基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究——以隧道正交下穿主滑方向滑体为例.pdf

引用格式:孙浩,曹生慧,吴红刚,等.基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究:以隧道正交下穿主滑方向滑体为例J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):257.SUN Hao,CAO Shenghui,WU Honggang,et al.Vibration failure mode of tunnel crossing landslide based on Hilberts marginal spectrum theory:A case study of tunnel orthogonal downward crossing slide bodyJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):257.收稿日期:2022-09-05;修回日期:2023-04-27基金项目:国家重点研发计划(2018YFC1504901);甘肃省自然科学基金(21JR7RA738);中铁九局集团有限公司科技发展项目(DLF-ML-JSFW-2021-09);中铁十一局集团有限公司科技开发项目(202207)第一作者简介:孙浩(1998),男,四川眉山人,西南科技大学土木水利专业在读硕士,研究方向为岩土与隧道工程。E-mail:973680437 。通信作者:吴红刚,E-mail:271462550 。基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究 以隧道正交下穿主滑方向滑体为例孙 浩1,2,曹生慧3,吴红刚2,张克宏4,黄新宇4(1.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621000;2.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730070;3.兰新铁路甘青有限公司,甘肃 兰州 730000;4.中铁十一局集团有限公司,湖北 武汉 811300)摘要:为探究地震作用下含隧道滑坡体的破坏模式,以正交下穿滑体主滑方向为例进行振动台试验,通过测试得到滑坡体内不同位置的加速度时程曲线,基于希尔伯特边际谱理论,获取不同位置测点的边际谱,并提取各测点边际谱峰值和特征频率,揭示隧道正交下穿滑体滑坡的破坏模式。结果表明:1)在不同强度地震作用下,基岩内地震能量有序传递,并不出现地震损伤,滑坡体内中上部坡体和下部坡体率先出现地震能量不能完整传递,出现地震损伤。2)隧道的存在劣化了上部坡体的力学环境,使得中下部坡体内隧道顶部 T16 测点在低能量输入下仍出现破坏。3)隧道正交下穿滑体主滑方向的震动破坏模式表现为崩落拉裂滑移破坏。关键词:HHT 变换;边际谱;正交型隧道-滑坡体系;振动台试验;破坏模式DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.030中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0257-14V Vi ib br ra at ti io on n F Fa ai il lu ur re e MMo od de e o of f T Tu un nn ne el l C Cr ro os ss si in ng g L La an nd ds sl li id de e B Ba as se ed d o on n H Hi il lb be er rt ts s MMa ar rg gi in na al l S Sp pe ec ct tr ru um m T Th he eo or ry y:A A C Ca as se e S St tu ud dy y o of f T Tu un nn ne el l O Or rt th ho og go on na al l D Do ow wn nw wa ar rd d C Cr ro os ss si in ng g S Sl li id de e B Bo od dy ySUN Hao1,2,CAO Shenghui3,WU Honggang2,*,ZHANG Kehong4,HUANG