Effect of moisture content on dynamic response law and failure mode of accumulation slopes under frequent micro-seismic actions
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摘要: 近年来,三峡库区微小地震频繁,同时库区堆积体斜坡广泛分布,频发微震作用下堆积体斜坡的稳定性值得关注。堆积体的含水率是影响斜坡稳定性的重要因素之一。通过振动台物理模型试验,揭示频发微震作用下三峡库区巨厚堆积体斜坡土体含水率对斜坡动力响应及失稳模式的影响。结果表明:模型斜坡在频发微震作用下发生“阶梯状”滑出破坏,变形演化过程:裂缝产生并发育→裂缝扩展→上部裂缝贯通(上部滑体发生滑动)→底部滑动面贯通(斜坡失稳破坏);裂缝贯通导致斜坡堆积体滑出的过程中,高含水率模型发生“局部整体式”破坏,低含水率模型发生“溃散式”破坏;坡体加速度响应表现出明显的趋高趋表效应,导致斜坡坡肩位置率先出现裂缝,含水率增大对这些效应具有促进作用。Abstract: Micro-seismic actions are frequent in the Three Gorges Reservoir area in recent years. Meanwhile, the accumulation slope is widely distributed in the reservoir area. Therefore, the stability of the accumulation slope under the frequent micro-seismic actions is noteworthy. The moisture content of accumulation body is one of the key factors affecting slope stability. The influences of the moisture content on the dynamic response and failure mode of the massive accumulation slope in Three Gorges Reservoir area are revealed by adopting the shaking table model tests. The results are as follows: under the frequent micro-seismic actions, the failure of the model slope is damaged by "ladder" sliding. The deformation evolution can be summarized as follows: generation of cracks → extension of cracks → connection of the upper cracks (sliding of the upper sliding body) → formation of the bottom slip plane (failure of the slope). During the process of accumulation sliding due to the connection of cracks, the failure of the high moisture content model is "locally integrated", while the failure of the low moisture content model is "collapsed and scattered". The acceleration response of the slope shows obvious altitude effect and skin effect, leading to the first crack in the shoulder of slope. The enhancement of moisture content promotes these effects.
