近斷層地震動對階梯式順層巖質路塹邊坡震裂損傷的作用機制

摘要： 中國西南部特殊的地形條件導致公路交通建設中不可避免地形成大量路塹邊坡，地震作用下公路路塹邊坡的穩定性問題儼然成為公路工程穩定性研究中的重點科學問題。通過大型振動臺試驗分析階梯式順層巖質路塹邊坡的加速度響應，研究邊坡各平臺的地震動響應規律。提出加速度放大系數比表征不同坡表形式的動力響應差異，結合Snell定律分析地震波在邊坡中的傳播規律。結果表明：邊坡加速度放大系數隨激振幅值增加而表現出高程放大效應，當激振幅值超過0.6g時，因震裂損傷累積，坡體濾波效應增強，加速度放大系數隨高程增長趨于平緩。均勻階梯寬度的邊坡抗震性能較好，階梯陰角處易產生應力集中，應作為重點防護區域。試驗中監測的加速度數據分析結果與高速攝像機記錄的模型損傷結果相吻合。根據邊坡的震裂累積破壞過程，可將破壞現象分為淺層蠕滑（0.1g～0.4g）、局部拉裂（0.4g～0.6g）、加速變形（0.6g～0.8g）和整體失穩（0.8g～1.0g）四個發展階段，變形破壞模式總體表現為滑移?拉裂式。研究結果為復雜坡面與地質結構的震裂破壞機制及抗震設防提供了理論基礎和技術支持，為山區階梯式巖質路塹邊坡的防災減災措施提供參考。

關鍵詞： 邊坡工程； 階梯式巖質邊坡； 振動臺試驗； Snell定律； 震裂損傷模式

中圖分類號： TU435""" 文獻標志碼： A""" 文章編號： 1004-4523（2025）02-0352-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2025.02.014

收稿日期： 2023-02-13； 修訂日期： 2023-06-05

基金項目："國家自然科學基金資助項目（52108361，41977252）；四川省科技廳重點研發項目（23ZDYF2234）；地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室自主課題和開放基金資助項目（SKLGP2020Z001，SKLGP2020K018）

Action mechanism of near-fault earthquake on shatter damage of stepped bedding rock cutting slope

XIN Chunlei1，3， LI Wenhui2.3， FENG Wenkai1，3， YANG Fei3， LIAO Jun3

（1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；2. Department of Architecture and Civil Engineering， Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu 611130， China；3. College of Environment and Civil Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract： In the southwest region of China， the construction of highways has resulted in the formation of many cutting slopes due to the special terrain conditions of the region. Therefore， the stability of highway cutting slopes under earthquake conditions has become a critical issue in the stability evaluation of highway engineering. In this research， the acceleration response of stepped bedding rock slopes is analyzed by conducting large-scale shaking table tests， and the seismic response of each platform is investigated. A ratio of acceleration amplification factor is proposed to characterize the differences in dynamic responses of various slope patterns and analyzes the seismic wave propagation in the slope using Snell’s law. The test reveals that the acceleration amplification factor of the slope exhibits an elevation amplification effect as the amplitude of the excitation increases. When the excitation amplitude exceeds 0.6g， the continuous accumulation of slope shattering damage and the enhancement of the filtering effect lead to a leveling off of the acceleration amplification factor with increasing elevation. Besides， slopes with uniform step width demonstrate better aseismic performance， while stress concentration is more likely to occur at the corners of each step， making them as key fortification sites. The analysis of the monitored acceleration data is consistent with the model damage patterns recorded by a high-speed camera during the shaking table tests. Based on the cumulative shattering damage process of the slope， four stages of damage are identified： shallow creep （0.1g～0.4g）， local tension （0.4g～0.6g）， accelerated deformation （0.6g～0.8g）， and overall instability （0.8g～1.0g）， exhibiting a slip-tensile damage mode. The research findings provide essential theoretical support and technical guidance for understanding the shattering damage mechanism and seismic fortification of rock slopes with complex formations and geological structures， and offer a reference for disaster prevention and mitigation measures for stepped bedding rock slopes in mountainous areas.

