含泥化夹层岩质边坡动力响应特性相似模型试验研究

闫长斌¹，李严¹，黄戡²，张彦昌¹，姚文敏¹

(1. 郑州大学 土木工程学院，河南 郑州，450001；

2. 长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙，410114)

摘要：为揭示含泥化夹层岩质边坡的动力响应特性以及泥化夹层发育参数的影响机制，通过构建含泥化夹层岩质边坡的相似材料模型，开展小型振动台试验，分析不同泥化夹层厚度、倾角和黏粒含量条件下岩质边坡的动力破坏特征和动力响应规律。研究结果表明泥化夹层发育参数直接影响岩质边坡的动力稳定性和动力响应特性：1) 泥化夹层的厚度越大，对边坡动力稳定性越有利，反之越容易诱发失稳；随着泥化夹层倾角和黏粒含量的增大，含泥化夹层岩质边坡破坏模式分别向剪切破坏和蠕滑破坏转化；2) 泥化夹层的倾角对顺层岩质边坡动力稳定性影响最明显，厚度和黏粒含量次之。泥化夹层厚度越大，吸收振动能量越多，边坡相对越安全；泥化夹层黏粒含量越高，抗剪强度越低，边坡相对更易滑动失稳；3) 随着加载持时的增加，泥化夹层整体上降低了边坡岩体动力响应高程放大效应。加速度放大系数变化率，随着泥化夹层厚度增大而减小，随着泥化夹层倾角和黏粒含量的增大而增大，进一步揭示了含泥化夹层岩质边坡的动力失稳机理与泥化夹层发育特征的内在影响规律。

关键词：泥化夹层；岩质边坡；相似模型；振动台试验；动力响应

中图分类号：TU411            文献标志码：A              开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号：1672-7207（2021）07-2372-14

Similar model test study on dynamic response characteristics of rock slope with mudded intercalation

YAN　Changbin¹, LI　Yan¹, HUANG　Kan², ZHANG　Yanchang¹, YAO　Wenmin¹

(1. School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;

2. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Abstract: In order to reveal the dynamic response characteristics of the rock slope with mudded intercalation and the mechanism of the influence of the development parameters of the mudded intercalation, a small shaking table test was carried out by constructing a similar material model of the rock slope with mudded intercalation. The dynamic failure characteristics and dynamic response law of rock slope with different thickness, dip angle and clay content of mudded intercalation are analyzed. The results show that the development parameters of mudded intercalation directly affect the dynamic stability and response characteristics of rock slope. The larger the thickness of the mudded intercalation is, the more favorable it is to the dynamic stability of the slope. With the increase of dip angle and clay content of mudded intercalation, the failure modes of rock slope with mudded intercalation transforms to shear failure and creep failure respectively. The dip angle of mudded intercalation interlayer has the most obvious effect on the dynamic stability of the bedding rock slope, followed by the thickness and clay content of argillaceous interlayer. The larger the thickness of the mudded intercalation is, the more vibration energy is absorbed and the safer the slope is. The higher the clay content of mudded intercalation is, the lower the shear strength is, and the slope is easier to slide. With the increase of loading duration, the mudded intercalation reduces the elevation amplification effect of dynamic response for slope rock mass as a whole. The change rate of acceleration amplification coefficient decreases with the increase of the thickness of the mudded intercalation, and increases with the increase of the dip angle and clay content of the mudded intercalation. The dynamic instability mechanism of rock slope with mudded intercalation and the internal influence of the development characteristics of mudded intercalation are further revealed.