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0. 引言
全球有超过100个案例证明水库蓄水会引起库区地震[1]。长江三峡水库于2003年6月1日正式蓄水,6月7日在湖北省巴东县城北信陵镇沿江一线即发生2000多次微小震动[2]。据统计,2003年库区共发生地震541次,地震频次较蓄水前提高近10倍;2004年共发生地震1062次,地震频次较2003年又增加一倍左右[3]。近年来,三峡库区地震频度一直保持在较高水平,致使滑坡、崩塌等灾害频发,其类型多,规模大,严重威胁库区周围群众的生命财产安全[4-5]。与构造地震相比,水库诱发地震震次频繁、震源较浅、能量释放集中,地震烈度最高可达到Ⅶ~Ⅷ度。地震导致的滑动面动摩擦力退化,土体强度降低以及惯性力作用是滑坡发生的重要原因[6-7],库区频发微震极有可能导致大量新滑坡产生及老滑坡复活[8],即使已经失稳的斜坡也有可能在水库诱发地震的作用下发生二次滑动[9],从而威胁航道安全。此外,频发地震导致的斜坡变形累积也不容忽视[10-11]。
堆积体滑坡是三峡库区最典型的滑坡类型。据统计,库区共发现滑坡约1736个,其中堆积体滑坡数量为1100个,约占64%[12],表明这些潜在不稳定斜坡体安全储备不高。土体含水率[13]、物质组成[14]、库水位波动[15-17]、降雨[17-19]等是影响堆积体斜坡稳定性的重要因素,但在频发微震作用下堆积体斜坡的变形破坏特征和失稳模式尚不清楚。已有研究[20]表明,含水率对库区典型土石混合堆积体土体剪切强度的影响显著,而堆积体组成土体的剪切强度是控制斜坡稳定性的重要指标。因此,开展频发微震下含水率对堆积体斜坡动力响应规律及失稳模式的影响研究十分必要。
近年来,针对频发微小地震作用下斜坡的动力稳定性问题,Wartman等[21]、Srilatha等[22]、Yang等[23]、刘新荣等[24]、刘树林等[25]、王兰民等[26]采用振动台物理模拟试验开展了大量研究,取得了丰富的研究成果。但已有研究主要针对岩质坡体,对堆积体斜坡的动力稳定性还缺乏系统深入的研究。鉴于此,本文通过室内大型振动台模型试验,拟揭示不同含水率堆积体斜坡在频繁微震作用下的动力响应特征和失稳模式,以期对微震频发环境下库区堆积体斜坡的变形破坏机理有进一步认识,为相关工程建设及地质灾害防治提供科学依据。
1. 振动台试验设计
1.1 相似关系的确定
受试验条件限制,全面相似的振动台模型试验目前尚难以进行,只能在满足部分重点参数相似的前提下,尽可能使其他参数相似,避免振动台模型试验与实际工况产生较大差异。
为严格满足相似条件,根据相似第二定理及MLT量纲系统[27],各物理量的相似比需满足如下关系:
几何方程:Cu=CLCε。 (1) 物理方程:Cσ=CECε, (2) Cv=CuCt−1, (3) Ca=CuCt−2。 (4) 平衡方程:Cσ=CρCgCL=CρCgCuCt−2。 (5) 由此可得:Cε=CρCgCLC−1E, (6) Ct=CLCρ0.5C−0.5E。 (7) 在本试验中,根据所研究问题与试验条件的限制,可预先将加速度a、重力加速度g、密度ρ、内摩擦角φ、泊松比μ、应变ε的相似比确定为1;为减小尺寸效应影响,几何相似比CL应尽可能取大值;因库区微震具有持时短、频率高的特点,时间相似比Ct应尽可能取小值。
由式(2),(5)可得
CL=CE。 (8) 由式(7)可得
Ct=CLC−0.5E=C−0.5L。 (9) 可见,