Keywords： slope engineering；stepped rock slope；shaking table test；Snell’s law；shatter damage mode

中國國土70%以上都是丘陵和山地，尤其是西南部呈現出地形起伏大、地質條件復雜和山坡巖體結構多變的特點［1?2］。同時，中國處于環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，呈現出地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣等特點［3?4］。近年來發生的大地震均造成了極嚴重的地質災害，如2008年汶川8.0級地震造成滑坡3314處，崩塌2394處，泥石流619處，不穩定邊坡1656處［5?6］。誘發的大光包滑坡滑塌體積達7.42億立方米，形成的堰塞湖壩高為690 m，是迄今為止世界范圍內有記錄的規模最大的地震誘發滑坡。2010年發生在青海玉樹的7.1級地震共誘發了2036處地震滑坡，造成了2220人死亡及70人失蹤。2013年4·20雅安地震觸發的地質災害總數達3000處。2017年8月8日，四川省北部的阿壩州九寨溝縣漳扎鎮境內發生6.5級地震，造成大量的山體滑坡。滑坡主要分布于九寨天堂、九寨溝國家地質公園內樹正溝及熊貓海附近，滑坡總面積為8.37 km2。九寨溝國家地質公園區內地震誘發滑坡1022處，總面積為3.88 km2。2022年9月5日，四川省甘孜州瀘定縣發生6.8級地震，地震重災區瀘定縣和石棉縣境內共誘發有地質災害隱患點565處，包括崩塌331處、滑坡234處，加劇了81處已有地質災害隱患點的變形。其中，磨西臺地兩側邊坡由于臨空面坡度較陡，巖土體在長期重力卸荷作用下形成縱向拉裂縫，受強震作用觸發邊坡發生大規模垮塌。近15年高烈度地震頻發，地質災害防治任務任重而道遠。

“十四五”規劃中明確指出，要實施高鐵工程、高速公路、護坡堤岸、橋梁隧道等公共基礎設施安全加固，穩步提升工程抗震防災能力。現如今，大量巖土工程將建在西南部的強震區，這對基礎設施的順利建設和安全運營提出了更高的要求，巖土邊坡的地震穩定性問題日趨突出［7］。對邊坡動力響應規律和破壞機制的研究作為邊坡動力穩定分析的基礎，是重要的先決條件。邊坡動力響應是多因素作用的結果，取決于地形地貌、地質構造和地層巖性等內在因素以及地震動的三要素等外部因素［8?10］。目前，地震作用下的邊坡動力響應機制和穩定性的研究方法主要有現場調查法、理論分析法，數值模擬計算法和物理模型試驗法［11?13］。其中，物理模型試驗方法中的大型振動臺模型試驗可以模擬地震波直接作用于邊坡的整個過程，對模型邊坡的破壞過程進行直觀地觀測，并通過高精度數據采集儀器監測邊坡內部動力參數的時空變異性。因此，振動臺模型試驗以其試驗規模較大、可實時再現震害現象和可操作性強等優勢被認為是目前探尋邊坡震害機理最理想的研究手段［14?16］。加速度傳感器是振動臺試驗最可靠的數據來源之一，現有的數據采集設備和元件能夠保證高采樣頻率下時程響應數據的準確性。SONG等［17］通過加速度放大系數增量ΔMPGA研究不連續結構面巖質邊坡在快速降水作用下的動力穩定性，研究結果表明，快速降水和地震協同作用使邊坡坡面放大效應顯著，加劇了邊坡的變形。然而，試驗監測方案中的加速度傳感器僅反映地震動力作用下的各監測點位響應時程，須通過波在不同介質之間傳播特性的Snell定律分析地震波在邊坡中的傳播規律，結合振動臺試驗中邊坡的破壞現象，才能闡明巖質邊坡模型的地震響應機制。FENG等［18］結合振動臺試驗中巖質邊坡動力破壞模式和地震波傳播理論，揭示了軟硬互層的低傾角順層巖質邊坡的地震響應和破壞機理。將邊坡破壞演化過程分為三個階段，首先在坡頂和坡后緣出現些許張拉裂縫；而后，拉裂縫繼續加深加寬，坡頂附近萌生新的剪裂縫；最終，坡頂附近的拉裂縫和剪裂縫相互連接貫通，邊坡巖體沿破壞面滑動。