Xinyu4(1.School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621000,Sichuan,China;2.China Northwest Research Institute Co.,Ltd.of CREC,Lanzhou 730070,Gansu,China;3.Lanxin Railway Ganqing Co.,Ltd.,Lanzhou 730000,Gansu,China;4.China Railway 11th Bureau Group Corporation Limited,Wuhan 811300,Hubei,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To investigate the failure mode of tunnel crossing landslide body under earthquake action,a vibration platform test is conducted to obtain the acceleration time history curves of different positions in landslide body.Based on Hilberts marginal spectrum theory,the marginal spectrum of measuring points at different locations is obtained,and the peak value and characteristic frequency of each measuring point are extracted to reveal the failure mode of tunnel orthogonally crossing slide body.The results show the following:(1)When earthquakes occur at all levels,the orderly transfer of seismic energy in the bedrock does not cause seismic damage,while the incomplete transfer of seismic energy occurs first in the middle,upper,and lower slopes of the landslide.(2)The existence of the tunnel degrades the mechanical environment of the upper slope,resulting in the failure of the T16 measuring point at the top of the tunnel in 隧道建设(中英文)第 43 卷the middle and lower slope under low energy input.(3)The vibration failure mode of the main sliding direction of the tunnel crossing slide body is collapse-tesion-slide failure.K Ke ey yw wo or rd ds s:Hilbert-Huang Transform;marginal spectrum;orthogonal tunnel-landslide system;vibration platform test;failure mode0 引言随着我国山区高速公路和高速铁路的发展,山区修建的滑坡隧道工程日益增多,各种穿越方式不断出现1,隧道以正交、斜交、平行体系2-3等空间位置穿越滑坡区的工程案例不断增加,众多学者在此方面开展了广泛而深入的研究。在静力作用下隧道-滑坡方面4-6的研究表明,在隧道开挖、施工扰动等因素触发下,上部滑坡坡体扰动,进而触发原本稳定的滑坡滑动,诱发崩塌等一系列地质灾害,众多学者通过地质调查分析7-10、理论解析11-15、模型试验16-21、数值模拟22-24和监测分析25-27对静力作用下隧道-滑坡相互作用影响机制进行了大量研究,形成了一个较为全面的“隧道-滑坡”相互作用的框架体系。