频发微小地震下顺层岩质边坡累积损伤及稳定性分析

刘新荣; 许彬; 刘永权; 王继文; 蔺广义

doi:10.11779/CJGE202004005

频发微小地震下顺层岩质边坡累积损伤及稳定性分析 English Version

刘新荣^{1, 2, 3,},
许彬^{1, 2, 3, ,},
刘永权⁴,
王继文^{1, 2, 3},
蔺广义^{1, 2, 3}

1.
重庆大学土木工程学院,重庆　400045
2.
库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心,重庆　400045
3.
山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆　400030
4.
中建地下空间有限公司,四川　成都　610073

基金项目:

国家自然科学基金项目 41972266

国家自然科学基金项目 41772319

重庆市研究生科研创新项目 CYS18026

详细信息

作者简介:
刘新荣(1969—),男,教授,博士生导师,主要从事岩土工程的教学与科研工作。E-mail: liuxrong@126.com

通讯作者:
许彬, E-mail: geotechnicale2016@163.com

中图分类号: TU432
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出版历程
- 收稿日期: 2019-05-19
- 网络出版日期: 2022-12-07
- 刊出日期: 2020-03-31

Cumulative damage and stability analysis of bedding rock slope under frequent microseisms

LIU Xin-rong^{1, 2, 3,},
XU Bin^{1, 2, 3, ,},
LIU Yong-quan⁴,
WANG Ji-wen^{1, 2, 3},
LIN Guang-yi^{1, 2, 3}

1.
School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China
2.
National Joint Engineering Research Center for Prevention and Control of Environmental Geological Hazards in the TGR Area, Chongqing 400045, China
3.
Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area (Chongqing University), Ministry of Education, Chongqing 400045, China
4.
China Construction Underground Space Co., Ltd., Chengdu 610073, China

摘要

摘要: 三峡库区蓄水后诱发的高频度微小地震对边坡稳定性产生了重大影响。采用振动台模型试验和UDEC离散元数值计算方法,深入地探究了库区典型顺倾层状岩质边坡在高频次微小地震下的累积损伤和稳定性。研究表明：①地震持续作用下,边坡自振频率、阻尼比、损伤度和损伤速率依次降低、增大、累积变大和不断提升,各测点PGA响应表现为“高程效应”和“趋表效应”,且PGA放大系数均呈降低趋势；②高、低动荷载振幅阶段边坡岩体非线性累积损伤模型可分别用指数函数和三次函数描述,其演化曲线分别呈初期轻微降低、中期线性递增、后期平缓微增的“S”型特征和急速增长的“陡升”型特征；③边坡累积损伤–失稳破坏呈现为起伏体爬坡–啃断–磨平、次级节理（层面）起裂–扩展–贯通、坡体沿复合破坏面发生整体滑移、失稳破坏后岩体以破碎–大型–巨型块状堆积于坡脚,且含起伏体边坡整体稳定性更优；④动荷载振幅、动荷载频率、坡高、坡角增大而层面厚度减小时,边坡临界失稳微震作用次数减小、累积永久位移增大、稳定性系数减小,且层面出露边坡更易发生失稳破坏。
- 频发微小地震 /
- 顺层岩质边坡 /
- 振动台模型试验 /
- 累积损伤 /
- UDEC离散元方法 /
- 稳定性
Abstract: Micro-seism frequently occurs in the Three Gorges Reservoir after impoundment and has a significant impact on slope stability. To investigate the cumulative damage and stability of typical bedding rock slope under frequent microseisms, the shaking table model tests and UDEC discrete element numerical analyses are conducted. The results indicate that: (1) The damping ratio, damage degree and damage rate of slope increase with the increase of seismic duration, while the natural frequency and PGA amplification coefficient decrease. The PGA response of slope shows "elevation effect" and "surface effect". (2) The non-linear cumulative damage model under high and low seismic amplitudes can be represented by exponential and cubic functions respectively, and the evolution curve shows "S" characteristics of slight decline in initial stage, linear increase in intermediate stage and gentle increase in later stage, and "steep" characteristics of rapid rise. (3) The gradual process of cumulative damage and instability is as follows: undulant body climbs, shear and grinds, cracks initiate, propagate and run through, the slope slips wholly along the composite sliding surface, and rock mass accumulates at the slope foot in the form of broken, large and giant blocks. The stability of slope with undulant body is better. (4) The critical times of microseism decrease and the cumulative permanent displacement increases with the increase of seismic amplitude, frequency, slope height and slope angle and the decrease of bedding thickness, and accordingly the stability factor decreases. The slope with outcropped bedding is more prone to fail.
- frequent microseism /
- bedding rock slope /
- shaking table model test /
- cumulative damage /
- UDEC DEM /
- stability