本文依托三（曲靖三寶）清（昆明清水）高速公路（K86+380～K86+740）區段的路塹邊坡，根據坡體地質調查結果，將該順層路塹邊坡概化為含軟弱夾層的階梯式順層巖質邊坡模型。以邊坡平臺寬度為變量，設置兩組試驗工況，開展大型振動臺物理模型試驗。基于實時采集到的試驗數據，定義加速度放大系數，探究階梯式順層巖質路塹邊坡不同平臺位置的加速度變化規律。通過Snell定律分析地震波在該模型場地內的傳播路徑，結合振動臺試驗中邊坡的破壞現象，闡明階梯式順層巖質邊坡模型的地震響應機制和震裂漸近損傷效應，進而探究階梯式順層巖質邊坡原型在實際地震動力作用下的穩定性演化過程和失穩機理。

1 試驗原型概述

本文依托三清高速公路（K86+380～K86+740）區段的路塹邊坡，開展大型振動臺物理模型試驗。該研究區段處在川滇斷塊和華南斷塊的邊界附近，橫穿小江活動斷裂帶，區域斷裂構造發育，各體系構造活動強烈，具有繼承性和多期復活的特點，如圖1（a）所示。根據中國地震動參數區劃圖（GB 18306—2015）［19］，該邊坡工程所屬區域地震動峰值加速度為0.3g，抗震設防烈度為8度。小江活動斷裂帶是青藏亞板塊與南華亞板塊部分邊界的組成部分，是著名川滇菱形地塊東南邊界斷裂。小江活動斷裂帶在長期活動過程中，曾經歷壓、張、扭不同力學性質的轉化，沿帶有最寬達500 m的斷層破碎帶，沿斷面斷層泥發育。第四紀晚期，斷裂表現出強烈的左旋走滑特征。山脊、水系、地質地貌體等位移明顯，最大左旋位移可達5～7 km。根據中國地震局提供數據顯示，自2021年5月以來，川滇地塊至少發生了7次5級以上的地震，這說明最近2年內川滇菱形地塊處于強震活躍時期。

研究區段眾多路段處于高原中低山構造陡斜坡地貌，路線經過山體斜坡地段，由西向東弧形展布。山體沿北東（N?E）往南西（S?W）向波狀起伏，與線路近平行。邊坡地形較陡，自然坡度為30°左右。根據鉆孔取樣可知，該段邊坡主要為粉砂巖及砂巖，膠結程度較低，易被雨水沖刷流失。邊坡開挖后在雨水浸潤作用下，易產生崩滑現象，不利于邊坡穩定。地層產狀呈單斜構造，出露基巖為強風化砂巖，呈松散、淡黃色狀，巖層產狀為138°∠35°。場地未發現活動性構造，在自然狀態下，該段邊坡穩定性較好。

根據坡體附近的地質測繪結果，該路塹為順層邊坡。巖層產狀對邊坡穩定性極為不利，巖體節理裂隙發育，強風化巖層呈砂土狀，中風化巖層部分呈碎塊狀。在地震等外部環境作用下，局部陡坡地段易發生掉塊，出現邊坡失穩。因此，建議對邊坡進行階梯式開挖，一方面卸載邊坡內的應力，另一方面降低邊坡的整體坡角，如圖1（b）所示。

2 振動臺試驗

2.1 振動臺系統

本系列振動臺試驗系統由成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室的地震模擬振動臺實驗室提供，如圖2所示，該振動臺設備由英國SERVOTEST公司生產，整個振動臺系統由4"m×6 m大型振動臺臺面、4套豎向作動器及4套水平向作動器、1500L@28MPa油源、油源控制系統以及Pulsar激振輸入控制系統組成。振動臺最大負載為4.0×104 kg，滿載水平向和豎向加速度分別為1.5g和1.0g，滿載峰值水平向速度為1.5 m/s、豎向速度為1.2 m/s，最大水平向位移和豎向位移分別為300和150 mm。