Key words: mudded intercalation; rock slope; similarity model; shaking table test; dynamic response

泥化夹层是层状岩体地区常见的一种软弱结构面，由于泥化夹层工程性质较差，往往构成顺层岩质边坡稳定性的控制性因素^[1]。特别是在地震、爆破等动荷载作用下，含泥化夹层岩质边坡极易发生动力失稳破坏^[2]，因此，研究泥化夹层动力响应特性并深入揭示泥化夹层诱发岩质边坡动力失稳灾变机理，对于预防含泥化夹层岩质边坡动力失稳灾害具有显著意义。

对于泥化夹层工程地质性质及其动力响应特性，相关研究表明，泥化夹层具有成因复杂、结构破碎、黏粒含量高、强度低、压缩性高等诸多特点^[3]，其动力响应特性受自身发育特征、动荷载作用性质等多方面因素影响，例如围压、含水量和矿物成分等^[4]。MA等^[5]通过环剪试验研究了重塑样含水量和正应力对排水条件下软弱夹层抗剪性能的影响，发现软弱夹层的峰值强度、残余强度、剪切位移和含水量损失率与含水量和正应力成正相关。YAN等^[6]利用动三轴试验系统研究了泥化夹层动力响应特性及其累积损伤效应，发现在循环动荷载作用下，泥化夹层产生疲劳劣化效应，强度参数明显下降。对于含泥化夹层岩质边坡动力失稳特征，鉴于模型试验可以直观揭示边坡失稳破坏模式与过程，许多学者利用振动台试验开展了相关研究。范刚等^[7]进行了含泥化夹层的顺层岩质边坡模型的大型振动台试验，发现地震波输入和饱和情况对边坡失稳破坏模式有显著影响。刘树林等^[8]通过振动台模型试验发现在频发微震作用下，边坡的自振频率减小，阻尼比增大，坡体结构损伤不断发展并累积，具体表现为层面与次级节理的起裂、扩展、贯通，坡体永久变形逐渐增大，稳定性系数减小。李福秀等^[9]发现随着边坡高程的增加，坡体会对中高频段进行选择性放大作用，在含裂隙斜坡侧，这种作用更为明显，并且随着地震波的幅值增加，卓越频率向低频方向转移；在竖向地震波作用下，卓越频率衰减现象却不明显。许强等^[10]构建了软硬互层的组合概念模型边坡，通过振动台试验研究分析了模型边坡的动力响应特性，发现高程对地震波有明显的放大效应，且竖向激振条件下对模型边坡加速度起放大作用的卓越频率大于水平方向激振。上述研究成果对于研究含泥化夹层岩质边坡动力响应特性及其失稳机理具有重要的参考价值。

然而，全面揭示含泥化夹层岩质边坡动力响应特性依然存在诸多梗阻。一方面，泥化夹层自身发育情况十分复杂，除上述列举的因素外，其厚度、倾角、黏粒含量等因素对边坡动力响应特性的影响机理尚不清楚；另一方面，泥化夹层现场取样十分困难，不但取样代表性差，而且试样扰动不可避免。值得指出的是，泥化夹层重塑样也能在一定程度上反映其动力响应特性^[11]。此外，相似方法是一种可以将个别现象的研究成果推广到所有相似现象上去的科学方法^[12]。鉴于此，针对含泥化夹层岩质边坡动力响应特性问题，本文作者基于相似理论构建含泥化夹层岩质边坡模型，分析边坡模型在加载过程中的宏观破坏特征和动力响应特性，探讨泥化夹层的厚度、倾角和黏粒含量等因素对含泥化夹层岩质边坡动力失稳机制的影响，为地震和爆破等动荷载作用下含泥化夹层岩质边坡失稳防治提供参考依据。

1  含泥化夹层岩质边坡的相似材料模型试验

1.1　含泥化夹层岩质边坡原型背景

某大型水利枢纽工程坝址区为二叠系单斜地层，总体上走向10°~30°，倾向NW，岩性以砂岩、粉砂岩和泥岩为主；地质构造简单，未发现较大的断层、褶皱等构造，主要发育有陡倾角节理裂隙；坝址区顺层状泥化夹层较为发育，坝肩与坝基均有发育；泥化夹层厚度为3~15 mm，一般延伸性和连续性较好。总体上，泥化夹层的泥化程度较高，矿物成分以蒙脱石、伊利石和绿泥石为主。工程地质勘察发现，发育在坝肩边坡部位的泥化夹层，是泥岩软弱夹层在构造剪切和地下水的长期作用下演化形成的^[13]，由于其工程性质更差，构成了影响边坡整体稳定的控制性软弱结构面，在天然地震和爆破施工作用下含泥化夹层岩质边坡发生失稳破坏的可能性较大，直接威胁水库大坝和坝址区道路安全。坝肩边坡勘探钻孔和平硐揭露的泥化夹层如图1所示。