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0. 引言

近几年来,新疆、内蒙古、甘肃等硫酸盐渍土地区的公路频繁出现明显的路面鼓胀变形^[1-2],如图1所示。

图 1 路面鼓胀变形

Figure 1. Deformation and swelling of pavement

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对于硫酸盐渍土地区采用水泥、石灰等钙基改良土,引起公路、铁路等工程产生膨胀的问题,从20世纪90年代,国外学者便开展了相关的研究。Raymond等报道了格鲁吉亚3.5公里公路在施工后6个月内,在水泥稳定基层中发生了大量膨胀变形,取样检测表明钙矾石引起的土体体积变化是导致上拱和横向外拱的主要原因^[3]。美国德克萨斯州82号公路、美国奥克拉荷马、达拉斯地区的67号和I-635号公路等都有石灰改良土被硫酸盐侵蚀形成钙矾石引起膨胀的类似问题^[4-6]。McCarthy等在英国Oxford、Lias、Gault等区域现场工点发现了不同成分的钙基添加剂（水泥、石灰等）被硫酸盐侵蚀膨胀的现象^[7]。

针对路面鼓胀病害,国内学者开展了相关研究。王军伟^[1]提出内蒙古沙漠戈壁地区水泥稳定碎石基层沥青路面的拱起开裂病害主要是由基层的高温拱胀引起的。张海龙^[2]提出路面横向隆起病害主要由路基盐胀作用和基层的热胀作用引起。许刚^[8]针对以水泥稳定砂砾作为基层的道路在硫酸盐环境下路面鼓包的现象,提出了用级配砾石和级配碎石(柔性基层)替代水泥稳定砂砾(半刚性基层)的处治方法。蒲翠玲等^[9-10]针对盐渍化的半刚性基层,提出在强度满足设计要求时,尽量选用二灰稳定土基层。沙爱民提出硫酸钠含量是稳定土强度发展与体积变化的内在决定因素^[11]。高艳龙等^[12]、胡江洋等^[13]从理论上分析了高含硫量粉煤灰导致路面基层膨胀开裂、强度降低进而产生破坏的机理,但未进行生成产物的测试验证。宋亮等^[14]基于硫酸盐结晶膨胀理论,提出了水泥稳定基层混合料中硫酸盐含量的合理控制范围。尧俊凯等^[15]指出硫酸盐侵蚀水泥改良填料产生膨胀变形是路基上拱的主要成因。应赛等^[16]提出了盐渍土冻结过程中的两种特征温度的理论计算模型,并与试验结果进行了对比。

目前中国对硫酸盐渍土地区沥青路面鼓胀变形的研究主要集中在硫酸盐结晶盐胀、温度膨胀、干缩、处治措施等方面。鉴于此,本文依托新疆硫酸盐渍土地区两条公路出现的鼓胀病害,在调研病害概况、地质环境、原材料特性等的基础上,取样进行了含盐量、矿物成分分析等,明确了路面鼓胀的机理,分析了硫酸盐侵蚀水泥稳定基层的反应条件及预防措施。

1. 路面鼓胀病害调查

本次病害调查路段位于新疆兵团农三师（阿克苏地区的图木舒克市）,为季节性冻土分布区,最大冻土深度为69 cm。硫酸盐渍土发育,易溶盐含量范围为0.804%～4.51%,为硫酸盐中—强盐渍土。

1.1 农三师公路A（省道）病害调查

农三师公路A为省道,二级公路,路面结构从上到下依次为：4 cm沥青混凝土路面,20 cm水泥稳定砂砾基层。该公路2015年8月建成通车后4年内多次发生了开裂、鼓胀变形,并进行了养护维修,但问题仍未得到解决,如图2,3所示。

图 2 公路A（省道）K20+150断面

Figure 2. Cross-section in K20+150 of Highway A (Provincial Highway)

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图 3 公路A（省道）K17+330断面开裂部位路肩开挖取样

Figure 3. Cross-section in K17+330 of Highway A (Provincial Highway)

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从图2中可以看出：K20+150断面路肩部位基层顶面局部出现了基层松散的情况（图2（b））,同时基层底面处有7 cm高的脱空,从路肩部位向道路中线延伸的脱空深度约为1.8 m。无论是松散基层填料还是块状基层材料表面均发白（图2（c）,2（d））。