根據振動臺臺面的尺寸，確定鋼結構模型箱的尺寸為3.6 m×1.5 m×2.1 m（長×寬×高），如圖3所示。該模型箱由鋼板、型鋼和有機玻璃構成。為減輕地震波在模型箱邊界的反射，保證邊坡模型與模型箱邊界呈現連續的變形狀態，在振動臺試驗中應設置柔性材料吸收地震波。柔性材料的彈性模量、密度和阻尼比確定后，最接近自由場振動響應的柔性材料厚度便已確定。綜合考慮，最合適的柔性材料厚度為20 cm［20］。因此，本試驗中在垂直振動方向的模型箱內側設置20 cm厚聚苯乙烯泡沫板，模擬吸波材料。在平行激振方向的模型箱側壁安裝有機玻璃，一方面便于在試驗過程中清楚地觀察模型的破壞情況；另一方面，有機玻璃提供的光滑表面可以有效減小模型箱側壁摩擦約束對試驗的影響。

2.2 相似關系與模型制作

振動臺試驗要求保持模型和原型之間的相似性，模型試驗應同時滿足靜力和動力條件下的相似關系。本文采用基于量綱分析法的Buckingham Π定理，由振動臺臺面尺寸確定原型和模型的幾何相似比為CL=25。模型和原型處于同一重力場中，則重力加速度相似比為Ca=1。在振動臺試驗設計時，應保持原型和模型的重力場相似，這就要求在重力加速度相似比為1的前提下，原型和模型的密度也保持一致。因此，取原型和模型的密度相似比為Cρ=1。基于上述分析，本系列試驗選取L、ρ、a為基本控制量，作為其他參數的相似判據。本系列振動臺試驗的相似關系如表1所示。

為得到模型材料準確的物理力學參數，對現場取樣的巖體進行一系列室內直剪試驗、單軸壓縮試驗以及斜剪試驗等，獲取巖體和結構面的物理力學參數，如表2所示。基于邊坡模型相似材料配比的正交試驗結果，最終選取石膏、重晶石粉、石英砂、水和甘油質量配比為10∶35∶25∶14∶2，作為該系列試驗中邊坡模型巖體的相似材料最優配比。其中，重晶石粉和石英砂分別起到細骨料與粗骨料作用，石膏和水起到膠結作用，甘油起到保水作用。巖質邊坡內部的結構面分布、發育程度以及力學性能控制著邊坡的變形、強度和穩定性。因此，軟弱夾層相似材料合理選取和配比對試驗結果至關重要。根據室內物理力學試驗的結果，選取黏土、重晶石粉和甘油作為邊坡中軟弱夾層的相似材料，質量配比為10∶25∶1。邊坡模型的密度、彈性模量及黏聚力等物理量的目標值、實際測定值及相似度如表2所示，其中相似度定義為邊坡模型的實際測定值與模型目標值之比。

階梯式順層巖質邊坡模型的制作分為巖體、軟弱夾層和基座三部分，模型填筑前，先在亞克力板上標定出邊坡的外輪廓、夾層和基座位置，鋪貼于模型箱的有機玻璃內側，如圖4（a）所示。模型制作過程中，首先用M5水泥砂漿和磚砌筑模型基座，便于控制邊坡巖體和軟弱夾層的角度，砌筑時砂漿飽滿，保證基座穩定，如圖4（b）所示。模型填筑時，將邊坡相似材料按照比例均勻拌合，如圖4（c）所示，根據體積控制原則自下而上分層填筑，每層填筑厚度控制在5 cm左右。巖體和夾層在整個制作過程中交替施作，如圖4（d）所示，每層巖體和夾層表面用木板壓實抹平，如圖4（e）所示。為了保證模型巖體的均一性，每層砌筑完成后使用環刀法進行密度測試。模型填筑過程中需配合傳感器的埋設和安裝，將試驗中所需加速度計和土壓力盒埋設在方案設計的特定位置。為了保證傳感器的正常運行，對傳感器外圍包裹保鮮膜和膠帶作為防水處理，如圖4（f）所示。在模型箱有機玻璃一側每隔5 cm粘貼標記點，作為模型在激振過程中位置的參照點，如圖4（g）所示；待模型成型后，為了保證模型材料達到設計強度，仍須將模型靜置一段時間，再開展試驗。在制作完成的階梯坡面上繪制10 cm的網格線，網格線交點位置粘貼反光標，用以采集地震作用下邊坡的位移，如圖4（h）所示。整個模型的制作流程如圖4所示。

