地震波效應與山體斜坡震裂機理深入分析①

馮文凱，黃潤秋，許 強

（地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都 610059）

地震波效應與山體斜坡震裂機理深入分析①

馮文凱，黃潤秋，許 強

（地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都 610059）

“5·12”汶川大地震造成了大量山體斜坡震裂變形和破壞現象，為深入研究其力學機理，通過實例詳細調查及地震中體波效應和面波效應的深入分析，認為地震中地震波的作用使山體斜坡表部巖土體尤其是坡肩部位受到量值和方向不斷變化的拉張應力作用，該作用在垂直平面內表現為全方位動態變化特點，導致坡肩巖土體具有旋轉傾倒和正、反拉作用；與此同時在坡體內部伴隨出現潛在剪動作用力及巖土體的開裂和壓碎現象，尤其在潛在滑動面上剪切作用力更為集中；此外坡體表面還受到鼓脹拉力和扭力的共同作用。據此可將地震波作用效應劃分為4種重要表現形式，即拉－剪破裂效應、界面動應力效應、潛在的楔劈效應和超空（孔）隙水壓力激發機制。分析結果與實例及振動模擬結果一致。研究成果可為災后重建和防災減災提供參考。

汶川大地震；山體斜坡；震裂變形；地震波效應；震裂機理

Abstract：On the basis of the phenomena of slope shattered deformation and failure after 5·12 Wenchuan great earthquake，the effects of body wave and surface wave in the earthquake are analyzed，and the mechanical mechanism of slope shattered deformation are studied.It is considered that the effect of seismic waves caused the alternate action of the tension stress with values and direction constantly changing acted on the rock and soil mass of slope surface layer，especially on the slope shoulder，the characteristic on perpendicular plane showed overall dynamic change and resulted in the rock and soil mass on shoulder appeared revolution－dump，positive and inverse tension action.Meanwhile，the following shear action，cracking and crushing occurred.The shear action was more concentrated on slide surface.In addition，the bulge tension and torsion forces acted together on the slope surface also.In this paper，seismic wave effect is divided into four kinds of forms：the tension－shearing rupture effect，the interface dynamic stress effect，the potential wedge splitting effect，and the super interstitial hydraulic or pore water pressure excitation mechanism.The analysis results are well in accordance with field phenomena and the result of vibration simulation model，provided an important guide for the post－disaster reconstruction and disaster prevention and mitigation.

Key words：Wenchuan great earthquake；Slope；Shattered deformation；Seismic wave effect；Shattered mechanism

0 引言

2008年5月12日四川省汶川發生了世所罕見的M8.0大地震，不但造成大量建筑物破壞、人員傷亡和財產損失［1－2］，而且還誘發了眾多的次生地質災害，如崩塌、滑坡、泥石流等。還有一類分布范圍廣、規模和潛在威脅較大的次生潛在災害——山體斜坡震裂變形體，是值得進一步關注和深入研究的重點。其基本特征是斜坡表面發育大量震裂裂縫，一般順坡走向延伸且較長大，在坡面陡緩轉折部位、不同巖性接觸部位、不同巖性內部等均有不同程度的發育，余震時有些裂縫還在繼續擴展。震裂裂縫的發育使斜坡巖土體結構遭到了嚴重破壞，有利于雨水下滲，斜坡穩定性將逐漸惡化。這類普遍發育的震裂變形體，不但是抗震救災應急排查時的重點，也是災后重建所必須面對和解決的重點治理工程。因此切實掌握其穩定性變化發展趨勢，深入分析其變形破壞機制模式及危險性是非常必要的。針對震裂變形機理的研究，眾多文獻資料主要反映的是震裂變形的分布規律［1－10］，斜坡坡面地震加速度的放大效應及分布［3－10］等，真正意義上的震裂變形機理尤其是力學機理研究成果甚少。本文以“5·12”汶川大地震造成的震裂斜坡實例調查研究為基礎，在結合作者前期力學機理初步研究［5］的基礎上，通過對地震波效應的進一步分析，對山體斜坡震裂的力學機理作深入總結和系統分析。

1 地震波作用效應分析

地震造成的山體斜坡變形破裂甚至破壞是與地震波的作用密切相關的［11］。由于地震波的類型和特點不同，其對山體斜坡震裂變形破壞所起到的作用效果各異。

1.1 地震中的體波效應

體波包括縱波（P波）和橫波（S波）。根據其各自特點［11］，地震中P波和S波到達時的振動將導致斜坡巖土體出現運動方向（或慣性力方向）相反的變化趨勢，二者的組合方式決定了斜坡巖土體的整體運動趨勢和未來破壞方式。其組合方式比較多。考慮到隨坡高增加地震加速度的放大效應［3－14］，認為上部慣性力大于下部慣性力；為了充分認識地震波的作用效應此處暫不考慮重力場疊加。以此為前提，以S波初動向右，P波初動向下和向上兩種組合方式為例對其造成的影響效應進行分析，可得如圖1所示的地震波效應，具體詳細分析可參見作者在文獻［11］中的論述。

圖1 地震中的體波效應示意圖（暫不考慮重力場疊加）Fig.1 Schematic drawing of body wave effect in the process of earthquake（without regard to field of gravity）.