图1　坝址区泥化夹层勘察揭露情况

Fig. 1　Investigation of mudded intercalations in dam site area

图2　小型振动台测试系统

Fig. 2　Small shaking table test system

1.2　小型振动台模型试验系统

含泥化夹层岩质边坡模型试验采用秦皇岛优泰科技开发有限公司研制的ES-120振动台系统，主要组成部分包括振动台主体、电磁式激振发生器、功率放大器、控制传感器、振动台控制仪以及相关的配套计算机软件硬件设备。图2(a)所示为振动台台面，其上预留直径为8 mm的螺孔，供后续固定模型箱使用。图2(b)所示为振动台系统控制柜，图中自上而下分别为功率放大器、数据采集仪、加速度放大器和电荷放大器。利用小型振动台测试设备可进行试验过程中的边坡模型箱安装固定、动荷载波形输出、试验数据记录等，振动台测试系统相关技术参数见表1。图2(c)所示为安装在振动台台面上的有机玻璃模型箱，为便于对比观察边坡破坏过程和破坏程度，用马克笔在模型箱侧板上绘制长×宽为6 cm×6 cm的方格网。此外，振动台系统配备2种不同类型的加速度传感器，分别是1个监测振动台面加速度的电荷加速度传感器和8个试验过程中安装于试验模型中的ICP加速度传感器，如图2(d)所示，2种传感器的技术参数见表2。

表1　小型振动台测试系统相关技术参数

Table 1　Related technical parameters of small shaking table test system

表2　加速度传感器技术参数

Table 2　Technical parameters of acceleration sensor

1.3　相似比设计

根据相似理论，试验模型必须满足几何相似、动力学相似和运动学相似的相关要求。然而，鉴于振动台试验与边坡模型的复杂性，要满足所有的相似性要求是不切实际的。因此，综合考虑泥化夹层的主要影响因素与动荷载主要作用机制，在试验过程中选取模型尺寸、加速度和密度作为控制量，并以其作为基本量纲确定其他相关物理量的相似关系，同时考虑振动台台面尺寸和重力场的限制，这里岩体与泥化夹层的相似材料密度取值与原型材料的相同，最终确定其相似常数为C_l=50，C_a=1，C_ρ=1。然后，依照相似指标求出其余物理量的相似常数，如表3所示。

表3　模型试验主要相似常数

Table 3　Main similarity constants of model test

1.4　相似材料选取

选择合适的模型材料是模型试验研究的基础性步骤，模型试验的相似材料虽然选取范围较广，但其物理力学参数均应符合相似要求，而且还应考虑材质均匀、力学性能稳定、便于加工、兼顾经济性、取材方便等条件。试验中模型边坡的原型材料主要分为两类：泥化夹层材料和硬岩材料。根据泥化夹层实际发育情况及其物理力学参数，黏粒含量(质量分数)为15%时泥化夹层相似材料的配合比(质量比)为m(粉土):m(膨润土):m(石英砂):m(水)=1:3:6:10，可以通过改变膨润土的含量调配得到不同黏粒含量的泥化夹层。硬岩相似材料的配合比为m(普通硅酸盐水泥):m(石英砂):m(重晶石粉):m(水)=1:3:0.2:0.7。经过拌合、浇筑、养护等流程，制作得到符合要求的相似材料模型。试验中，原型材料和相似材料的物理力学参数见表4。