在动力作用的隧道-滑坡方面,多以地震作用为触发因素,地震荷载的作用下滑坡逐渐变形失稳,既有隧道结构直接受到滑坡推力的作用,引起隧道结构开裂,在此过程中,滑坡作为扰动对象,既有隧道结构作为影响对象,岩土体作为传播介质,可见地震作用时隧道破坏的触发因素更大原因是来源于地震作用后的坡体失稳。目前,针对地震作用隧道-滑坡的研究多集中在隧道结构的破坏机制和动力响应上28-29,尚未对含既有隧道滑坡体的破坏模式形成清晰的认知,因此,了解含既有隧道滑坡坡体的破坏模式对隧道的加固具有十分重要的意义。且动力作用下隧道-滑坡既有研究的分析方法多是基于模型试验或数值计算中坡体表面的位移和变形破坏现象,并未从含隧道滑坡坡体内部的监测物理量和滑坡体自身的特征参数进行考虑,特别是岩土体中地震能量传递对含隧道滑坡体动态参数的影响。本文以地震作用下隧道正交下穿滑体为典型案例开展振动台试验,测试得到含隧道滑坡坡体内不同位置加速度时程曲线,并引入一种基于希伯特边际谱理论的含隧道滑坡破坏模式的辨识方法,从能量传递、结构损伤的角度对含隧道滑坡坡体的破坏模式进行分析;利用常用的加速度放大系数分析方法进行验证,证明了本方法的适用性。1 基于希尔伯特边际谱理论的地震损伤判识方法1.1 边际谱理论在地震损伤识别中的应用 在整个地震工程学领域中,频谱分析扮演着非常重要的角色,它为人们认识地震动的特性以及进行系统识别提供了一个重要的手段,在地震工程学中对谱给出了一个最一般的定义,即:将含有复杂组成的东西,分解为单纯的成份,然后按照这些成份的特征量的大小,依次排列成的东西30-31。由于地震作用的复杂性,人们常常需要根据地震动和结构动力响应的特性来进行结构物的系统识别。在地震工程学研究的 3 个对象中,地震动(输入)、工程结构物(系统)和结构物的动力反应(输出)都是非平稳且非线性过程31。目前对地震动力响应谱分析常用的傅里叶谱属于稳态分析方法,它仅仅能反映静态下的谱特性,难以完全满足对非平稳信号的分析。因此,针对地震动力谱分析,众多学者引入了一种非平稳信号的处理方法 希尔伯特黄变换(HHT)。希尔伯特边际谱作为希尔伯特黄变换的重要内容,其反映了能量在频域内的变化特征,目前在地震损伤识别中已得到广泛应用32-33。因此,文章提出了一种基于希尔伯特边际谱理论识别含隧道滑坡坡体地震破坏模式的方法。1.2 希尔伯特边际谱理论 HHT 变换是 Huang 在 1998 年提出的一种随机信号处理方法34,其变换方式可概述为:对信号进行经验模态分解(简称 EMD)。EMD 假设任何复杂时间序列均是由一系列互异、非正弦函数的简单本征模态函数组成。根据这一假设,可以从某一复杂随机时间序列中分离出频率由高到低分布的若干阶本征模态函数(即 IMF),每一个 IMF 均包含了原信号中该阶模态的所有模态信息。再对每一个 IMF 进行Hilbert 变换,最终得到原复杂随机时间序列的每一阶瞬时频率、Hilbert 以及 Hilbert 边际谱30。其获取过程如下。1)将初始处理后的加速度数据 X(t)进行经验模态分解(EMD),得到 X(t)的一系列本征模态函数(IMF)分量,记为 Y(t)。Y(t)=1P+-X(t)t-tdt。(1)式中 P 为柯西主分量值。2)利用获得的 Y(t)构建解析信号,记为 Z(t),并推导解析方程获得 IMF 的瞬时频率谱曲线。其过程如下:解析信号852增刊 1孙 浩,等:基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究 以隧道正交下穿主滑方向滑体为例Z(t)=X(t)+iY(t)=a(t)ei(t)。(2)式中:a(t)=X2(t)+Y2(t)1/2为瞬时幅值;(t)为瞬时相位,(t)=arctan Y(T)/X(t);(t)为瞬时频率,(t)=d(t)/dt。推导得解析方程:Z(t)=nj=1aj(t,j)eij(t)dt。(3)式中 aj(t,j)为第 j 阶 IMF 在 t 时刻与频率 j 对应的瞬时幅值。3)将 X(t)分解得到的所有 IMF 幅值在时频域内联合可得到希尔伯特谱H(t,)=n1aj(t,)。(4)4)将希尔伯特谱在时间轴上积分即得到希尔伯特边际谱h(t,)=T0H(t,)dt。(5)当地震波在滑坡(边坡)内传递时,如果某一部位发生了震害损伤,那么将导致能量无法在该处完整传递,能量的损耗将引起边际谱的剧烈波动和突变。基于此,本文提出了基于边际谱理论的含隧道滑坡破坏模式分析方法。1.3 含隧道滑坡的地震破坏模式判识过程当某一级地震作用于含隧道边坡时,地震波蕴含的能量会在含隧道边坡体中进行传递,其能量在频域内的表现形式可以用边际谱表示。