施加不同類型和激振方向的地震波。每一種工況施加完成后對模型的變形和破壞現(xiàn)象進行觀測和記錄，然后再進行下一種工況。在試驗的最后階段，施加較大振幅的正弦波，以觀察模型的動力破壞過程，試驗全程用攝像機進行記錄。

2 含軟弱夾層斜坡模型的變形破壞特征

2.1 地震動作用下斜坡變形破壞影響因素分析

在試驗加載過程中通過對斜坡模型進行攝像、拍照、現(xiàn)場手繪和測量，記錄了斜坡模型振動破壞的全過程。分析結(jié)果表明，斜坡模型的變形發(fā)展過程受到輸入波類型、激振方向、振動強度和軟弱夾層厚度的影響。① 在激振方向和振動強度相同的條件下，正弦波比天然地震波對斜坡模型的影響更明顯。汶川波振動強度達到1．0 g時對斜坡模型的影響只是對原有變形的加強和擴展，并無較多新的變形和大范圍的潰屈產(chǎn)生，它對斜坡模型的影響小于振動強度為0．5 g的正弦波；② 在波形和振動強度相同的條件下，不同的激振方向?qū)δＰ偷挠绊懗潭炔煌?。在斜坡模型的變形破壞過程中，X向的地震波使坡體中上部產(chǎn)生剪切變形，形成剪切裂縫，并且在坡頂形成豎向拉裂縫，而Z向的地震波主要使坡體內(nèi)已經(jīng)形成的剪切和張拉裂縫在寬度和深度上進一步擴展?？梢哉f，X向是造成模型變形破壞的最主要因素，Z向主要是對已經(jīng)形成的變形進一步加劇和擴展；③ 在波形和激振方向相同的條件下，斜坡模型的變形程度隨振動強度的增強而增強。含薄層軟弱夾層的斜坡模型在輸入的X向正弦波振動強度達到0．4 g時，坡面中上部出現(xiàn)大致平行的1＃和2＃裂縫（圖3（a）），隨振動強度的增大，這兩條裂縫不斷加長加深，逐漸貫穿坡面（圖3（b、c））。同樣，含厚層軟弱夾層的斜坡模型在輸入X向正弦波的振動強度達到0．5 g時，坡體開始出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象，在模型的坡面產(chǎn)生3＃和4＃裂縫（圖3（d）），隨著強度增加坡面裂縫逐漸擴展，并貫通坡面（圖3（e））。左、右斜坡模型，在坡面裂縫部位先發(fā)生掉塊和局部垮塌，隨著振動強度的不斷加大，裂縫部位發(fā)生帶狀垮塌并逐漸向坡體內(nèi)部掏空，最終造成裂縫影響范圍內(nèi)坡體呈散體垮塌破壞（圖3（f））；④ 在波形、激振方向和振動強度相同的條件下，不同的坡體結(jié)構(gòu)，變形的程度也有明顯的差別。根據(jù)試驗記錄，當正弦波X向的振動強度達到0．4 g時，含薄層軟弱夾層的斜坡模型開始出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象，當正弦波X向的振動強度達到0．5 g時，含厚層軟弱夾層的斜坡模型才開始出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象，由此看出含厚層夾層的斜坡模型開始出現(xiàn)明顯變形所需的振動強度高于含薄層夾層的斜坡模型。

圖3 斜坡動力破壞照片F(xiàn)ig．3 Photos of slope dynamic failure

2.2 含軟弱夾層斜坡模型的變形破壞特征及分析

2．1節(jié)對斜坡模型在振動過程中的變形破壞影響因素做了詳細的分析，坡體中的軟弱夾層作為其中一個重要影響因素，導致含不同厚度夾層的斜坡模型表現(xiàn)出了明顯不同的變形破壞特征。圖4詳細給出了試驗后的斜坡兩側(cè)面和坡頂?shù)牧芽p分布情況。

圖4 試驗前后模型變形描繪Fig．4 Sketch of deformation before and after test

圖5 斜坡模型在10 Hz的X向正弦波不同激振強度作用下坡面水平向加速的響應規(guī)律Fig．5 Horizontal acceleration responses under 10 Hz and X directionsinusoid ground motions in different amplitudes