表4　原型材料和相似材料的物理力学参数

Table 4　Physical and mechanical parameters of prototype and simulation materials

1.5　试验工况设计

1.5.1　动荷载输入与加载持续时间　

已有研究成果^[14-15]发现，模型边坡对特定频率的地震波有明显的放大作用，结合坝址区所在场地的地震峰值加速度区划^[16]以及振动台测试系统最大加速度限制要求，选用频率为15 Hz，峰值加速度为0.15g，加载持时根据泥化夹层性质进行调整的正弦波进行试验加载。在试验过程中，发现每经过10 s加载持时，泥化夹层的表观特征会出现较为明显的变化，可作为不同破坏阶段临界点，因此，维持每个加载阶段为10 s，共分4个阶段对不同工况的模型边坡进行加载，按照加载批次观察记录模型边坡的宏观破坏特征，探究改变泥化夹层参数时，不同加载阶段含泥化夹层岩质边坡的失稳机理。

1.5.2　加速度传感器测试布设　

试验中采用的传感器为振动台测试系统自带的加速度传感器，其中包括1个电荷加速度传感器，安置于振动台台面，用于监测振动台台面的加速度；4个ICP加速度传感器埋设于模型边坡内部，监测含泥化夹层岩质边坡的动力响应情况。编号为ATN1~ATN4的加速度传感器统一布设于距离模型边坡后部水平距离13 cm的边坡内部，并按照竖直方向间隔距离10 cm进行布设；与内部加速度传感器相平行位置的坡面布设编号为ATM1~ATM4的加速度传感器，用于监测坡面的动力响应特性，加速度传感器布设情况如图3所示。

图3　加速度传感器布设示意图

Fig. 3　Layout diagram of acceleration sensor

1.5.3　考虑泥化夹层发育参数的试验工况　

泥化夹层是诱发岩质边坡发生动力失稳破坏的控制性因素，其发育参数对岩质边坡的动力稳定性具有重要影响。试验工况设计时，根据泥化夹层现场发育情况，参考已有研究成果^[3,17-18]，主要考虑泥化夹层的厚度、倾角和黏粒质量分数等3个发育参数，具体设置如下：泥化夹层厚度为5，10和15 mm；倾角为20°，30°和40°；黏粒质量分数为10%，15%和20%。分别探究泥化夹层的厚度、倾角以及黏粒质量分数对含泥化夹层岩质边坡动力破坏特征与动力响应特性的影响，试验工况见表5。

表5　考虑泥化夹层发育参数的试验工况

Table 5　Experimental conditions considering development parameters of mudded intercalations

2  含泥化夹层岩质边坡动力破坏特征与失稳机制

2.1　泥化夹层发育参数对边坡动力破坏特征的影响

2.1.1　泥化夹层的厚度　

在试验过程中，控制泥化夹层的倾角为30°，黏粒质量分数为15%，构建泥化夹层厚度分别为5，10和15 mm的模型边坡，探究其他条件不变时泥化夹层厚度对含泥化夹层岩质边坡动力失稳特征的影响。图4所示为第三阶段加载结束后不同泥化夹层厚度条件下模型边坡的动力失稳破坏特征。由图4可见：1) 当泥化夹层厚度为15 mm时，加载过程中泥化夹层破坏速度较缓慢，第三加载阶段结束后上覆岩体仍未滑落，但泥化夹层中已出现贯通裂缝，后缘上部主要以剪切破坏为主；2) 当泥化夹层厚度为10 mm时，加载至第三阶段，前缘下部以蠕滑破坏为主，有少量泥化夹层被挤出，4个加载阶段结束后上覆岩体滑落，边坡完全破坏；3) 当泥化夹层厚度为5 mm时，模型边坡破坏速度明显加快，第三阶段加载结束后模型边坡结构整体性失稳破坏，上覆岩体滑落。由此可见，泥化夹层厚度越大，含泥化夹层岩质边坡动力稳定性越好；反之，泥化夹层厚度越薄，含泥化夹层岩质边坡就越容易产生动力失稳破坏。