因此,当地震能量随高程在含隧道边坡中有序传递时,表明边坡体未受到破坏;但如果边际谱在某一高程位置发生剧烈的波动,表明此时地震能量对滑坡结构造成了损伤,使得地震波不能完整地向上部坡体传递。希尔伯特边际谱理论对含隧道滑坡破坏模式的判识过程如图 1 所示。其过程如下:1)在隧道山侧和滑带坡面内布置加速度测试计,对所测各序列(坡面、坡内)加速度数据进行初步处理。2)将处理后的加速度数据导入编写的计算程序中,将地震信号进行 EMD 分解,获取表征地震信号本征模态的 IMF,将所有本征模态进行 HHT 变换,得到希尔伯特边际谱。3)提取各测点位置的边际谱峰值特征,结合坡体各破坏情况,进行地震作用下含隧道滑坡地震破坏模式识别。图 1 边际谱判识含隧道边坡破坏模式研究步骤Fig.1 Research procedures of marginal spectroscopy identification failure mode includes tunnel slope2 振动台试验概况随着隧道工程建设的逐步发展,以不同穿越方式通过滑坡区的隧道逐步增加,而我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带上,因而含隧道滑坡极易受地震影响。为了解隧道-滑坡区坡体的地震破坏特征,开展了此次振动台试验。虽然本次试验尚无指定的工程原型,但在以往的研究中发现了含隧道滑坡的工程案例(见表 1),因穿越体系较多,本文仅以“隧道正交下穿滑体”的穿越模式进行研究,以期对未来此类工程建设加固提供一定的参考。2.1 试验模型及测点布置 试验的滑坡模型是由滑体、滑带和基岩 3 部分组952隧道建设(中英文)第 43 卷成,其相似材料参照文献28,围岩按照石英砂 红黏土 水泥 石膏粉 水=70 30 5 3 10,滑体按照石英砂 水泥 石膏粉 水=70 20 3 10,滑带按照石英砂 红黏土 滑石粉 水=27 52 35 15 的比例现场配置而成。隧道模型相似材料参考文献35,采用石膏和水按照 1.1 1 的比例提前预制而成。模型填筑时,首先按照相似材料设计配比拌和,然后将模型材料逐层放入模型箱内,每层 10 cm 厚,逐层夯实。随着模型填筑,隧道结构参考文献28安装在相应的目标位置。为减小模型箱对输入波的反射和折射,在垂直于模型箱震动方向放置了5 cm 泡沫板,模拟吸波材料;同时模型箱底板铺设1层5 cm 厚的碎石土以增大摩擦力36。表 1 高烈度区含隧道滑坡工程案例28Table 1 Tunnel cases with landslide in high intensity areas28 隧道名称体系类型地震基本烈度 危害程度 备注集美隧道斜交-穿越滑体导致施工停止、交通中断 四川叙古高速鄂拉山隧道斜交-下穿滑体严重威胁了隧道结构安全 青海共玉公路旗杆沟隧道正交-下穿滑体严重影响了施工安全 襄渝铁路郭嘉隧道正交-下穿滑体被列为宝兰高铁“咽喉控制性”工程 宝兰客运专线 在振动台试验中,要完全满足相似率实际上非常困难,同时也失去了模型试验的意义。因此,一般满足主要参数相似即可。同时要实现模型的附加配重也是一大难题,因而振动台模型试验常常是不完全质量模型,允许重力失真37-39。所以,在综合考虑模型箱尺寸、土体本构特性问题的基础上,参考文献28,确定长度(Cl=1/100)、质量密度(C=1)和弹性模量(CE=1/100)等基本参数相似比的基础上,根据 Bockingham 定理40推导了其他物理量的相似性比,根据物理条件、几何条件、动态平衡条件等的相似关系,以式(6)(11)表示,具体相似参数及相似比见表 2。C=CEC;(6)C=ClCCE-1;(7)Cc=CEC;(8)Ca=ClCt-2;(9)Cv=ClCt-1;(10)Cf=Ct-1。(11)表 2 试验相似比Table 2 Similarity ratios of test 物理量相似关系量纲(MLT)设计相似比长度(l)ClL1/100弹性模量(E)CEML-1T-21/100质量密度()C11时间(t)Ct=CL1/2T1/10泊松比()C11应力()C=CECML-1T-21/100应变()C=ClCCE-111黏聚力(c)Cc=CECML-1T-21/100内摩擦角()C11加速度(a)Ca=ClCt-2LT-21速度(v)Cv=ClCt-1LT-11/10频率(w)Cw=Ct-1T-11/0.1表 3 模型相似参数Table 3 Model