从图3中可以看出：K17+330断面路面结构、路基各层次分明,未见基层材料松散或脱空现象,但基层材料表面仍然发白。

1.2 农三师公路B（国道）病害调查

农三师公路B为国道,二级公路,2016年4月建成通车。路面结构自上而下依次为：4 cm中粒式沥青混凝土上面层+6 cm中粒式沥青混凝土下面层+1 cm下封层+25 cm水泥稳定砂砾基层+35 cm级配砾石底基层。通车3年来发生了严重的路面鼓胀变形,如图4所示。

图 4 公路B（国道）试坑开挖情况

Figure 4. Cross-section of Highway B (National Highway)

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从图4（a）中可以看出：该断面硬路肩处最大鼓胀量9 cm,靠近中心线部位的隆起量为5 cm。基层有松散的情况,但基层下方无空洞,路面上无裂缝。

从图4（b）中可以看出：K36+210断面处硬路肩及靠近硬路肩的一条车道整体发生了鼓胀变形,路面上无裂缝。硬路肩外侧开挖后发现基层底部与底基层顶面脱空,脱空高度为5 cm,从硬路肩向道路中线的脱空深度为2 m,空洞中有松散基层材料,空洞处最薄的板结状态的水泥稳定砂砾基层厚度由原来的25 cm变成了10 cm。

对比分析可知：公路A发生鼓胀变形的同时在路面上出现了横向裂缝,公路B虽然产生了显著的鼓胀变形,但是在路面上未见到横向裂缝。究其原因是虽然两条公路均为二级公路,但是公路A仅铺筑了4 cm厚的沥青混凝土面层,厚度较小,因此基层较小的鼓胀变形就会导致面层被拉裂。而公路B铺筑了10 cm厚的沥青混凝土面层,由于面层厚度较大,其抵抗基层鼓胀开裂的能力较强,因此虽然基层产生了较大的鼓胀变形,但在调查时路面未见开裂。

2. 路面鼓胀原因分析

在新疆阿克苏地区,可能引起路面鼓胀变形的原因有冻胀、热膨胀、硫酸盐侵蚀、基层碱集料反应等。

2.1 冻胀

调查路段路面鼓胀在冬季较低,在夏季高温时逐渐升高。因此可以排除冻胀引起路面鼓胀的原因。

2.2 热膨胀

调查路段中夏季高温季节鼓胀变形加剧,说明高温或高温差有可能引起路面结构中产生温度应力,导致路面鼓胀变形^[1-2]。为此调查了新疆农三师附近同样存在高温及高温差地区的高速公路病害情况,附近地区的高速公路也有鼓胀现象,但病害程度不及图木舒克市附近的公路严重,说明温度升高虽然能使路面鼓胀病害加剧,但高温或高温差并不是产生路面鼓胀病害的唯一原因或主要原因。

2.3 硫酸盐侵蚀引起鼓胀变形

硫酸盐对路面结构中半刚性基层的侵蚀分为物理结晶和化学侵蚀两种,当条件具备时,两种类型的侵蚀可能同时发生^[17-18]。

调查路段处于硫酸盐渍土地区,因此需要通过矿物成分分析等方式确定是否发生了硫酸盐侵蚀以及发生了何种硫酸盐侵蚀。

2.4 基层碱骨料反应引起鼓胀变形

碱骨料反应是半刚性基层原材料中可溶性碱（Na₂O或K₂O）与骨料中的活性成分在半刚性基层硬化后发生化学反应,生成物吸水膨胀致使基层鼓胀、开裂,这种现象被称为碱骨料反应^[19]。

图5为公路A、公路B试坑中基层材料取样照片。从图中可以看出：基层骨料剖面未产生明显的反应环和反应边,路面表面未出现网状裂缝,加之两条公路出现鼓胀的时间均为3 a左右,因此可以推断这两条公路出现鼓胀病害的主要原因并非碱骨料反应。

图 5 试坑中基层骨料

Figure 5. Base aggregates in test pits of highways

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由上述分析可知,农三师公路A（省道）、公路B（国道）产生严重的路面鼓胀变形的原因可能是硫酸盐侵蚀,同时高温及高温差又加剧了这些反应的发生。

3. 硫酸盐侵蚀分析

3.1 取样位置

为了深入剖析调查路段路面鼓胀机理,在两条公路的开挖部位取样进行了含盐量、矿物成分分析、PH值的测试,三项测试分别参照《公路土工试验规程：JTG 3430—2020》、《转靶多晶体X射线衍射方法通则：JY/T 009—1996》、《土壤检测：NY/T 1121.2—2006》中的相关规定执行。各个断面的试坑取样位置见图6,7。