图4　第三阶段加载结束后不同厚度泥化夹层的模型边坡动力失稳破坏特征

Fig. 4　Dynamic failure characteristics of model slope with different thickness of mudded intercalation after the third stage loading

2.1.2　泥化夹层的倾角　

在试验过程中，控制泥化夹层厚度为10 mm，黏粒质量分数为15%，构建泥化夹层倾角分别为20°，30°和40°的模型边坡，探究其他条件不变时泥化夹层倾角对含泥化夹层岩质边坡动力失稳特征的影响。图5所示为第三阶段加载结束后不同泥化夹层倾角条件下模型边坡的动力失稳破坏特征。由图5可见：当泥化夹层倾角为20°时，加载过程中泥化夹层的破坏模式明显以蠕滑破坏为主，4个加载阶段结束后上覆岩体仍未发生滑落，但泥化夹层后缘上部已经出现明显裂隙；当泥化夹层倾角为40°时，泥化夹层破坏模式向剪切破坏转变，且表现出明显的加速破坏现象，第二阶段加载结束后出现贯通裂缝，前缘挤出破坏明显，加载结束后迅速发生破坏，上覆岩体发生整体失稳滑落。

图5　第三阶段加载结束后不同倾角泥化夹层的模型边坡动力失稳破坏特征

Fig. 5　Dynamic failure characteristics of model slope with different thickness of mudded intercalation after the third stage loading

2.1.3　泥化夹层的黏粒质量分数　

为进一步探究泥化夹层类型对含泥化夹层岩质边坡动力破坏特征和动力响应特性的影响，通过改变膨润土的质量分数，构建泥化夹层黏粒质量分数分别为10%，15%和20%的模型边坡，探究其他条件不变时泥化夹层黏粒含量对含泥化夹层岩质边坡动力失稳特征的影响。图6所示为第三阶段加载结束后不同泥化夹层黏粒含量条件下模型边坡的动力失稳破坏特征。由图6可见：当黏粒质量分数为10%时，由于黏粒质量分数较低，仅出现明显的贯通裂缝，第三阶段加载结束后上覆岩体未发生滑落；当黏粒质量分数为20%时，加载过程中可明显看出，相较于黏粒质量分数较低的工况，其破坏模式以加速蠕滑破坏模式为主，同时出现大量泥化夹层被挤出。原因是，黏粒质量分数越高，泥化夹层强度越低，此时，含泥化夹层岩质边坡的破坏速度和破坏程度均比黏粒质量分数较低的泥化夹层的大。

图6　第三阶段加载结束后不同黏粒质量分数泥化夹层的模型边坡动力失稳破坏特征

Fig. 6　Dynamic failure characteristics of model slope with different clay mass fractions of mudded intercalation after the third stage loading

2.2　含泥化夹层岩质边坡动力破坏过程与机制分析

根据模型试验观察记录发现，不同泥化夹层条件下的模型边坡动力破坏过程存在一定共性。这里以泥化夹层倾角为40°、厚度为10 mm、黏粒质量分数为15%时的模型边坡破坏过程为例进行分析：首先，加载初期泥化夹层强度损失较小，仅在上缘位置出现微裂缝，如图7(a)所示；其次，随着动荷载加载持时增加，泥化夹层强度进一步劣化^[3]，塑性变形不断增加，表现出累积损伤效应，导致中部出现贯通裂缝，如图7(b)所示；最后，当泥化夹层强度降低到一定程度时，宏观上表现为裂缝发展加速，上覆岩体滑移突然增大。在整个动力失稳破坏过程中，随着累积损伤效应加剧^[19]，泥化夹层的不同部位表现出不同的破坏模式，在边坡前缘中下部主要表现为蠕滑破坏模式，而后缘中上部主要表现为剪切破坏模式，最终呈现出“牵引式”的破坏模式，如图7(c)所示。

图7　泥化夹层倾角为40°和厚度为10 mm时模型边坡动力失稳过程

Fig. 7　Dynamic instability process of model slope with 40° in dip angle and 10 mm in thickness of mudded intercalation