如圖4（a）所示，左斜坡中的1＃、2＃裂縫是在試驗過程中形成的，圖中虛線僅表示在施加0．55 g振動強度的X向10 Hz的正弦波后，該裂縫在側(cè)面的位置和形狀。從圖中可以看出，試驗后含薄層軟弱夾層的左斜坡在坡頂上形成數(shù)條平行坡肩的拉裂縫，在斜坡側(cè)面的1＃、2＃裂縫位置處發(fā)生垮塌并形成弧狀剪切裂縫，其變形破壞主要集中在2／3 H（H為坡腳到坡頂?shù)拇怪备叨龋┮陨稀Ｏ啾戎?，圖4（b）表明，試驗后含厚層軟弱夾層的右斜坡在坡頂沒有出現(xiàn)明顯的變形破壞。該斜坡側(cè)面顯示夾層向外擠出8 mm，并在夾層上方形成垂直夾層發(fā)展的裂縫，其變形破壞主要集中在1／2H～2／3H。從試驗后含不同厚度軟弱夾層的斜坡模型的側(cè)面和頂面裂縫分布差異可以看出：在地震動作用下，軟弱夾層厚度對斜坡模型的變形破壞有著重要影響。斜坡的破壞范圍和破壞嚴重程度隨軟弱夾層厚度的增大而減小，發(fā)生的高度也隨軟弱夾層厚度的增大而降低。

當震動引起的應力波穿越軟弱夾層時，由于軟弱夾層傾角為20°，應力波不是垂直入射，會在巖體波阻抗分界面發(fā)生透射和反射［17－18］，產(chǎn)生兩種方式的能量損耗。第一種是以反射波的形式損耗，軟弱夾層的波阻抗與周圍巖體的波阻抗差值越大，產(chǎn)生反射的應力波越多，能量損耗越大。第二種是透射的應力波在通過軟弱夾層時發(fā)生的能量損耗，軟弱夾層越厚，傳播距離越長，應力波在通過夾層損耗的能量越大。正因為應力波的反射機制和軟弱夾層的吸能作用，軟弱夾層在震動過程中充當一個天然的屏障，它使傳入其后的動應力顯著削弱。然而軟弱夾層厚度越大，夾層吸收的能量就越多，因此軟弱夾層越易向坡面擠出，從而造成夾層上方出現(xiàn)垂直夾層發(fā)展的裂縫。

圖5為坡面上的加速度傳感器在10 Hz的X向正弦波不同激振強度（0．4 g，0．5 g，0．55 g）作用下實測到的水平加速度峰值，從圖中可以看出在一定激振強度下左斜坡模型的坡面水平加速度在2／3H高度以上達到最大值，相比右斜坡模型的坡面水平加速度在1／2H～2／3H之間達到最大值，這與斜坡模型坡面處的破壞位置相同。因此斜坡在振動過程中，坡面水平加速度具有放大效應，軟弱夾層厚度影響坡面水平加速度的響應規(guī)律。夾層厚度越小，水平加速度發(fā)生顯著放大的坡面位置越高。坡面水平加速度的放大效應是造成坡面破壞的重要原因。

由上述分析，可以將該類斜坡的變形破壞特征歸納如下：

（1）坡面震裂裂縫是該類斜坡破壞的主要特征。斜坡模型在振動過程中，首先在坡面出現(xiàn)震裂裂縫。裂縫在不斷持續(xù)和強度逐漸增大的振動作用下，逐漸向坡內(nèi)擴展，并造成裂縫處的塊體垮塌和崩落。該類裂縫出現(xiàn)在坡面的中上部，裂縫沿坡體走向方向，平行于坡肩，與施加的X向地震波垂直。

（2）軟弱夾層具有消能、減震作用。夾層厚度越大，消能作用越強，斜坡的震害范圍和程度越小。夾層厚度越大，夾層吸收的能量越多，夾層越易向坡面擠出。

（3）斜坡變形破壞集中在坡體中上部。變形破壞發(fā)生的位置與坡面水平加速度的放大效應有關。軟弱夾層厚度越小，坡面水平加速度發(fā)生顯著放大的坡面位置越高，斜坡坡面產(chǎn)生變形破壞的位置就越高。

3 斜坡模型的變形破壞模式分析

根據(jù)對試驗中斜坡變形破壞發(fā)展的過程研究，可以將斜坡的變形破壞過程劃分為三個階段（如圖6所示）：

圖6 斜坡模型變形破壞示意圖Fig．6 Deformation and failure modes of model slopes

（1）坡面中上部震裂階段：在地震動作用下，含薄層夾層的斜坡坡面上部和含厚層夾層的斜坡坡面的中部被震裂，出現(xiàn)平行坡肩的裂縫。

（2）裂縫擴展、貫通階段：隨振動強度的增強，裂縫在長度和深度上發(fā)生擴展，逐漸貫通坡面。在此過程中，含薄層夾層的斜坡，在坡頂處沿斜坡走向方向形成數(shù)條豎向的拉裂縫，拉裂縫不斷向下發(fā)展。