图 6 公路A取样位置示意图

（图中□表示取样完成了含盐量、XRD、pH值测试；△表示取样完成了含盐量测试）

Figure 6. Schematic diagram of sampling location of Highway A

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图 7 公路B取样位置示意图

（图中□表示取样完成了含盐量、XRD、pH值测试；△表示取样完成了含盐量测试）

Figure 7. Schematic diagram of sampling location of Highway B

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3.2 试验结果分析

（1）公路A（省道）基层硫酸盐侵蚀分析

对公路A病害部位试坑取样的含盐量测试结果见表1,矿物成分、PH值检测结果见图8。

表 1 公路A病害部位含盐量测试结果

Table 1. Test results of salt content in diseased parts of Highway A

取样位置	试样编号	${Cl}^{-}$ ${Cl}^{-}$ / ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$	含盐量/%	盐渍土名称
K20+150	1	0.018	1.002	硫酸盐中盐渍土
	2	0.038	0.677	硫酸盐中盐渍土
	3	0.048	0.709	硫酸盐中盐渍土
	4	0.103	0.383	硫酸盐中盐渍土
	Y1	0.090	0.428	硫酸盐中盐渍土
	Y2	0.035	0.355	硫酸盐中盐渍土
	Y3	0.061	0.588	硫酸盐中盐渍土
K17+330	5	0.201	1.705	硫酸盐中盐渍土
	Y4	0.101	2.041	硫酸盐强盐渍土
	Y5	0.067	0.717	硫酸盐中盐渍土
	Y6	0.068	1.447	硫酸盐中盐渍土

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图 8 公路A病害部位测试结果

Figure 8. Test results of diseased parts of Highway A

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从表1中可以看出：病害部位基层及路基材料均以硫酸盐中盐渍土为主,这为硫酸盐侵蚀的发生提供了外部环境条件。

从图8（a）中可以看出：公路A基层混合料的矿物成分以石英、方解石为主,路基填料的矿物成分与基层混合料的矿物成分大体相同。但是,在挖探的两个断面的基层混合料中均发现了钙矾石（1,2,5号样）,而路基填料（3,4号样）中未发现钙矾石。在所有检测样品中均未发现硅灰石膏。

同时,图8（b）的测试结果也表明：基层中的含盐量范围为0.355%～2.041%,大部分含盐量均较高且非常不均匀；基层中的pH值范围为9.79～10.84,表现出了较强的碱性。由此判断公路A基层发生的硫酸盐化学侵蚀以钙矾石型侵蚀为主^[15,17]。

Mehta等^[20]研究表明,当侵蚀溶液pH值小于11.5～120时,钙矾石将继续与硫酸盐反应,生成石膏。因此,钙矾石能否在侵蚀溶液中稳定存在取决于侵蚀溶液的pH值。在公路A的病害部位,虽然其pH值及含盐量均满足生成石膏的条件,但由于基层中石膏的含量与路基中石膏含量接近,因此可以认为基层中的石膏为原材料中所含有的。

（2）公路B（国道）基层硫酸盐侵蚀分析

对公路B病害部位试坑取样的含盐量测试结果见表2,矿物成分、pH值检测结果见图9。

表 2 公路B病害部位含盐量测试结果

Table 2. Test results of salt content in diseased parts of Highway B

取样位置	试样编号	${Cl}^{-}$ ${Cl}^{-}$ / ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$	含盐量/%	盐渍土名称
K45+500	6	0.670	1.614	亚硫酸盐中盐渍土
	7	0.407	1.533	亚硫酸盐中盐渍土
	8	0.111	0.570	硫酸盐中盐渍土
	Y7	0.416	2.827	亚硫酸盐强盐渍土
	Y8	0.444	2.635	亚硫酸盐强盐渍土
	Y9	11.417	2.637	氯盐中盐渍土
	Y10	0.095	0.568	硫酸盐中盐渍土
	坡脚外原状土	0.181	7.838	硫酸盐过盐渍土
K36+210	10	0.262	1.352	硫酸盐中盐渍土
	11	0.209	1.806	硫酸盐中盐渍土
	13	0.518	0.135	亚硫酸盐非盐渍土
	Y11	0.475	0.184	亚硫酸盐非盐渍土