CL 取大值与Ct 取小值存在较大矛盾,只能折中考虑。从前述可知,当Cε<1时几何尺寸相似比CL 可取更大值,而根据文献[28]研究,在弹性阶段小变形范围内,可允许应变相似比Cε≠1,从而为试验提供方便。故综合考虑各因素影响[29],取Cε=0.7,得到的尺寸相似比CL =22.8,时间相似比Ct =4均可满足本试验的要求,其余参数相似比如表1所示。表 1 物理量相似系数Table 1. Similarity coefficients of physical quantities物理量 符号 相似系数(无量纲) 密度 ρ 1 几何尺寸 L 22.8 时间 t 4 弹性模量 E 32.6 泊松比 μ 1 内摩擦角 ψ 1 黏聚力 c 22.8 线位移 u 22.8 速度 v 4.8 加速度 a 1 频率 f 0.21 重力加速度 g 1 应变 ε 1 1.2 相似材料的选取
相似材料的选择及有关参数的确定关系到试验数据的可利用价值,是决定缩尺试验是否成功的重要因素之一。本试验部分原型物理力学参数参考桥头滑坡[3]选取。
(1)基岩
综合考虑多种材料后,在前期研究[23]的基础上,选择石英砂(粗骨料)、重晶石粉(细骨料)、石膏粉(胶结剂)、石膏缓凝剂(增加初凝时间)、甘油(保水剂)和水六种材料作为模型基岩的相似材料。由于试验研究重点不在于基岩,故不再赘述基岩相似材料力学强度参数的测量过程。最终所确定的基岩材料的相似配合比与强度参数详见表2。
表 2 原型与模型力学参数Table 2. Mechanical parameters of prototype and models材料类型 干密度/(kg·m-3) 泊松比 内摩擦角/(°) 黏聚力/kPa 静弹性模量/MPa 基岩 原型 2400 0.22 35 2000 1200 模型 2300 0.24 45 97.64 265 堆积体 原型 1850 0.32 18~26 29~53 30~145 模型(4%) 1700 0.33 36.8 37 29.3 模型(7%) 1700 0.33 31.6 29 25.3 模型(10%) 1700 0.33 27.7 21 20.3 (2)堆积体
堆积体原样来源于三峡库区境内某堆积体斜坡,属土夹砂泥岩混合料,砾石以泥岩和砂岩混合物为主,泥岩含量大。为确定堆积体的含水率、含石率和颗粒级配平均值,从取回的土样中称取100 kg,以105°高温烘烤24 h后进行筛分。所得天然土级配曲线参见图1(a),天然含水率为4.11%。
随后对天然土进行人工锤击、筛分,选取粒径20 mm以下的颗粒进行土体重配。根据天然土级配按相似比折算可得到重配土级配,折算时尽量满足尺寸与强度参数相似比(黏聚力和内摩擦角)。重配土级配曲线见图1(b)。
堆积体作为研究对象时需确定一个颗粒粒径阈值以区分其中的“土”与“石”,目前开展的研究大多选取5 mm作为阈值[30-32],即“石块”为大于5 mm的颗粒,“土体”为小于5 mm的颗粒。根据筛分结果,天然土以5 mm为土石阈值时含石率为56.7%,其中砂岩含量约16.2%,泥岩含量约40.5%。
考虑到斜坡模型的颗粒尺寸也应满足尺寸相似比条件,依据
CL =22.8,模型试验中将土石阈值定为2 mm[33],所得重配土的含石率为55%,其中砂岩含量约15%,泥岩含量40%。为探究不同含水率堆积体斜坡在频发微震作用下的动力响应特征和变形机理,共制作3个由基岩和堆积体构成的斜坡模型,3个模型差别在于堆积体含水率分别为4%,7%,10%。最终确定的相似材料最优配合比及模型实际参数值如表2所示。其中基岩材料配比石英砂∶重晶石粉∶石膏粉∶水∶甘油为1.12∶0.64∶0.24∶0.20∶0.04。
1.3 斜坡模型制作
堆积体斜坡概化模型长930 mm,高565 mm,宽400 mm,坡脚45°,下部为基岩,上部为堆积体。根据有关研究[34-35]可知,三峡库区岩质滑坡具有多级多期次滑动的特征,滑面后缘破裂坡壁陡立而表面较为平缓,所形成的堆积体斜坡基岩表面较为粗糙,故将模型堆积体与基岩的接触界面设计为锯齿状,以达到更好的模拟效果。斜坡模型其他主要尺寸参数及外观参见图2。
模型箱的两侧采用透明度高且耐磨损的钢化玻璃材料,有利于对模型的破坏过程进行观察。为增大模型箱侧向刚度,在其竖向方向中部焊接钢条,同时在振动方向设置15 mm厚的泡沫塑料加塑胶板作为减震材料(图3),用于吸收边界处的地震波,避免其反射回模型造成二次破坏。