（3）條帶狀散體崩落、淘空階段：在持續(xù)的水平慣性力作用下，坡體表面的裂縫影響范圍內(nèi)發(fā)生條帶狀散體垮塌，層層崩落，并不斷向內(nèi)部淘空。在此過程中，含厚層夾層的斜坡在軟弱夾層上方形成垂直層面向上發(fā)展的裂縫。

基于以上三階段變形過程，本試驗所研究斜坡模型的變形破壞成因模式可歸納為“震裂－散體崩落”型。在試驗所加載的地震波作用工況下，模型頂部僅出現(xiàn)少量裂縫而未崩落?？梢灶A測，在持續(xù)的地震動作用下，斜坡模型由于中上部坡體被淘空，頂部坡體在失去支撐的條件下，可能被折斷而發(fā)生坐塌破壞。該模式跟黃潤秋等［3］在汶川地震斜坡成因機制分類中對潰屈型滑坡的歸納結(jié)果相似。

4 結(jié) 論

（1）地震動作用下斜坡的變形和破壞特征與地震波類型、加載方向、振動強度有關，同時還與斜坡所含軟弱夾層的厚度和坡體高程等因素有關。

（2）激振方向和振動強度相同時，正弦波對斜坡的影響大于天然地震波。波型和強度相同時，Z向和X向?qū)π逼碌挠绊懸来卧鰪?。波型和激振方向相同時，斜坡的變形程度隨振動強度的增大而逐漸增強。

（3）含反傾軟弱夾層斜坡的變形破壞集中在坡體的中上部，在地震動參數(shù)相同的條件下，含薄層軟弱夾層的斜坡先于含厚層軟弱夾層的斜坡發(fā)生變形破壞，并且其破壞范圍和破壞程度更大。

（4）軟弱夾層具有消能、減震作用。夾層厚度越大，消能作用越強，斜坡的震害范圍和程度越小。夾層厚度越大，夾層吸收的能量越多，夾層越易向坡面擠出。

（5）含反傾軟弱夾層的斜坡在地震動作用下為“震裂－散體崩落”型破壞，坡面裂縫起主要的控制作用，并且具有沿坡面裂縫呈帶狀散體崩落的特點。

［1］許強，黃潤秋．5．12汶川大地震誘發(fā)大型崩滑災害動力特征初探［J］．工程地質(zhì)學報，2008，16（6）：721－729．XU Qiang，HUANG Run-qiu．Kinetics charateristics of large landslides triggered by May 12th Wenchuan Earthquake［J］．Journal of Engineering Geology，2008，16（6）：721－729．

［2］鄭穎人，葉海林，黃潤秋．地震邊坡破壞機制及其破裂面的分析探討［J］．巖石力學與工程學報，2009，28（8）：1714－1723．ZHENG Ying-ren，YE Hai-lin，HUANG Run-qiu．Analysis and discussion of failure mechanism and farcture surface of slope under earthquake［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（8）：1714－1723．

［3］黃潤秋．汶川8．0級地震觸發(fā)崩滑災害機制及其地質(zhì)力學模 式 ［J］．巖 石 力 學 與 工 程 學 報，2009（6）：1239－1249．HUANG Run-qiu．Mechanics and geomechanical modes of landslide hazards triggered by Wenchuan 8．0 Earthquake［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009（6）：1239－1249．

［4］殷躍平．汶川八級地震地質(zhì)災害研究［J］．工程地質(zhì)學報，2008，16（4）：433－444．YIN Yue-ping．Researches on the geo-hazards triggered by wenchuan earthquake sichuan［J］．Journal of Engineering Geology，2008，16（4）：433－444．

［5］翟陽，韓國城．邊坡對土壩穩(wěn)定影響的振動臺模型試驗研究［J］．煙臺大學學報（自然科學與工程版），1996（4）：69－73．ZHAI Yang，HAN Guo-cheng．Shaking table model test on the effect of slopes in earth dam to its stability［J］．Journal of Yantai University（Natural Science and Engineering），1996（4）：69－73．

［6］Hong Yung-shan， Chen Rong-her， Wu Chosen， et al．Shaking table tests and stability analysis of steep nailed slopes［J］．Canadian Geotechnical Journal，2005，42（5）：1264－1279．