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图 9 公路B病害部位测试结果

Figure 9. Test results of diseased parts of Highway B

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从表2中可以看出：病害部位基层及路基材料均以硫酸盐、亚硫酸盐中盐渍土为主,这同样为硫酸盐侵蚀的发生提供了外部环境条件。

从图9（a）中可以看出：公路B基层混合料的矿物成分以方解石、白云石为主,路基填料的矿物成分与基层混合料的矿物成分大体相同。但是,在两个断面的基层混合料中均发现了硅灰石膏（6,7,9,10,11号样）,而路基填料（8,12,13号样）中未发现硅灰石膏。在所有检测样品中均未发现钙矾石。同时,图9（b）的测试结果也表明：基层中的含盐量范围为1.352%～2.827%,含盐量很高且非常不均匀；基层中的PH值范围为8.83～11.68,表现出了较强的碱性。由此判断公路B基层发生的硫酸盐化学侵蚀以硅灰石膏（ ${Ca}_{3} {SiSO}_{4} {CO}_{3} {(OH)}_{6} {12H}_{2} O$ ${Ca}_{3} {SiSO}_{4} {CO}_{3} {(OH)}_{6} {12H}_{2} O$ ）侵蚀为主^[10,17]。

公路B基层侵蚀产物中未发现钙矾石,且其侵蚀发生在通车3年内,因此可以推断出该公路基层侵蚀以直接生成硅灰石膏侵蚀为主。硅灰石膏是无任何胶结性的泥状体,在K36+210断面的空洞中出现了松散的基层材料也可以充分说明发生了硅灰石膏侵蚀。

综上可知：农三师的两条硫酸盐渍土地区的公路,虽然都发生了硫酸盐侵蚀水泥稳定基层的情况,但二者的侵蚀机理不同,公路A主要发生的是钙矾石型硫酸盐侵蚀,而公路B则主要发生的是硅灰石膏型硫酸盐侵蚀。

（3）两条公路硫酸盐侵蚀机理不同的原因分析

为了分析公路A和公路B硫酸盐侵蚀机理不同的原因,将两条公路试坑取样测得的盐分中各种离子的种类及含量绘制成曲线图,见图10,11。

图 10 公路A（省道）试坑中盐分离子种类及含量

Figure 10. Types and contents of salt separators in Highway A (Provincial Highway) test pit

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图 11 公路B（国道）试坑中盐分离子种类及含量

Figure 11. Types and contents of salt separators in test pit of Highway B (National Highway)

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从表1,2,图10,11中可以看出：虽然两条公路病害部位取样均以硫酸盐、亚硫酸盐中盐渍土为主,但其中离子的种类及含量存在较大差别。

公路A试坑盐分中的离子以 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 、 ${Ca}_{}^{2+}$ ${Ca}_{}^{2+}$ 为主,因此在硫酸盐侵蚀的过程中主要发生的是 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 带来的钙矾石型硫酸盐侵蚀。同时,由于K20+150断面处大部分测点的 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 含量为0.18%～0.38%,而K17+330断面处大部分测点的 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 含量为0.14%～0.22%,K20+150断面处的 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 含量高于K17+330断面处的 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 含量,因此K20+150断面基层侵蚀更严重,出现了松散的情况,而K17+330断面处基层完整性仍然较好。

公路B试坑盐分中 ${Ca}_{}^{2+}$ ${Ca}_{}^{2+}$ 含量很高,同时含有一定量的 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 和 ${CO}_{3}^{2 -}$ ${CO}_{3}^{2 -}$ ,这为发生硅灰石膏型硫酸盐侵蚀提供了充足的 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 和 ${Ca}_{}^{2+}$ ${Ca}_{}^{2+}$ 。

4. 基层中硫酸盐和碱的来源

由上述分析可知,公路A、B在运营3～4年时,基层材料中的含盐量均较高,加之处在碱性比较强的环境中,因而发生了硫酸盐侵蚀水泥水化产物导致路面鼓胀变形的病害。

综合分析《公路路面基层施工技术细则：JTGF20—2015》等规范发现,目前中国对路面基层粗集料的技术要求包括压碎值、针片状颗粒含量以及0.075 mm以下粉尘含量,对细集料规定了塑性指数、有机质含量以及硫酸盐含量,但是并未提出粗集料的含盐量要求以及基层混合料的总含盐量要求^[21],而在施工过程中粗集料、拌合用水都可能带来盐分,加之路基及地基盐分迁移等,可能使得在施工及运营过程中基层混合料的总含盐量超标,进而出现硫酸盐侵蚀半刚性基层的病害。