为研究坡体的动力特性及不同位置的动力响应,在模型内共布置9个加速度计。编号为0的加速度计布置于震动台台面,直接监测输入波的真实状态。剩下8个加速度计编号分别为4—11:为分析加速度由坡内到坡面的响应规律,沿同一高度布置9,6,10号加速度计;为分析坡面加速度的高程效应,沿着坡面由低到高布置7,8,9,4号加速度计;为分析高程对动力响应规律的影响,沿同一竖直方向由低到高布置11,6,4号加速度计。加速度计布置详情参见图2。
1.4 试验设备及试验过程
试验选用由美国ANCO公司生产的1.2 m×1.2 m双向双自由度地震模拟振动台设备,仪器主要技术参数及振动台试验流程参考前有研究[25]。
1.5 加载方案
根据前期研究,三峡库区存在发生5级地震的可能性,其烈度可达Ⅶ~Ⅷ度(0.09~0.35g)[36]。因诱发地震的震源较浅,相同震级条件下烈度比构造地震更大,难以从震级大小判断其危害性。试验中的天然波取自2013年湖北省兴山县地震监测站监测到的5.1级水库诱发地震,持续时间约为7 s。因水库诱发地震还具有较短时间内(1~3 d)连续发震2~4次的特点,几次地震之间震级、烈度相近,不易划分前震、主震、余震,宜将其作为一个序列进行预处理[3, 37]。将4个约7 s(主震段)的天然地震波进行wilson校正,消除基线漂移带来的影响,并拼接成一个完整的地震波序列,然后在时间轴上以压缩比4进行压缩,拼接后的地震波形状如图4所示。可以看出,天然波持续时间为28 s,按时间相似系数4处理后,地震波实际作用于振动台的时间为7 s。对加速度时程曲线进行傅里叶变换后,天然波主频为7~12 Hz,根据时间相似系数处理后应用于振动台的地震波主频为28~48 Hz。
将白噪声、天然波和人工波作为地震波输入,研究堆积体斜坡的累积损伤效应,所有波都作用于水平X方向。天然波峰值振幅分为0.04g,0.06g,0.09g,0.15g 4个等级。人工波为不同频率、不同振幅的正弦波,与天然波保持相同持时(7 s),峰值振幅分别为0.04g,0.06g,0.09g,0.15g,频率分别为5,10,15,30 Hz。在振幅相同的情况下,正弦波比天然波更具破坏性。因此,在早期应用天然波后,正弦波和白噪声成为主要的加载波。采用白噪声(随机波)扫描法测量模型斜坡在各加载阶段的动态特征参数。试验加载方案如表3所示。
表 3 振动台试验加载方案Table 3. Loading schemes of shaking table tests工况 振幅/g 加载波类型(X向) 持时/s 频率/Hz 加载次数 1 白噪声1 30 1 2 0.04 天然波 7 1 3 0.04 正弦波 7 5 1 4 10 1 5 15 1 6 30 1 7 0.04 天然波 7 1 8 0.06 1 9 0.09 1 10 0.15 1 11 白噪声2 30 1 12—61 0.04 天然波 7 50 62 白噪声3 30 1 重复12—62加载工况,直至作用500次微震 524—573 0.15 天然波 7 50 574 白噪声4 30 1 重复524—574加载工况,直至作用500次小震加载0.2g~0.4g、15 Hz的正弦波,直至斜坡失稳破坏 每个激振工况施加完成后停歇观察,对振后模型进行观测记录,再施加下一工况。当模型斜坡出现大变形后,改用正弦波进行破坏性试验,以观察震动条件下斜坡变形破坏特征[38]。
2. 振动台模型试验结果分析
2.1 模型斜坡动力特性及动力响应规律
(1)模型斜坡动力特性分析
坡体在动力荷载下的响应与其动力特性息息相关。采用白噪声扫描斜坡模型可获得各监测点不同阶段的加速度时程曲线,求得试验过程中模型的自振频率和阻尼比的变化规律[39],如图5所示。
可见,3个模型斜坡的自振频率随地震作用次数增加逐渐下降,而阻尼比波动上升。表明堆积体斜坡在反复地震作用下,上部堆积体产生开裂或滑移,导致斜坡完整性不断降低,几何特性与力学特性发生相对劣化。
(2)模型斜坡的动力响应规律