泥化夹层的不同发育特征也会导致模型边坡在破坏过程中出现破坏模式和破坏程度上的差异，包括：1) 地震波首先作用于下部基岩，并沿着基岩向上传播，到达泥化夹层后一部分能量被吸收，另一部分透过泥化夹层继续作用于上覆岩体^[20]。但是，由于泥化夹层的存在，传至上覆岩体的能量不足以使岩体本身发生破碎崩坏，地震波经过上覆岩体的折射、反射后会再次作用于泥化夹层，在此过程中泥化夹层吸收了地震波的大部分能量，因此，泥化夹层厚度越大，其吸收地震波能量的能力就越强，上覆岩体沿泥化夹层发生失稳滑动的过程也就越缓慢；反之，泥化夹层越薄，其吸收地震波能量的能力就越差，结果会导致泥化夹层变形加剧，上覆岩体迅速滑落，最终导致边坡发生整体破坏。2) 上覆岩体的破坏过程宏观上表现为沿泥化夹层产生顺层滑动，其滑移方向可分解为水平方向和竖直方向，由于其自身重力和泥化夹层倾角方向的耦合影响，竖直方向的滑移比水平方向的更剧烈，因此，泥化夹层倾角越大，上覆岩体经过动荷载扰动后越容易发生灾变失稳，在此过程中泥化夹层错动破坏严重，表现出以剪切破坏为主的破坏模式；而当泥化夹层倾角较小时，泥化夹层无法迅速发生错动破坏，会在前缘下部挤出，表现为明显的蠕滑破坏的破坏模式，且其破坏过程相较于倾角较大的工况更缓慢。3) 泥化夹层的黏粒含量对于泥化夹层的物理力学性能有着重要的影响，在一定范围内泥化夹层黏粒含量越高，在养护与加载过程中均表现出强度越低，且破坏模式也更倾向于蠕滑破坏，抵抗变形的能力就越差^[11]。因此，黏粒含量高的泥化夹层诱发模型边坡产生动力破坏的速度和程度均比黏粒含量低的泥化夹层的大。

3  含泥化夹层岩质边坡动力响应规律

3.1　含泥化夹层岩质边坡动力响应的高程放大效应

以泥化夹层厚度为10 mm、倾角为30°、黏粒质量分数15%的典型工况为例，探究含泥化夹层岩质边坡动力响应的高程放大效应，测试得到的坡内和坡面加速度放大系数如图8所示。由图8可见：加载初期泥化夹层产生明显影响，模型边坡表现出显著的高程放大效应，且上覆岩体处(监测点ATN4和ATM4)的加速度放大系数数值大于2.0，说明此时模型边坡整体性较好；随着加载持续时间增加，泥化夹层以下基岩部分的加速度放大系数变化不明显，而泥化夹层以上岩体中的加速度放大系数不断降低，在第三阶段加载结束后降低至1.2左右。第四阶段加载结束后，含泥化夹层岩质边坡发生整体失稳破坏，上覆岩体滑落，此时上覆岩体的加速度放大系数为0，这与宏观破坏过程是相符合的。随着加载时间不断增加，泥化夹层吸收的动荷载能量不断增加，同时自身强度不断降低，塑性变形不断累积，直至上覆岩体滑落。此时，ATN4和ATM4处加速度传感器检测到的加速度峰值为0，从而导致加速度放大系数为0，而整个加载过程中下部基岩的加速度放大系数变化情况不明显，这体现出了泥化夹层在模型边坡破坏演化过程中的控制性作用，其存在严重削弱了模型边坡的整体性，而整体性的逐渐丧失体现在高程放大效应逐渐减弱。因此，从总体上看，泥化夹层对模型边坡动力响应高程放大效应具有一定的减弱作用。此外，加载过程中坡面处的加速度放大系数大于坡内，表明模型边坡动力响应具有一定的趋表放大效应^[21]。