similarity parameters材料质量配合比/%石英砂红黏土水泥石膏粉滑石粉水容重/(kNm-3)弹性模量 E/GPa黏聚力c/kPa内摩擦角/()抗拉强度 t/MPa抗压强度 c/MPa围岩原型20231.725.692007002739220模型7030531017.50.046.9320.15滑体原型1916.3923.15模型702031017.24.622滑带原型19.520532模型2752351517.26.625衬砌原型30.82.023.2模型1.110.770.050.58062增刊 1孙 浩,等:基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究 以隧道正交下穿主滑方向滑体为例 试验中采用三向加速度计对含隧道滑坡的坡体和基岩的动态响应进行监测,由于试验用振动台仅能实现水平 X 向震动,因此仅开启了加速度 X 向测试通道。其 X 向测试通道频率范围为 0160 Hz,灵敏度约为 192 mv/g,测量范围(峰值)为5g。加速度传感器布置在坡面附近和基岩内部,定义坡面附近的 T8、T16、T15、T21、T20 为坡面测点序列,T4、T5、T7、T15 为坡内测点序列。同时在坡脚附近布置了加速度传感器,作为计算边坡加速度放大系数的参照点(传感器布置图见图 2)。图 2 设计模型图(单位:cm)Fig.2 Design model(unit:cm)2.2 试验加载方案 本次试验采用 EL Centro 波,该波是 1940 年在美国首次捕捉到的最大加速度超过 300 gal 的地震波41。加载方向沿水平 X 方向进行加载,在加载过程中每次采用的波形都相同(加载时程曲线见图 3),只是加速度峰值增加,试验进行了 3 次加载,1)0.1g-低强度地震波;2)0.2g-中强度地震波;3)0.4g-高强度地震波,加载工况设计见图 4。图 3 输入 0.1gEL 波形时程曲线Fig.3 Time-history waveform curves when inputting 0.1g EL图 4 加载工况设计Fig.4 Loading case design 需要特别说明的是,受振动台动力转换限制,加载时输入峰值与实际采集峰值有较大差距,输入的 0.1g、0.2g 和 0.4g 峰值并不能代表真实输出峰值,但采集波形完全一致,因此以低、中、高强度地震做区分。本次试验着重以地震正能量在坡体中的传递损伤进行分析,且所有加速度测试计均在模型箱内,能较好地表征地震能量在坡体中传递,因而输入峰值的减小对试验并不影响。3 基于边际谱理论含隧道滑坡地震损伤识别 为清楚地了解含隧道滑坡损伤发展的过程,基于前述 2.1 节和 2.2 节的振动台试验,选取上覆滑体和隧道山侧基岩内测点的加速度时程,进行希尔伯特黄变换,进行含隧道滑坡的损伤识别。3.1 坡内测点的希尔伯特边际谱分析 在获取基岩内各测点的边际谱之前,以测点 T4 位置加速度时程数据为例,进行了 EMD 分解(如图 5 所示),分解结果表明 6 阶本征模态函数几乎包含了原信号所有的幅值成分,能较好地反映原信号的特征,且其幅值较高、频谱丰富、辨识清晰度高,因此,选用各测点加速度时程的 IMF6 进行边际谱的计算和分析。对不同强度地震作用下坡内各测点的加速度时程曲线进行 HHT 变换,得到不同强度地震作用下的希尔伯特边际谱,如图 6 所示。从图 6(a)中可以发现,在低强度地震(0.1g EL 波)作用下,坡面内各测点边际谱峰值随着高程增大而有序增大;而在图 6(b)和(c)中却并不出现边际谱峰值随着高程增大的现象,在中强度和高强度地震(0.2g 和 0.4g EL 波)的作用下,坡体内 T7 和 T15 测点具有相近的边际谱峰值,而处于其高程之下的 T4 和 T5 测点的边际谱峰值随着高程的增大而有序增加。中强度和高强度地震作用后,坡体内部测点的边际谱峰值随高程出现降低的现象,说明在坡体内部已经出现了震害损伤。为进一步揭示含隧道滑坡坡体内的损伤发展过程,下文提取了不同地震作用下各测点的边际谱峰值和特征频率进行分析,揭示含隧道滑坡坡体内部自下而上的能量传递特征。