加速度能够最为方便直观地反映坡体的动力响应,因此选用实测加速度峰值(Peak Ground Acceleration, PGA)放大系数作为本次分析的主要指标。定义PGA放大系数为各测点加速度响应峰值与台面实测加速度峰值的比值。当PGA>1时,加速度峰值增大;PGA<1时,峰值减小;PGA=1时,加速度峰值与输入地震波的强度相等。
a)频率效应
不同含水率模型在幅值0.04g,频率不同(5~30 Hz)的正弦波加载工况下,PGA放大系数随高程的变化曲线如图6所示。对比分析可知,荷载频率越接近模型自振频率,PGA放大系数变化范围越大,即最大值更大而最小值更小,且这种趋势随含水率的提高不断增强。例如含水率4%的模型在30 Hz工况下PGA放大系数最大值与最小值之差值为1.42,含水率为10%时差值增至2.82,增大趋势十分明显。
b)振幅效应
图7为不同模型在不同幅值(0.04g,0.06g,0.09g,0.15g)的天然波加载工况下,PGA放大系数随高程的变化曲线。可见,所有模型PGA放大系数均随加载波幅值增大而减小,减小幅值随相对高程增大而增大。含水率越高时,坡肩位置处的PGA放大系数增大越明显。
c)趋高趋表效应
前有分析表明,斜坡PGA放大系数存在随高程增大而增大的趋势。并且分析同一工况(幅值0.04g,20 Hz正弦波)下不同模型在同一高程处PGA放大系数随测点位置(坡表位置相对宽度为1)的变化曲线(图8)可知,所有模型在相同工况下的动力响应均出现越接近坡面越强的趋势。同一高程的测点距坡表越近,PGA放大系数的增长速率越大。堆积体含水率的增加还会令各点动力响应变强,并使得PGA放大系数的变化趋势更接近线性。
在趋高趋表效应作用下,斜坡模型坡肩位置处响应最为剧烈,往往率先发生破坏,引发斜坡变形失稳。
d)含水率的影响
鉴于斜坡动力学响应存在趋表效应,取坡表测点进行分析响应规律更为显著。图9为幅值0.04g(20 Hz)正弦波加载工况下,试验不同阶段坡表各测点的PGA放大系数随含水率的变化曲线。可见,在相同条件下,模型的PGA放大系数随含水率升高大致呈增加的趋势,且含水率越高,增长速率越快。
在震动50次时,含水率由4%增大到10%的过程中,坡表由上到下各测点的PGA放大系数增幅分别为22.98%(测点4)、28.99%(测点9)、30.57%(测点8)、28.00%(测点7)。这些数值在震动次数达到800次时降为8.80%(测点4)、13.52%(测点9)、25.25%(测点8)、26.44%(测点7)。可见,含水率提高促使模型坡表PGA放大系数增大的效应会随震动次数增加而减弱,这种减弱趋势越靠近坡顶越明显。
此外,图9中不同含水率模型在各震动阶段均是坡顶位置(测点4)PGA放大系数最大,坡脚(测点7)最小,这与趋高趋表效应的分析结果相一致。含水率增加会对以上效应起促进作用,使得高含水率斜坡的坡肩位置会更早出现裂缝。
2.2 堆积体模型的失稳破坏模式分析
通过开展振动台试验,发现不同含水率堆积体斜坡模型的破坏过程较为一致。分为以下5个阶段(图11)。
(1)震动密实阶段
试验初期,震动强度不高,坡体的损伤尚未开始发展,坡体内部无裂缝生成,堆积体因震动变得密实。斜坡模型外观上变化较小,仅有部分堆积体因浇模时受力不均而脱落(图11(a))。
(2)裂缝发育阶段
该阶段,震动强度随振动次数增多而增大,模型损伤开始逐渐发展。如图10所示,坡肩位置处最先出现坡顶垂直拉裂缝,这是由于斜坡动力响应存在趋高趋表效应,坡肩位置响应最为强烈的缘故。同时潜在滑体底部剪裂缝也逐渐开始发展(图11(b))。
(3)裂缝扩展阶段
初期拉、剪裂缝在该阶段继续扩展,部分裂缝之间相互贯通,同时新的裂缝在堆积体下部开始生成并向坡脚延伸,如图11(c)所示。
(4)上部裂缝贯通阶段
初期拉、剪裂缝完全贯通后,坡肩附近的上部潜在滑体在拉剪协同作用下率先滑出,这一过程又会加剧下部裂缝的扩展和贯通,下部裂缝贯通后又会引起新的滑动发生(图11(d))。
(5)斜坡失稳破坏阶段