此外,对新疆阿克苏地区水泥厂生产的水泥的碱含量等参数进行了抽检。结果表明阿克苏地区水泥厂生产的水泥的碱含量分别为0.73%和0.7%,超过了规范规定值（≤0.60%）,这为半刚性基层发生硫酸盐侵蚀提供了额外的碱性环境。

5. 路面鼓胀预防措施

根据上述病害机理分析,在硫酸盐渍土地区预防半刚性基层病害的措施可从以下7个方面展开：①严格控制基层粗骨料、细骨料各自的含盐量及拌合后混合物的总含盐量；②严格控制拌合用水的矿化程度；③严格控制水泥中的碱含量,尽量采用低碱水泥；④采用高抗硫水泥或低铝酸钙水泥；⑤采取隔断措施,阻止路基、地基中的盐分向基层中迁移；⑥采取隔水、防水措施,切断硫酸盐侵蚀的必备条件；⑦采用级配砂砾石、级配碎石、沥青稳定碎石等柔性材料代替半刚性基层材料。

6. 结论

通过对新疆硫酸盐渍土地区两条公路出现的鼓胀病害部位取样进行含盐量、矿物成分分析、pH值测试,明确了这两条公路路面鼓胀变形机理：

（1）公路A试坑盐分中的离子以 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 、 ${Ca}_{}^{2+}$ ${Ca}_{}^{2+}$ 为主,因此发生了钙矾石型硫酸盐侵蚀。

（2）公路B试坑盐分中 ${Ca}_{}^{2+}$ ${Ca}_{}^{2+}$ 含量很高,同时含有一定量的 ${SO}_{4}^{2 -}$ ${SO}_{4}^{2 -}$ 和 ${CO}_{3}^{2 -}$ ${CO}_{3}^{2 -}$ ,因此发生了硅灰石膏型硫酸盐侵蚀。

（3）高温及水泥中碱含量超标加剧了两种硫酸盐侵蚀的发生。

（4）提出了预防沥青路面半刚性基层鼓胀变形的措施。

图 1 试验设备

Figure 1. Test apparatus

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图 2 边坡模型概化设计示意图

Figure 2. Generalized design diagrams of slope models

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图 3 试验边坡模型

Figure 3. Slope models for tests

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图 4 试验地震波加速度时程

Figure 4. Time histories of acceleration of seismic wave for tests

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图 5 加速度绝对传递函数虚部

Figure 5. Imaginary part of absolute transfer function of acceleration

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图 6 自振频率和阻尼比随白噪声序列号的变化

Figure 6. Variation of natural frequency and damping ratio with white noise sequence numbers

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图 7 各阶段测点PGA放大系数随h/H和b/B的变化

Figure 7. Variation of PGA amplification factor at monitoring points with h/H and b/B at different stages

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图 8 边坡岩体非线性累积损伤演化曲线

Figure 8. Evolution curves of nonlinear cumulative damage of slope rock mass

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图 9 含起伏体边坡累积损伤-失稳破坏演化过程

Figure 9. Evolution of cumulative damage and instability failure of slope with undulant body

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图 10 无起伏体边坡累积损伤-失稳破坏演化过程

Figure 10. Evolution of cumulative damage and instability failure of slope without undulant-body

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图 11 边坡失稳破坏滑面形态

Figure 11. Sliding surface shape of slope after instability failure

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图 12 数值计算模型

Figure 12. Numerical model

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图 13 边坡累积永久位移和稳定性系数的变化

Figure 13. Variation of cumulative permanent displacement and stability factor of slope

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图 14 边坡累积损伤-失稳破坏演化过程

Figure 14. Evolution of cumulative damage and instability failure of slope

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图 15 多影响因素下边坡累积永久位移和稳定性系数的变化

Figure 15. Variation of cumulative permanent displacement and stability factor under different influencing factors