最后需要強調的是，地震引起的水平和垂直加速度增量是一個瞬時動態過程，其量值也不同步，甚至會出現僅有水平增量或垂直增量的情況。由此可見其組合方式相當復雜。不過，總體上為上述模式應力大小和方向的瞬時動態變化，此處不再贅述。

1.2 地震中的面波效應（R波和Q波）

地震波中的面波由于其運動形式的復雜性往往不為眾人所關注。但面波的傳播方式及作用特點可能會為我們對山體頂部的破壞效應提供更好的解釋，尤其是孤立山體、條形山脊的超強破壞，甚至可以為地震中完整巖體瞬間形成碎裂塊體和破壞提供合理解釋。

首先從能量匯集的角度考慮，由于面波是體波傳到地表生成的次生波，沿接觸面和地表傳播，也可以沿坡體表面向坡頂方向傳播。而傳到坡體內的體波到達坡面也生成面波并沿坡體表面向上和向下傳播。這些面波在傳遞過程中雖然有相互干擾的情況，但由于下部坡體高程低，體波能量損耗相對較小，生成的面波能量相對較大，加之有沿地表傳播而來的面波疊加，總體向坡上傳播的面波強度大于向下傳播的面波。能量將沿坡面向坡頂傳播和逐漸積累，從而造成頂部振動強烈，地震加速度放大效應明顯［3－14］，推測是造成坡頂碎裂的重要原因所在。

另外，面波的波形特點，如蛇形扭動和橢球形滾動作用，是建筑物破壞的重要因素，其在坡面傳遞過程中勢必也會對坡面造成較強的振動破壞效應，甚至會造成整個坡面的變形破裂和破壞（具體見后述分析）。

最后需要強調的是，面波效應僅僅使斜坡巖土體出現更強的振動破裂效應，從而成為斜坡震裂變形、甚至震裂破碎的重要因素，而要產生滑動變形，必須有體波效應的密切結合。

2 斜坡震裂的力學機理

根據前述地震波作用特點和效應分析可知，斜坡尤其是表部風化卸荷嚴重的斜坡體［15］，在地震過程中受地震波的作用，將導致坡體表部巖土體尤其是坡肩部位出現動態變化的拉張應力，其大小和方向根據地震波的作用特點是在垂直平面內全方位動態變化，導致坡肩巖土體具有旋轉傾倒和正、反拉作用；同時在坡體內部伴隨出現潛在剪動作用力及巖土體的開裂和壓碎現象，尤其是潛在滑動面上剪切作用力更為集中。由此可見，空間分布位置不同，時間上同時出現的拉張、剪切和壓碎作用是導致斜坡首先產生變形破裂的主要原因。下面根據前述地震波效應，對山體震裂變形破壞的力學機理進行深入分析。

2.1 拉－剪破裂效應

此效應為地震中體波到達時產生的拉動和剪切作用，導致斜坡出現拉張開裂和剪切滑動，是造成山體斜坡破裂的重要因素之一。作者在參考文獻［11］中以雙面斜坡為例進行了詳細分析，并根據其作用特點和實際山體斜坡條件將產生震裂的拉－剪破裂效應進一步劃分三種類型，即初動拉剪加速破裂效應、重復拉剪破壞效應和雙坡共剪破裂效應。此處僅給出拉－剪破裂效應的基本示意圖（圖2）。

圖2 拉－剪破裂效應示意圖Fig.2 Schematic drawing of tension－shearing rupture effect.

振動臺試驗及“5·12”汶川地震中震裂斜坡實例均充分證明了這種類型破裂的存在（圖3）。圖3（a）振動臺試驗實例為上軟下硬類型的雙面坡體，模型頂寬20cm，底寬69cm，高40cm，上部軟層高20 cm，可近似代表地表風化卸荷強烈的均質或非均質自然斜坡體；而圖3（b）則為中陡傾孤立或雙面斜坡（位于都江堰漩口鎮岷江左岸），巖性為花崗巖，構造作用強烈，表部風化卸荷嚴重，5·12地震過程中造成左右坡面出現大規模的崩滑破壞；圖3（c）為單面覆蓋層斜坡振動臺模擬實驗成果；圖3（d）為青川縣騎馬鄉民主村董家梁單面波震裂變形體。

圖3 拉－剪破壞振動臺實驗及實例Fig.3 The experiment results of shaking table and field examples for tension－shearing rupture effect.