162隧道建设(中英文)第 43 卷 (a)IMF1-Residual(b)IMF 的相应瞬时频率图 5 输入 0.1g EL 波 T4 测点的 EMD 结果Fig.5 EMD results at T4 measuring point when inputting 0.1g EL wave(a)低强度地震作用边际谱曲线 (b)中强度地震作用边际谱曲线(c)高强度地震作用边际谱曲线图 6 不同强度地震作用下坡内测序的边际谱曲线Fig.6 Marginal spectrum curves of internal sequencing under different intensities of seismic action262增刊 1孙 浩,等:基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究 以隧道正交下穿主滑方向滑体为例 图 7 展示了不同强度地震作用下坡内各测点边际谱峰值能量的分布。从图中可以清晰地发现,在低强度地震(0.1g EL 波)作用下,从测点 T4(相对高程0.08)到 T15(相对高程 0.54)自下而上边际谱峰值有序增加,这表明在此过程中地震并未对隧道周围坡内序列的位置产生震害损伤,地震能量在该位置有序传递;随着地震作用增强,在中强度地震(0.2g EL 波)作用下,从测点 T4(相对高程 0.08)到 T7(相对高程 0.42)之间边际谱峰值逐渐增加,而测点 T7(相对高程0.42)和 T15(相对高程 0.54)之间出现了边际谱峰值突变降低,特征频率突变,这表明相对高程 0.42 和相对高程 0.54 之间出现了震害损伤,使得地震能量不能在该处完整传递;高强度地震(0.4g EL 波)作用时,在相对高程 0.42 和相对高程 0.54 之间出现了相同的情况,说明该处地震能量已不能完成传递。通过上述分析发现,在测点 T7(相对高程 0.42)位置以下地震能量在各级地震作用下都能完整地传递,而测点 T7(相对高程 0.42)和 T15(相对高程 0.54)之间在中强度地震(0.2g EL 波)作用后出现了地震能量传递不完整的情况,结合各测点位置,可以判断含隧道滑坡的山侧围岩始终处于稳定,而上覆滑体在地震作用下出现较为严重的损伤。因此,下文提取坡面序列测点的希尔伯特边际谱进行进一步分析。(a)低强度地震作用坡内序列边际谱峰值及特征频率 (b)中强度地震作用坡内序列边际谱峰值及特征频率(c)高强度地震作用坡内序列边际谱峰值及特征频率图 7 不同强度地震作用下坡内各测点的边际谱峰值及特征频率Fig.7 Peak value of marginal spectrum and characteristic frequency of each measuring point in downhill slope under different intensity of earthquake3.2 坡面测序希尔伯特边际谱分析图 8 展示了含隧道滑坡坡面测序测点的边际谱曲线。从图中可以看出,在低强度地震(0.1g EL 波)作用下,滑坡坡面位置的边际谱曲线与中强度和高强度地震作用下的边际谱曲线出现了相同的特征,在各级强度地震作用下滑坡内部 T20 测点(相对高程 0.875)比 T21 测点(相对高程 0.75)位置的边际谱峰值更小,不同强度地震下都出现边际谱峰值并未随高程而逐渐增加的反常特征,根据提出的判识方法表明,各级地震作用下在滑坡坡体内 T20 测点至 T21 测点之间地震能量已不能有序地传递,即该位置出现地震损伤。同时位于隧道顶部的 T16 位置在各强度地震作用下边际362隧道建设(中英文)第 43 卷谱峰值都表现为最小,这说明该位置在地震作用时受到的动力响应输入表现为最小,隧道的存在对该位置坡体可能存在一定的减震作用(结合坡体损伤发展,也可能是该位置属于抗震薄弱位置,受震害损伤后导致能量不能完整传递,在下文将着重阐述其原因)。(a)低强度地震作用坡面序列边际谱曲线(b)中强度地震作用坡面序列边际谱曲线(c)高强度地震作用坡面序列边际谱曲线图 8 不同强度地震作用下坡面测序边际谱曲线 Fig.8 Sequencing marginal spectrum curves of slope surface under different intensity seismic action 为进一步揭示坡体的破坏特征,提取了坡体滑面附近位置各测点的边际谱峰值(PMSA)及特征频率(f)进行了分析,探究含隧道滑坡坡体在水平地震作用下坡体内各位置地震波传递过程的频域内能量变化特征。图 9 展示了不同强度地震作用下各测点边际谱峰值和特征频率曲线。