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表 1 关键物理量及其相似系数

Table 1 Key physical quantities and their similitude coefficients

关键物理量	量纲	相似关系	相似系数
密度	${ML}^{- 3}$ ${ML}^{- 3}$	$C_{ρ}$ $C_{ρ}$	1
弹性模量	${ML}^{- 1} T^{- 2}$ ${ML}^{- 1} T^{- 2}$	$C_{E}$ $C_{E}$	32.6
泊松比	无量纲	$C_{μ}$ $C_{μ}$	1
黏聚力	${ML}^{- 1} T^{- 2}$ ${ML}^{- 1} T^{- 2}$	$C_{c} = C_{E} C_{ε}$ $C_{c} = C_{E} C_{ε}$	22.8
内摩擦角	无量纲	$C_{φ}$ $C_{φ}$	1
应力	${ML}^{- 1} T^{- 2}$ ${ML}^{- 1} T^{- 2}$	$C_{σ} = C_{E} C_{ε}$ $C_{σ} = C_{E} C_{ε}$	22.8
应变	无量纲	$C_{ε} = C_{ρ} C_{g} C_{l} C_{E}^{- 1}$ $C_{ε} = C_{ρ} C_{g} C_{l} C_{E}^{- 1}$	0.7
几何尺寸	L	$C_{l} = C_{E}^{0.5} C_{ρ}^{- 0.5} C_{t}$ $C_{l} = C_{E}^{0.5} C_{ρ}^{- 0.5} C_{t}$	22.8
位移	L	$C_{u} = C_{l} C_{ε}$ $C_{u} = C_{l} C_{ε}$	16
时间	T	$C_{t}$ $C_{t}$	4
频率	$T^{- 1}$ $T^{- 1}$	$C_{f} = C_{t}^{- 1}$ $C_{f} = C_{t}^{- 1}$	0.25
速度	${LT}^{- 1}$ ${LT}^{- 1}$	$C_{v} = C_{u} C_{t}^{- 1}$ $C_{v} = C_{u} C_{t}^{- 1}$	4
运动加速度	${LT}^{- 2}$ ${LT}^{- 2}$	$C_{a} = C_{u} C_{t}^{- 2}$ $C_{a} = C_{u} C_{t}^{- 2}$	1
重力加速度	${LT}^{- 2}$ ${LT}^{- 2}$	$C_{g} = C_{u} C_{t}^{- 2}$ $C_{g} = C_{u} C_{t}^{- 2}$	1
阻尼比	无量纲	$C_{ζ}$ $C_{ζ}$	1

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表 2 相似材料力学特性参数

Table 2 Mechanical property parameters of equivalent materials

项目	密度/(g·cm^-3)	抗压强度/MPa	弹性模量/MPa	泊松比	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)
三峡库区范围	2.0~2.5	30~70	0.15~4.0	0.18~0.3	2~10	30~45
典型原岩	2.49	34.1	4200	0.3	2000	41.8
相似系数	1	22.8	32.6	1	32.6	1
目标值	2.49	1.50	128.8	0.3	61.3	41.8
实际值	2.50	1.40	180	0.25	120	42

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表 3 试验加载工况

Table 3 Loading conditions for tests

加载工况	动荷载
加载工况	加载类型	振幅/g	频率/Hz	持时/s	加载次数
1	白噪声1	0.08	—	30	1
2	正弦波	0.04	30	7	1
3	天然波	0.04	32	7	1
4	正弦波	0.04	5	7	1
5	正弦波	0.04	10	7	1
6	正弦波	0.04	15	7	1
7	正弦波	0.04	30	7	1
8	天然波	0.04	32	7	1
9	天然波	0.06	32	7	1
10	天然波	0.09	32	7	1
11	天然波	0.15	32	7	1
12	白噪声2	0.08	—	30	1
13~62（微震）	天然波	0.04	32	7	50
63	白噪声3	0.08	—	30	1
…	重复加载工况13~63,直至微震作用500次
523（震中高烈度）	天然波	0.35	32	6.5	1
524（小震）	白噪声13	0.08	—	30	1
525~574	正弦波	0.15	30	7	50
…	重复加载工况524~574,直至小震作用500次
1035	白噪声23	0.08	—	30	1
持续施加振幅为0.2g~0.4g、频率为15 Hz和持时为7 s的正弦波直至边坡失稳破坏

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表 4 数值计算工况

Table 4 Numerical conditions

工况	层面倾角 $β$ $β$ /(°)	层面间距L_d/m	坡角 $α$ $α$ /(°)	坡高H/m	动荷载振幅/g	动荷载频率/Hz
^#1	0	2.3	60	22.9	0.04	30
					0.04	5
^#2	30	2.3	60	22.9	0.15	20
					0.2	30
^#3	60	2.3	60	22.9	0.04	30
^#4	30	1.5	60	22.9	0.04	30
^#5	30	0.5	60	22.9	0.04	30
^#6	30	2.3	30	22.9	0.04	30
^#7	30	2.3	45	22.9	0.04	30
^#8	30	2.3	60	50.0	0.04	30
^#9	30	2.3	60	150.0	0.04	30