巨厚堆积体斜坡会重复裂缝发育、裂缝扩展、裂缝贯通(上部滑体滑动)阶段,于是坡体就在这种往复循环作用下呈“阶梯状”分层滑出。试验末期,坡体完成能量释放,在大体量破坏后恢复相对稳定,坡体的厚度与坡度均有所减小,其中仍存在大量裂缝,成为后续坡体变形演化的潜在影响因素(图11(e))。
对比不同含水率堆积体模型破坏时的滑出物特征(图12)表明,含水率对模型的破坏模式影响显著,高含水率模型破坏呈“局部整体式”,即损伤不断累积时斜坡无明显变化,直到裂缝贯通时,上部滑体局部整体滑出,因此滑出物粒径较大;而低含水率模型的破坏呈“溃散式”,即损伤累积的同时,小部分坡体不断以溃散形式滑出,因此滑出物碎散,粒径较小。这是由于含水率高时,堆积体颗粒物间黏聚力相对较大,堆积物呈团聚体;相反,含水率较低时,堆积物以散粒结构存在,故裂缝贯通前会有薄弱堆积体自行滑落。
3. 结论
通过室内大型振动台模型试验研究不同含水率堆积体斜坡在频发微震作用下的动力响应特征和失稳模式,总结出3点规律。
(1)模型试验显示,频发微震作用下库区堆积体斜坡失稳过程可概括为裂缝产生并发育→裂缝扩展→上部裂缝贯通(上部滑体发生滑动)→底部滑动面贯通(斜坡失稳破坏),整个破坏过程堆积体呈“阶梯状”分层滑出。含水率对堆积体斜坡失稳模式影响显著,高含水率斜坡破坏呈“局部整体式”,滑出物粒径较大;低含水率斜坡发生“溃散式”破坏,滑出物粒径小,颗粒破碎。
(2)选用PGA放大系数作为指标分析堆积体斜坡频发微震作用下的动力响应可发现,相同条件下高含水率堆积体斜坡模型的PGA放大系数要大于低含水率模型,说明含水率增加会加剧频发微震作用下堆积体斜坡的动力响应。但随着震动次数的增加,这种差异会逐渐减小。
(3)堆积体斜坡在频发微震作用下的动力响应表现出明显的频率效应、振幅效应、趋高趋表效应,导致在斜坡坡肩位置最先出现张拉裂缝。含水率的增大对此起促进作用,即在微小地震作用下,含水率越高的堆积体斜坡裂缝发育越早开始。
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表 1 物理量相似系数
Table 1 Similarity coefficients of physical quantities
物理量 符号 相似系数(无量纲) 密度 ρ 1 几何尺寸 L 22.8 时间 t 4 弹性模量 E 32.6 泊松比 μ 1 内摩擦角 ψ 1 黏聚力 c 22.8 线位移 u 22.8 速度 v 4.8 加速度 a 1 频率 f 0.21 重力加速度 g 1 应变 ε 1 表 2 原型与模型力学参数
Table 2 Mechanical parameters of prototype and models
材料类型 干密度/(kg·m-3) 泊松比 内摩擦角/(°) 黏聚力/kPa 静弹性模量/MPa 基岩 原型 2400 0.22 35 2000 1200 模型 2300 0.24 45 97.64 265 堆积体 原型 1850 0.32 18~26 29~53 30~145 模型(4%) 1700 0.33 36.8 37 29.3 模型(7%) 1700 0.33 31.6 29 25.3 模型(10%) 1700 0.33 27.7 21 20.3 表 3 振动台试验加载方案
Table 3 Loading schemes of shaking table tests
工况 振幅/g 加载波类型(X向) 持时/s 频率/Hz 加载次数 1 白噪声1 30 1 2 0.04 天然波 7 1 3 0.04 正弦波 7 5 1 4 10 1 5 15 1 6 30 1 7 0.04 天然波 7 1 8 0.06 1 9 0.09 1 10 0.15 1 11 白噪声2 30 1 12—61 0.04 天然波 7 50 62 白噪声3 30 1 重复12—62加载工况,直至作用500次微震 524—573 0.15 天然波 7 50 574 白噪声4 30 1 重复524—574加载工况,直至作用500次小震加载0.2g~0.4g、15 Hz的正弦波,直至斜坡失稳破坏 -
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