图8　不同加载阶段模型边坡的加速度放大系数

Fig. 8　Acceleration amplification factors of model slope in different loading stages

3.2　泥化夹层发育参数对边坡动力响应规律的影响

为进一步探究泥化夹层发育参数对边坡动力响应规律的影响，这里以泥化夹层上覆岩体监测点ATN4和ATM4处的加速度放大系数为基础，将加速度放大系数变化率定义为相邻加载阶段的加速度放大系数之间的变化量除以前一个加载阶段的加速度放大系数。相比加速度放大系数，加速度放大系数变化率可以更清晰地反映试验过程中模型边坡的高程放大效应变化情况以及泥化夹层发育参数对边坡动力响应规律的影响。

3.2.1　泥化夹层的厚度　

图9所示为不同泥化夹层厚度情况下坡内和坡面加速度放大系数变化率随加载持续时间的变化情况。由图9可见：随着持续时间的增加，不同泥化夹层厚度情况下模型边坡的加速度放大系数变化率均呈现增大趋势，说明随着加载进行，泥化夹层在不断劣化且这种损伤不断累积，导致模型边坡表现出加速破坏的特性。图9(a)所示为泥化夹层厚度为15 mm时，坡内和坡面加速度放大系数变化率随加载持时的变化情况，由于加载30 s后上覆岩体未发生滑落，所以，上覆岩体处的加速度放大系数不为0，其变化率不为1，未出现明显的突变；加载30 s后厚度为10 mm的模型边坡未发生完全破坏，上覆岩体在加载第四阶段才发生滑落，使其变化率突变至1，如图9(b)所示；而第三阶段加载就已经使5 mm厚度泥化夹层发生完全破坏，因此，30 s处已经使加速度放大系数变化率为1，如图9(c)所示。

图9　不同泥化夹层厚度条件下模型边坡加速度放大系数变化率

Fig. 9　Acceleration magnification factor change rate of model slope with different mudded intercalation thickness

图10所示为不同加载阶段模型边坡加速度放大系数变化率随泥化夹层厚度的变化情况。由图10可见：在各个加载阶段，加速度放大系数变化率均随着泥化夹层厚度的增加而减小，说明在各个加载阶段泥化夹层都表现出厚度越大，其抵抗变形的能力越强的特点。从能量角度进行考虑，说明泥化夹层厚度越大，其吸收地震波能量的能力就越强。从某种意义上说，在一定范围内泥化夹层的厚度越大，对边坡动力稳定性相对越有利；反之，厚度较小的泥化夹层由于其吸收地震波能量的能力较弱，抵抗变形的能力也相对较弱，此时边坡容易发生动力失稳破坏。因此，厚度较小的泥膜型泥化夹层对边坡动力稳定性是较为不利的。

图10　不同阶段模型边坡加速度放大系数变化率随泥化夹层厚度的变化

Fig. 10　Acceleration magnification factor change rate of model slope with thickness of mudded intercalation thickness in different loading stages

图11　不同泥化夹层倾角条件下模型边坡加速度放大系数变化率

Fig. 11　Acceleration magnification factor change rate of model slope with different mudded intercalation dip angles

3.2.2　泥化夹层的倾角　

图11所示为不同泥化夹层倾角情况下坡内和坡面加速度放大系数变化率随加载持续时间的变化情况。由图11可见：除泥化夹层倾角为40°的模型边坡在第四阶段加载发生整体失稳破坏，导致加速度放大系数变化率无明显变化以外，随着加载持续时间的增加，其他模型边坡的坡内和坡面加速度放大系数变化率均呈现增大趋势，说明随着加载持时的增加，泥化夹层的损伤程度不断累积，泥化夹层破坏速度加快，宏观上表现为模型边坡加速破坏。