从图中分析可知,在低强度地震作用下时,中下部坡体中 T16 位置较 T8、T15 位置的边际谱峰值出现小幅度降低,由于隧道结构在坡体位置存在的特殊性,尚不能确定该位置是否出现损伤(可能是隧道结构吸收了一定的地震波能量导致峰值减低,下文将结合坡体破坏对此问题进行说明);坡体中部 T21 测点位置边际谱峰值出现大幅度的降低,且特征频率出现变化,说明该位置在低强度地震作用下发生了明显区别于其他测点的地震响应,同时位于其上部测点 T20 位置的边际谱峰值和特征频率都出现降低的情况,表明相对高程 0.75 与 0.875 之间的位置出现了震害损伤。伴随着地震强度的增强(见图 9(b),坡面中下部测点 T16 测点的边际谱峰值出现大幅度突变降低,这表明此时该位置地震能量已不能在 T16 测点位置完整地传递,即说明中强度地震作用下测点 T8(相对高程 0.42)与测点 T16(相对高程 0.5)之间的区域受到了震害损伤。在图 9(c)中,测点 T15 的边际谱峰值和特征频率出现突变,这表明中部坡体在高强度地震作用下出现进一步破坏,而中上部坡体较上一级地震的作用后其462增刊 1孙 浩,等:基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究 以隧道正交下穿主滑方向滑体为例边际谱峰值和特征频率也略有降低,这表明中上部坡体震害进一步发展。同时可以发现,随着地震强度的进一步增加,中上部坡体震害损伤持续增强,但中上部坡体(测点 T15、T21、T20)的特征频率不再变化,这表明上部连续激震后上部坡体已经出现严重损伤(结合破坏现象图可以看出),损伤致使原上部不稳定坡体破坏剥落,而后坡体进入相对稳定状态,因此在特征频率上出现连续性。(a)低强度地震作用坡面序列边际谱峰值及特征频率(b)中强度地震作用坡面序列边际谱峰值及特征频率(c)高强度地震作用坡面序列边际谱峰值及特征频率图 9 不同强度地震作用下坡面测序的边际谱峰值和特征频率Fig.9 Marginal spectrum peak and characteristic frequency of slope sequencing under different intensity seismic action3.3 含隧道滑坡破坏过程及地震破坏模式判识 为验证上述分析,提取坡体内滑面位置不同位置的加速度时程曲线并结合滑坡的破坏情况进行分析。图 10 展示了低强度地震(0.1g EL 波)、中强度地震(0.2g EL 波)、高强度地震(0.4g EL 波)作用下滑坡的破坏过程及加速度时程曲线。从图 10(a)可见,在低强度地震的作用下,坡面上T15、T21 位置处加速度响应先达到峰值,且相对其他位置都较为强烈,坡顶、坡体中下位置和坡脚位置都在其后达到峰值。在低强度地震作用下,滑坡中部位置在地震波的作用下出现局部细小裂缝,坡顶上部出现局部剥落,同时在顶部和左右两侧都伴有微小拉裂缝产生,坡脚出现轻微剥落的情况。随着加载的进一步进行,在中强度地震的作用下,坡面序列测点各位置的加速度峰值几乎在同一时刻达到最大,滑坡中下部 T16 位置的加速度峰值表现为最小,而滑坡中上部位置的加速度峰值强度相近。坡体在地震作用下,破坏情况表现为上部坡体裂缝继续扩展,顶部裂缝向坡体内部延伸,左右两侧裂缝由上至下向滑带扩展;坡面在地震作用下逐渐松散,并产生进一步剥落;坡脚震碎剥落逐渐往上部坡体发展,并在坡底形成了少数堆积块。562隧道建设(中英文)第 43 卷(a)低强度地震作用坡体破坏过程(b)中强度地震作用坡体破坏过程(c)高强度地震作用坡体破坏过程图 10 不同强度地震作用下含隧道滑坡破坏过程及各测点加速度时程曲线Fig.10 Tunnel landslide failure process and acceleration time history curves of each measuring point under different intensity earthquake 在高强度地震作用下,坡体内各位置加速度近乎同一时刻达到最大值,坡体动力响应也更加明显,滑坡体的破坏现象更为强烈。上部坡体裂缝发生横向扩张,裂缝深度逐渐增大,并在上部坡面形成了“U”形凹槽;左右两侧坡面从坡顶穿过滑带延伸至坡体中部,裂缝长度逐渐增大;坡体下部的震碎剥落面从坡脚向中662增刊 1孙 浩,等:基于希尔伯特边际谱理论的含隧道滑坡震动破坏模式研究 以隧道正交下穿主滑方向滑体为例部坡体继续延伸,滑带出现明显错动,中部坡体出现滑移趋势。从坡体上部和下部剥落的剥落块在坡脚形成大量坡脚堆积。