2.2 界面動應力效應

當地震波在傳播過程中遇到介質性質突變界面

時將發生反射和繞射現象，振幅發生明顯改變。這種突變將引起斜坡應力調整，影響斜坡穩定性。地震波在界面處產生的這種效應可統稱為界面動應力效應，可從應力波的反射和透射獲得進一步認識。

應力波在穿過某些地質界面時，由于兩側介質特性的差異，將產生反射波，因此在界面處造成反射波應力（σr）和透射波應力（σt），它們與入射波應力（σ1）之間存在如下關系：

式中：n＝（ρ1E1／ρ2E2）1／2＝ρ1VP1／ρ2VP2，ρ1、ρ2、E1、E2、VP1、VP2分別為界面兩側巖體的密度、彈性模量和P波傳播速度。

應力波的上述反射機制，使得在各類結構面附近出現了復雜的動應力分異。根據上述公式，可概括以下兩種：

（1）當應力波從相對堅硬的巖體傳入較軟弱的巖層中，即E1＞E2時，由于n＞1，此時產生的反射波為拉伸波，將在界面處產生拉應力。并且兩介質的E值相差愈大，拉應力值愈高。另外，S波在反射產生拉應力的同時還產生較強的剪切作用力。很顯然這些情況對巖體穩定性是很不利的。這種界面效應的反射機制根據地震波的反射和透射原理可用圖4來簡單示意表示。

圖4 地震波入射界面時產生的反射和透射界面效應示意圖Fig.4 Schematic drawing of interface dynamic stress effect from reflection and transmission when seismic wave arrives.

以雙面斜坡為例，室內震動模擬實驗上軟下硬類型斜坡也是界面效應的一種體現［16］，見圖3（a）。

應該指出，裂隙面尤其是有一定張開度的或被充填的裂隙其本身就是介質特性突變部位，也將產生反射波應力，促進其被拉裂，同時剪切作用力還可促進其剪切變形。

由此可見，地震波的界面動力效應對山體斜坡震裂變形的影響實際上是很復雜的，圖4僅能示意性表示。相比之下面波在界面處產生的界面動力效應比體波產生的界面動力效應要復雜得多，針對這方面還有待進一步深入研究。

（2）應力波穿過軟弱夾層或斷層破碎帶時，由于應力波的反射機制和低強度巖石吸收了大量的能量，這些軟弱帶成為一個阻擋動應力的屏障，使傳入的動應力顯著削弱（圖5）。這也可能是地震中為什么在土質斜坡體中很少發生大規模破壞的原因。

2.3 潛在的楔劈效應

地震作用下山體斜坡在地震波的拉－剪重復作用過程中形成變形破裂現象，破裂一旦產生可能會有巖塊的掉入。掉入的巖塊在斜坡被反壓時一方面提供楔劈效應，使裂縫進一步向下擴展；另一方面由于坡頂加速度一般大于坡體下部，一定程度上也將起到杠桿作用，使裂縫端部向下擴展的同時產生向坡向方向的一個剪切作用，從而使裂縫向坡下彎轉，形成潛在的滑移－剪裂面。其變形破裂示意見圖6。該效應與拉－剪作用相互配合，將使斜坡穩定性不斷惡化。“5·12”汶川地震中也不乏實例。

圖5 軟弱夾層對應力波傳播的影響示意圖Fig.5 Schematic drawing of soft interlayer influenced on stress wave propagation.

2.4 超空（孔）隙水壓力激發機制

巖質邊坡在地震當中形成的拉剪裂縫如果延伸到地下水位之下，斜坡在重復拉－剪過程中拉剪裂縫瞬時的閉合趨勢將激發很高的空隙水壓力［17］，其作用類似于楔劈效應，這種作用將會成為斜坡失穩和高速滑動破壞的重要機制。某些季節性沖溝在5 ·12地震后由季節性流水變為長流水即是例證。

土質邊坡或碎裂結構巖體在地震力的瞬時或反復作用下坡體有壓密固結趨勢，孔隙體積變小、孔隙水原有通道被堵塞，孔隙水壓力出現瞬時或迅速激增，有效應力降低，坡體穩定性大大惡化，出現拉裂和滑動變形，甚至出現塑性流動。地震后較高的孔隙水壓力隨著變形的繼續擴展和新的孔隙通道的逐漸形成，逐漸消散，下滑力減弱，穩定性增強。由于該過程一般比較緩慢，加之伴隨土體的軟化甚至流體化，因此，這種變化發展過程一般是漸進性的，形成的土質滑坡也以塑流、蠕滑變形為主要特點。如青川縣橋樓鄉八角村石拱坪滑坡，滑坡寬約100m，長約500m，厚約10m，體積約50萬m3，見圖7（a）。也有孔隙水壓力激增導致液化而出現迅速流動破壞實例，如青川縣廟底下地震導致坡體迅速轉化為泥流破壞，見圖7（b）。

圖6 潛在的楔劈效應示意圖Fig.6 Schematic drawing of potential wedge splitting effect.