图12所示为不同加载阶段模型边坡加速度放大系数变化率随泥化夹层倾角的变化情况。由图12可见：在加载的各个阶段，加速度放大系数变化率均随泥化夹层倾角的增大而增大，说明在各个加载阶段模型边坡均表现为泥化夹层倾角越大，其破坏速度越快，泥化夹层的劣化也越剧烈。当泥化夹层的倾角为40°(试验工况中倾角最大)时，模型边坡甚至未能完成第四阶段加载就已经发生破坏，宏观上表现为破坏程度最剧烈。因此，对于倾角较大的泥化夹层，其诱发的边坡失稳破坏速度快，危害性较大。

图12　不同阶段模型边坡加速度放大系数变化率随泥化夹层倾角的变化

Fig. 12　Acceleration magnification factor change rate of model slope with thickness of mudded intercalation dip angles in different loading stages

图13　不同泥化夹层黏粒质量分数条件下模型边坡加速度放大系数变化率

Fig. 13　Change rate of acceleration amplification factor with different clay mass fractions

3.2.3　泥化夹层的黏粒含量　

图13所示为不同泥化夹层黏粒质量分数下坡内和坡面加速度放大系数变化率随加载持续时间的变化情况。由图13可见：随着加载持续时间的增加，模型边坡加速度放大系数变化率均增大。说明在加载过程中，泥化夹层的破坏速率逐渐增大，其内部的结构损伤不断累积，因此，在试验过程中模型边坡均表现出加速破坏以及突然破坏的破坏模式。

图14所示为不同泥化夹层黏粒质量分数下模型边坡加速度放大系数变化率在各个阶段的变化情况。由图14可见：在前3个阶段加载过程中，坡内和坡面加速度放大系数变化率相差不大；而在第四阶段加载过程中，坡内和坡面加速度放大系数变化率随黏粒质量分数增加显著增大。这说明在一定范围内，随着泥化夹层黏粒质量分数增加，加载初期泥化夹层的劣化并非特别明显，而随着加载持续时间增加，泥化夹层诱发的模型边坡动力破坏会突然达到临界值，从而导致边坡发生加速失稳破坏。

图14　不同阶段模型边坡加速度放大系数变化率随泥化夹层黏粒质量分数的变化

Fig. 14　Acceleration magnification factor change rate of model slope with thickness of mudded intercalation clay mass fraction in different loading stages

4  结论

1) 泥化夹层厚度特征对边坡动力响应特性影响较明显；随着泥化夹层厚度减小，其吸收地震波能量的能力减弱，含泥化夹层岩质边坡容易发生失稳破坏。

2) 当泥化夹层的倾角和黏粒含量不同时，对边坡动力响应特性的影响亦不相同。随着倾角增大，含泥化夹层岩质边坡破坏模式向剪切破坏转化；随着黏粒含量增大，含泥化夹层岩质边坡破坏模式向蠕滑破坏转化。

3) 在动荷载作用下，边坡具有一定的高程放大效应和趋表放大效应。总体上，随着加载持时的增加，泥化夹层对边坡动力响应高程放大效应具有一定的减弱作用。

4) 随着加载持续时间增加，泥化夹层强度不断劣化，塑性变形不断累积，累积损伤效应导致含泥化夹层岩质边坡呈现加速破坏趋势，且在泥化夹层厚度较小、倾角较大、黏粒含量较大的情况下更加显著。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期： 2021 -03 -30； 修回日期： 2021 -05 -20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41972270，U1504523)；河南省重点研发与推广专项(182102210014) (Projects(41972270，U1504523) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(182102210014) supported by the Key Science and Technology Research Project of Henan Province)

通信作者：闫长斌，博士，教授(直聘)，从事岩土力学与工程研究；E-mail：yanchangbin_2001@163.com

DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.07.023

引用格式： 闫长斌, 李严, 黄戡, 等. 含泥化夹层岩质边坡动力响应特性相似模型试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(7): 2372-2385.

Citation: YAN Changbin, LI Yan, HUANG Kan, et al. Similar model test study on dynamic response characteristics of rock slope with mudded intercalation[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2021, 52(7): 2372-2385.