从滑坡坡面序列的边际谱峰值变化和加速度峰值变化来看,在不同强度的地震作用下,隧道上方 T16 处的加速度峰值始终表现为最小(边际谱峰值也始终处于最小),坡体破坏现象表明,在低强度地震作用时,T16 位置已发生轻微破坏,因而 T16 位置边际谱峰值低强度地震作用时出现轻微突变,随着地震强度的增强,该位置坡体震害更为严重,同时边际谱峰突变也更为明显。在低强度和中强度地震作用时,位于 T16 位置上部 T15、T21 测点位置地震能量表现为有序传递,而处于下部的 T16 位置在低强度地震能量输入下就出现震害损伤的情况。结合 T16 测点处于隧道上方位置的特殊性,可以判断由于隧道的存在劣化了滑坡的力学环境,因此,即使较弱的地震能量输入,隧道上方T16 位置仍会出现破坏。结合 3.2 节分析,可以对含隧道滑坡破坏过程进行总结:在低强度地震(0.1g EL 波)作用下,坡体中上部(相对高程 0.8750.75)之间出现震害损伤,中下部坡体(相对高程 0.420.5)出现与其他位置不同的地震响应,中上部坡体出现剥落块,中下部坡体出现轻微损伤;在中强度地震(0.2g EL 波)作用下,中下部坡体(相对高程 0.420.5)之间开始出现震害损伤,中上部坡体震害进一步增强,中上部坡体后缘拉裂缝沿滑带向下发展,坡体前倾,坡面剥落增强,中下部坡体出现大面积剥落形成坡脚堆积;在高强度地震(0.4g EL 波)作用下,整个坡面震害继续增强,中上部坡体剥落形成凹陷区,下部坡体破碎区向上延展,在坡脚形成大量坡脚堆积。结合边际谱分析与含隧道滑坡的破坏过程,可以对含隧道滑坡的破坏模式进行如下概括。含隧道滑坡的破坏顺序为:中上部和中下部坡体破碎中上部坡体拉裂缝向下延展,中下部坡体破碎向上发展滑带错位,中部坡体滑出。其破坏模式可以归纳为崩落拉裂滑移破坏(见图 11)。3.4 坡面序列加速度放大系数曲线与边际谱峰值曲线对比分析 为验证表征能量传递的边际谱理论在含隧道滑坡体中识别的适用性,以坡面测点序列为例,绘制了加速度放大系数(PGA)沿坡面高程的增长关系,以阐述希尔伯特边际谱理论在含隧道滑坡中的适用性。图 12 展示了滑体与滑带交界面各测点的加速放大系数,通过与边际谱峰值曲线(见图 8)的对比可以看出两者趋势基本一致,并具有一些相似的特征,在T15 位置后的加速度放大系数急剧增加,这是由于在滑带转角的应力集中造成了水平地震加速度的激增,这在图 8 中也可以得到有效印证,T15 测点位置后能量传递都表现为激增状态。对比两曲线可以发现,利用地震能量传递(边际谱峰值曲线)能更好地揭示坡体损伤发展过程。在不同强度地震作用下,相对高程0.5 的位置边际谱峰值和 PGA 放大系数曲线都出现降低的情况,PGA 放大系数曲线分析一般认为该位置出现突变的原因是隧道、地震波和围岩耦合作用的影响。图 11 正交型隧道-滑坡坡体的地震破坏模式Fig.11Earthquake failure model of orthogonal tunnel-landslide slope图 12 坡面测点加速度放大系数Fig.12 Acceleration amplification coefficient of slope measurement point 以低强度地震作用下的两曲线在相对高程 0.5 位置动态变化为例,从 PGA 放大系数角度考虑,该位置处于靠近坡脚位置,因而受到的震动能量相对较小,但破坏现象表明,该位置在低能量输入情况下仍出现了轻微的剥落破碎,而位于其上 0.54 位置测点却并未破坏,显然隧道、地震波和围岩耦合作用并不能很好地的解释该现象。但结合边际谱峰值曲线和该位置破坏过程,可以762隧道建设(中英文)第 43 卷从能量传递的角度对其进行阐述,由于隧道的存在劣化了滑坡的力学环境,该位置在较低能量的输入下也发生了破坏,致使地震能量不能在该位置完整传递,导致边际谱峰值出现轻微突变降低,而后随着地震强度的进一步增强,边际谱出现剧烈波动,该位置损伤继续发展,破坏进一步增强。对比 PGA 曲线(见图 12)和边际谱峰值曲线(见图 9)随高程的变化过程,可以看出不同强度地震作用下 PGA 曲线在 T16 位置变化剧烈程度近乎相似,不能准确描述坡体的损伤发展过程。而边际谱峰值曲线在T16 位置表现为在低强度地震作用下变化程度小,在中强度和高强度地震作用下突变程度显著增加,这与T16 位置在各级地震的破坏现象更加对应,表明采用边际谱峰值曲线的变化更能表征坡体的损伤发展过程。以上表明了采用能量传递识别含隧道滑坡破坏模式的适用性。4 结论与建议 为研究含隧道滑坡体在水平地震作用下的破坏模式,为含隧道滑坡的加固提供参考。本文引入了一种基于希伯特边际谱理论含隧道滑坡破坏模式的识别方法,并进行振动台试验,提取滑坡坡面序列和坡