圖7 超空（孔）隙水壓力激發機制實例Fig.7 The examples of super interstitial hydraulic or pore water pressure excitation mechanism.

2.5 其它破壞效應

面波傳到地表時還會使坡面出現蛇形扭力和橢球形頂托力，從而使坡面巖土體發生扭動和鼓脹開裂，推測也是導致坡體破碎和破壞的重要原因。汶川地震中這類現象在震中區及外圍的強震區均有不同程度的發育。例如面波中勒夫波的蛇形扭力和瑞利波的橢球形頂托力所造成的破壞分別見圖8（a）和（b）。相對而言瑞利波的破壞現象最為常見，說明其破壞力比勒夫波強。

圖8 面波導致的破裂效應實例Fig.8 The examples of rupture effect under the action of surface wave.

3 值得進一步思考的現象

根據上述對地震波效應的深入分析以及山體斜坡震裂機理較系統的研究，結合常識，基本上可對地震中山體震裂變形甚至破壞的現象、過程、發展趨勢等多方面有一個基本認識。比如高陡斜坡、孤立邊坡地震時很容易發生破壞，尤其是距震中較近時。但現場調查發現也有一些令人按常規無法理解的情況，比如在距震中較近的理縣蒲溪鄉蒲溪溝溝口陡立斜坡體上矗立的危巖孤立柱狀塊體（靠近317國道），高＞5m，結構面發育，風化較強，為危險性較高的危巖，然而5·12地震中并未如常規想象的那樣失穩破壞（圖9（b））；但其旁側的坡面卻發生了滑塌破壞，造成8人傷亡（圖9（a））。與之類似，震前高陡的高危險滑坡，變形強烈，距震中也比較近，但地震中變形破壞并未明顯加大（如理縣望月寨滑坡，歡喜坡－將軍碑滑坡等）。諸如此類現象運用上述機理一時也很難解釋，也是值得進一步深思的問題，比如其影響程度與地震波傳播方向、傳播途徑接觸面大小等是否有關。

圖9 理縣蒲溪溝口的崩塌與矗立的孤巖柱Fig.9 The collapse hazard and still standing rock mass after 5·12earthquake at Puxi valley，Lixian county.

4 結論

針對地震中的山體斜坡破裂現象，結合實例調查并通過地震波效應分析，對其形成機理有了較系統的認識，具體如下：

（1）地震中的地震波作用根據其特點總體可分為體波效應和面波效應兩種類型。其中體波效應尤其是S波效應，與重力場的組合將使坡體處于拉－剪應力和反壓應力交替重復作用的動態過程當中，從而引起斜坡應力場的隨時調整，不但是量值上而且方向上也在隨時變化。而面波效應則主要是其蛇形扭動和橢球形滾動作用導致坡體出現扭裂和鼓裂現象，進而使坡體破裂、破碎甚至崩滑破壞。其中體波的重復拉－剪應力作用和面波的橢球形頂托鼓脹作用對斜坡穩定性惡化作用較強，是導致斜坡震裂變形破壞的重要控制因素。

（2）斜坡震裂變形與地震波的作用效應是密切相關的，主要包括拉－剪破裂效應、界面動力效應、潛在的楔劈效應以及超空（孔）隙水壓力激發機制。這些破裂效應是斜坡震裂變形破壞的主要力學機理。

（3）針對面波效應來說，其作用效果是使斜坡表面出現蛇形扭裂和橢球形鼓脹拉裂現象。但需要強調的是，面波效應一般僅使斜坡面出現網狀的破裂和破碎現象，斜坡的破壞尤其是大規模破壞更大程度上還是依賴于體波效應。

（4）地震中斜坡體還存在一些超乎想象的現象，這些現象運用常識及上述理論還無法給予較為合理的解釋，也是值得進一步深思的問題。

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In－depth Analysis of the Seismic Wave Effect and Slope Shattered Mechanism

FENG Wen－kai，HUANG Run－qiu，XU Qiang
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

TU435

A

1000－0844（2011）01－0020－06

2009－11－06

國家自然科學基金（青年）（40802073）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2008CB425801）；“科技減災、重建家園”專項基金（DZJK－0811）

馮文凱（1974－），男（漢族），河南原陽人，博士，副教授，在站博士后，主要從事區域穩定與巖體穩定以及地質災害防治方面的教學與研究工作.