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表 5 岩体与边界参数

Table 5 Parameters of rock mass and boundary

项目	密度/(g·cm^-3)	弹性模量/MPa	泊松比	内摩擦角/(°)	黏聚力/kPa	抗拉强度/MPa
岩体	2.49	4200	0.3	41.8	4000	2
边界	2.50	4200	0.3	—	—	—

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表 6 层面与节理参数

Table 6 Parameters of bedding surface and joint

项目	内摩擦角/(°)	黏聚力/kPa	抗拉强度/MPa	法向刚度/(GPa·m^-1)	切向刚度/ (GPa·m^-1)
层面	32	30	0.080	10.2	6.4
节理	20	6	0.003	8.2	5.1

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参考文献(21)

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[4]	王思敬. 岩石边坡动态稳定性的初步探讨[J]. 地质科学, 1977(4): 372-376. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZKX197704005.htm WANG Si-jing. Preliminary notes on the dynamic stability of rock slopes[J]. Chinese Journal of Geology (Scientia Geologica Sinica), 1977(4): 372-376. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZKX197704005.htm
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[8]	董金玉, 杨国香, 伍法权, 等. 地震作用下顺层岩质边坡动力响应和破坏模式大型振动台试验研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(10): 2977-2982, 2988. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201110015.htm 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 slope under earthquake[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(10): 2977-2982, 2988. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201110015.htm
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[14]	LIU X R, LIU Y Q, HE C M, et al. Dynamic stability analysis of the bedding rock slope considering the vibration deterioration effect of the structural plane[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2018, 77(1): 87-103.
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施引文献(64)

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图(15) / 表(6)

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0. 引言
1. 路面鼓胀病害调查
1.1 农三师公路A（省道）病害调查
1.2 农三师公路B（国道）病害调查
2. 路面鼓胀原因分析
2.1 冻胀
2.2 热膨胀
2.3 硫酸盐侵蚀引起鼓胀变形
2.4 基层碱骨料反应引起鼓胀变形
3. 硫酸盐侵蚀分析
3.1 取样位置
3.2 试验结果分析
4. 基层中硫酸盐和碱的来源
5. 路面鼓胀预防措施
6. 结论

0. 引言
1. 路面鼓胀病害调查
1.1 农三师公路A（省道）病害调查
1.2 农三师公路B（国道）病害调查
2. 路面鼓胀原因分析
2.1 冻胀
2.2 热膨胀
2.3 硫酸盐侵蚀引起鼓胀变形
2.4 基层碱骨料反应引起鼓胀变形
3. 硫酸盐侵蚀分析
3.1 取样位置
3.2 试验结果分析
4. 基层中硫酸盐和碱的来源
5. 路面鼓胀预防措施
6. 结论

参考文献(21)

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频发微小地震下顺层岩质边坡累积损伤及稳定性分析 English Version

作者简介: 刘新荣(1969—),男,教授,博士生导师,主要从事岩土工程的教学与科研工作。E-mail: liuxrong@126.com

通讯作者: 许彬, E-mail: geotechnicale2016@163.com

计量

出版历程

Cumulative damage and stability analysis of bedding rock slope under frequent microseisms

0. 引言

1. 路面鼓胀病害调查

1.1 农三师公路A（省道）病害调查

1.2 农三师公路B（国道）病害调查

2. 路面鼓胀原因分析

2.1 冻胀

2.2 热膨胀

2.3 硫酸盐侵蚀引起鼓胀变形

2.4 基层碱骨料反应引起鼓胀变形

3. 硫酸盐侵蚀分析

3.1 取样位置

3.2 试验结果分析

4. 基层中硫酸盐和碱的来源

5. 路面鼓胀预防措施

6. 结论

期刊类型引用(33)

其他类型引用(31)

计量

出版历程

目录

0. 引言

1. 路面鼓胀病害调查

1.1 农三师公路A（省道）病害调查

1.2 农三师公路B（国道）病害调查

2. 路面鼓胀原因分析

2.1 冻胀

2.2 热膨胀

2.3 硫酸盐侵蚀引起鼓胀变形

2.4 基层碱骨料反应引起鼓胀变形

3. 硫酸盐侵蚀分析

3.1 取样位置

3.2 试验结果分析

4. 基层中硫酸盐和碱的来源

5. 路面鼓胀预防措施

6. 结论

作者简介:
刘新荣(1969—),男,教授,博士生导师,主要从事岩土工程的教学与科研工作。E-mail: liuxrong@126.com

通讯作者:
许彬, E-mail: geotechnicale2016@163.com