2.3 試驗方案

根據坡體地質測繪成果，概化順層路塹邊坡為含軟弱夾層的階梯式順層巖質邊坡。以邊坡平臺寬度為變量，設置兩組試驗工況。為了使得研究成果更具有普適性，選取實際2 m的均勻平臺邊坡與8 m和2 m的組合平臺邊坡作為路塹邊坡的坡表地貌，選取的階梯寬度滿足《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）［21］中對階梯式邊坡平臺寬度和通行功能的要求。根據試驗確定的幾何相似比為1∶25，設置均勻階梯邊坡模型的寬度均為8 cm，不均勻階梯寬度的邊坡模型第二級平臺寬度為32 cm，其余平臺寬度為8 cm。兩組邊坡模型的高度均為118 cm，設三級階梯，每級階梯高度設為22 cm。其中：階梯寬度均為8 cm的邊坡模型作為試驗工況一；階梯寬度不均勻的邊坡模型作為試驗工況二，兩個模型的平面分布位置如圖5（a）所示。此外，邊坡模型中的軟弱夾層厚度為0.5 cm，夾層與水平面夾角為35°，各夾層間距為15 cm。

根據試驗研究目的，本次試驗選取加速度計和土壓力盒兩種傳感器，加速度計選用DM?JS型，量程為2g，頻率范圍為0～200 Hz，具有輸出靈敏度高、低頻響應好和幾何尺寸小等特點，可直接與動態應變測試分析系統連接使用。土壓力盒采用DMTY應變式微型傳感器，規格為2 cm×0.48 cm。光滑面為受力面，另一面為支撐面。試驗過程中，支撐面的著力點要牢固，確保土壓力盒的位置和方向不發生偏移。兩種傳感器埋設在邊坡模型各階梯平臺的陰角和陽角部位，如圖5（b）所示。利用兩類傳感器分析地震動荷載作用下邊坡不同高程處的動力響應，以期找到坡體的變形和破壞規律。試驗工況加載過程中，通過高清攝像機實時記錄邊坡模型的響應狀態。基于光學測量技術的三維數字圖像（XTDIC）系統追蹤地震荷載作用下邊坡的位移。該系統包括兩臺分辨率為200萬像素的高速攝像機，采集頻率為50 Hz。XTDIC測量系統基于雙目立體視覺技術，使用兩臺高速攝像機采集物體變形各階段的實時圖像。通過對坡面標記點的準確識別，實現標記點的立體匹配，利用編碼標記點重建表面點的三維坐標和位移，計算邊坡在多期地震作用下的變形過程。

2.4 加載方案

本次試驗選取汶川地震中近斷層臥龍臺站記錄的強震東西向（E?W）分量，作為振動臺臺面輸入的動力荷載，試驗激振加載方向為水平X向，輸入的X向地震波可以看作水平剪切波。壓縮地震波的持時為原波持時的1/5，因此，振動臺試驗中地震波激振的時間為36 s。近斷層地震在加速度時程中呈現出峰值較大的特點，如圖6（a）所示，在速度時程中表現為長周期速度脈沖，并且脈沖的幅值大，與地震波的總持時相比時間較短，如圖6（b）所示。試驗中選擇地震動輸入時應注意地震動三要素和能量分布的不同，兼顧地震動是否有速度和位移脈沖的要素。近斷層地震能量集中在脈沖持時段內，含脈沖的地震動造成近斷層路塹邊坡發生嚴重破壞。根據頻譜分析，地震波能量在時域上主要集中在前10 s，在頻域上主要集中于12 Hz，如圖6（c）所示。為評估邊坡模型受到不同激振幅值時的破壞發展過程，該系列振動臺試驗設置了6個加載工況，即按照0.1g、0.2g、0.4g、0.6g、0.8g和1.0g逐級加載，模擬邊坡經歷有感地震、小震、中震、強震、大震和巨震不同烈度的多期地震作用，研究邊坡動力響應變化規律以及震裂損傷作用機制。每次工況加載完成后間隔20"min，觀測并記錄模型邊坡的變形與破壞情況。在每次激振開始前均施加0.05g的白噪聲，獲取模型邊坡在激振后的自振頻率。試驗加載次序如圖6（d）所示。