［7］祁生文，伍法權(quán)，孫進忠．邊坡動力響應規(guī)律研究［J］．中國科學 E輯：技術科學，2003，33（S1）：28－40．QI Sheng-wen，WU Fa-quan，SUN Jin-zhong． Study on dynamic responses of slopes［J］．Science in China Ser．E Technological Sciences，2003，33（S1）：28－40．

［8］梁慶國，韓文峰，馬潤勇，等．強地震動作用下層狀巖體破壞的物理模擬研究［J］．巖土力學，2005，26（8）：1307－1311．LIANG Qing-guo，HAN Wen-feng，MA Run-yong，et al．Physical simulation study on dynamic failures of layered rock masses under strong ground motion［J］．Rock and Soil Mechanics，2005，26（8）：1307－1311．

［9］Giri D，Sengupta A．Dynamic behavior of small-scale model slopes in shaking table tests［J］．International Journal of Geotechnical Engineering，2010，4：1－11．

［10］董金玉，楊國香，伍法權(quán)，等．地震作用下順層巖質(zhì)邊坡動力響應和破壞模式大型振動臺試驗研究［J］．巖土力學，2011，32（10）：2977－2982．DONG Jin-yu，YANG Guo-xiang，WU Fa-quan，et al．The large-scale shaking table test study of dynamic response and failure mode of bedding rock slop under earthquake［J］．Rock and Soil Mechanics，2011，32（10）：2977－2982．

［11］楊國香，葉海林，伍法權(quán)，等．反傾層狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡動力響應特性及破壞機制振動臺模型試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2012，31（11）：2214－2221．YANG Guo-xiang，YE Hai-lin，WU Fa-quan，et al．Shaking table model test on dynamic response characteristics and failure mechanism of antidip layered rock slope［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31（11）：2214－2221．

［12］許強，劉漢香，鄒威，等．斜坡加速度動力響應特性的大型振動臺試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2010，29（12）：2420－2428．XU Qiang，LIU Han-xiang，ZOU Wei，et al． Large-scale shaking table test study of acceleration dynamic responses characteristics of slopes［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（12）：2420－2428．

［13］楊長衛(wèi)，張建經(jīng)，周德培．SV波作用下巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性的時頻分析方法研究［J］．巖石力學與工程學報，2013，32（3）：483－491．YANG Chang-wei，ZHANG Jian-jing，ZHOU De-pei．Reseach on time-frequency analysis method for seismic stability of rock slope subjected to SV wave［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（3）：483－491．

［14］李振生，巨能攀，侯偉龍，等．陡傾層狀巖質(zhì)邊坡動力響應大型振動臺模型試驗研究［J］．工程地質(zhì)學報，2012，20（2）：242－248．LI Zhen-sheng，JU Neng-pan，HOU Wei-long，et al．Largescale shaking table model tests for dynamic response of steep stratified rock slopes［J］．Journal of Engineering Geology，2012，20（2）：242－248．

［15］劉漢香，許強，徐鴻彪，等．斜坡動力變形破壞特征的振動臺模型試驗研究［J］．巖土力學，2011，32（S2）：334－339．LIU Han-xiang，XU Qiang，XU Hong-biao，et al．Shaking table model test on slope dynamic deformation and failure［J］．Rock and Soil Mechanics，2011，32（S2）：334－339．

［16］劉漢香，許強，鄒威，等．層狀巖質(zhì)斜坡豎向動力響應特性的振動臺試驗研究［J］．振動與沖擊，2012，31（22）：13－19．LIU Han-xiang，XU Qiang，ZOU Wei，et al．Shaing table test for vertical dynamic response behavior of layered rock slopes［J］．2012，31（22）：13－19．

［17］李夕兵．論巖體軟弱結(jié)構(gòu)面對應力波傳播的影響［J］．爆炸與沖擊，1993，13（4）：334－342．LI Xi-bing．Effects of weak structural planes of rock mass on stress wave propagation［J］．Explosion and Shock Waves，1993，13（4）：334－342．

［18］王玉杰，陳先鋒，彭天浩．淺析巖石夾層對爆破效果的影響 ［J］． 巖 石 力 學 與 工 程 學 報，2004，23（8）：1385－1387．WANG Yu-jie，CHEN Xian-feng，PENG Tian-hao．Analysis on influence of rock interlayer on blasting［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（8）：1385－1387．