3 試驗結果及其分析

3.1 加速度放大效應分析

地震慣性力是導致邊坡變形失穩的重要原因，研究加速度的變化規律是評價邊坡動力響應的基本指標。因此，本節以坡面水平向的加速度放大系數為研究對象，探究含軟弱夾層階梯式順層巖質邊坡不同平臺位置的加速度變化規律和實時動力響應狀態。定義加速度放大系數AAF（acceleration amplification factor）為各測點的水平加速度峰值與振動臺面測點加速度峰值之比。圖7（a）和（b）分別表示不同激振幅值下邊坡各平臺陰角和陽角的加速度放大系數變化曲線。從圖中可以看出，兩種工況的加速度放大系數沿著坡底到坡頂逐漸增大，坡頂處最大，即整體都表現出明顯的高程放大效應。值得注意的是，圖7（b）工況二坡頂處的加速度小于第一、二級階梯，這是因為在激振時工況二會產生更大的慣性力，兩者慣性力的差異主要體現在第二級階梯處，工況二的第二級階梯處比工況一的慣性力大，向前和向下作用于第一級階梯，最終導致工況二中第一級階梯被壓潰。因此，反映在圖7（b）中，即在第一級階梯陽角處的加速度放大系數甚至超過了坡頂的加速度放大系數。還可以從變化趨勢中看出，當激振幅值在0.2g～0.6g時，加速度放大系數隨激振幅值的增加而增大，超過0.6g時，增長幅度趨于平緩，而后加速度放大系數隨幅值的增加逐漸減小。這是因為隨著地震作用次數的增加，邊坡震裂損傷不斷累積。坡體的剪切應變增大，使得邊坡的自振頻率降低，阻尼比增大。同時，由于軟弱夾層的物理力學參數弱于巖體結構，地震波穿過軟弱夾層時的頻譜特性發生改變。隨著激振幅值的增加，邊坡沿著軟弱夾層滑動的趨勢逐漸顯著，加劇了邊坡中巖體地震動力響應的非線性特征，坡體的濾波作用增強。這一分析與0.6g時邊坡模型開始出現可見的震裂變形現象一致。

為了更加清楚地展示兩組工況中各平臺位置抵御地震時加速度響應的差異，引入工況二與工況一各平臺對應位置加速度放大系數比（ratio of acceleration amplification factor， RAAF）來判斷兩種工況動力響應的相對大小，如下式所示：

（1）

當 gt; 1時，說明工況二對應測點的加速度放大系數更大，動力響應更顯著；反之，工況一對應測點的動力響應更顯著。

從圖7（c）和（d）中可以看出，當激振幅值小于0.6g時，無論邊坡陰角還是陽角，總大于1，說明工況二對應測點的動力響應較工況一更顯著，這是因為工況二在激振過程中第二級寬平臺受到更大的地震慣性力，邊坡有更明顯向臨空面一側變形的趨勢。此時，第二級階梯陰角處承受更大的拉應力。當激振幅值超過0.6g時，整體呈現小于1的規律，說明工況二對應測點的動力響應較工況一輕微，這是因為工況二在高能量地震激勵后第二級階梯陰角被拉裂，邊坡進入加速變形階段，其巖體內部結構較工況一更為碎裂，裂隙的交替張閉耗散了一部分地震能量，導致工況二放大系數減小。因此，不同的坡面形態影響地震波在坡內的傳播規律，進而產生不同的地震動響應。以上分析表明均勻平臺寬度的邊坡具有較強抵御地震破壞的能力。

3.2 模型內的地震波傳播特征

基于對加速度放大效應的分析，路塹邊坡場地內的地震波傳播特性與坡面形態和軟弱夾層的存在有關。本節基于波在不同介質之間傳播特性的Snell定律，研究地震波在階梯式順層巖質邊坡中的傳播規律。以工況二為例，繪制地震波在邊坡場地內的傳播示意圖，如圖8所示，探討邊坡在地震作用下的失穩機制。其中，Snell定律是指入射角與透射角正弦之比等于入射區域波速與透射區域波速之比，示意圖如圖8（a）所示，表達式為：

注：圖中實線為地震波傳播路徑，虛線為界面法線。

（2）

本次輸入模型的地震動類型為水平向剪切波（SV波），初始入射方向垂直向上。地震波在邊坡模型中依次經過巖體和軟弱夾層，最終到達坡面發生反射。由于靠近邊坡后緣側下部存在基座，當地震波垂直入射時，部分波將通過基座與巖體的界面發生偏折。因此，根據地震波自模型底部入射到邊坡巖體的傳播路徑，將邊坡模型分為Ⅰ區和Ⅱ區，如圖8（b）所示。由基座、巖體和軟弱夾層三者的剪切模量關系可知，三者的剪切波速關系為V巖gt;V基gt;V夾。根據Snell定律，地震波通過界面1由基座入射到巖體時入射角小于折射角，即αlt;β；地震波通過界面2由巖體入射到軟弱夾層時入射角大于折射角，即βgt;γ。當地震波通過界面3從夾層進入巖體時，入射角小于折射角，即γlt;δ。同理，地震波繼續向上穿過巖體?界面?軟弱夾層?界面?巖體，最終到達坡面發生反射，此時，反射角=入射角，即η＝φ。此外，由于模型中夾層上下巖體屬于同種材料，所以剪切波速相同，即β=δ。

如圖8（b）所示，地震波在Ⅰ區斜坡段坡表發生向坡頂和陰角方向的反射，因此坡頂和邊坡陰角部位是地震波能量匯集的部位。在Ⅰ區平臺段，地震波沿著與垂直向上的入射方向呈一定角度向下傳播；在Ⅱ區斜坡段，地震波在坡表同樣發生向坡頂和陰角方向的反射；在Ⅱ區平臺段，地震波向下沿著與入射波平行的方向傳播至一定深度，與斜坡段的反射波疊加，形成復雜的應力場。這說明地震波在邊坡巖土體中傳播時，坡面形態將對波的傳播路徑產生影響，進而影響邊坡的動力響應。同時，地震波在傳播過程中遇到界面時將發生反射和折射，不同地震波還將疊加協同作用，導致巖土體張拉和剪切變形。

采用地震波傳播理論，當入射SV波通過巖體和軟弱夾層的界面時，會產生波場分裂現象，即同時產生反射SV波、反射P波、透射SV波和透射P波，如圖8（c）所示。每個界面受到來自下層入射的SV波和P波以及上層底部反射的SV波和P波，各種類型的波相互匯聚形成復雜的應力場。因此，地震波通過界面傳至坡表時，由于巖體阻尼對入射波有吸收作用以及應力波的反射機制，造成地震波能量的衰減效應，使得地震波傳播路徑較短位置處的能量損失少。因此，該階梯式順層巖質邊坡的第一、二級階梯坡表地震波能量比第三級階梯和坡頂大，這加劇了邊坡在第一、二級階梯的破壞程度。

如圖8（b）所示，Ⅱ區相對高程較低的第一、二階梯，地震波傳至該部位能量損失較Ⅰ區的第三階梯和坡頂少，坡面受到輸入地震波激勵作用而產生向臨空面變形的趨勢。值得注意的是，邊坡陰角部位受到上部結構的約束較大，且巖體抗拉強度低。因此，在地震波持續拉?剪作用下，第二級階梯應力集中的陰角處首先出現裂隙。隨著激振烈度的提高，邊坡的震裂損傷不斷累積，巖體出現大量裂隙，動力非線性特性逐漸顯現。然而，有一定張開度的裂隙，本身就是介質特性突變的部位，也將產生反射波并促進拉裂，使得巖體濾波效應逐漸增強。同時，剪切作用力還加劇了邊坡第二級階梯坡面的地震動響應強度。由于臨空面的存在，入射波與反射波疊加產生趨表放大效應。因此第二階梯陽角部位能量也較為集中，是易出現破壞的位置。同理，第一級階梯陰角處在高能量地震波集中拉?剪作用下出現裂隙，該裂隙向下擴展貫通至第一夾層。在地震波的持續激勵下，裂隙繼續向深部擴展至第二夾層，此時，較大的地震慣性力和高能量地震波在多裂隙界面形成的應力場疊加作用，加劇了巖體損傷累積，導致裂隙的瞬時動力擴展，從而加速了邊坡的破壞。最終，第一級階梯沿著軟弱夾層向下滑動并脫離坡體。綜上所述，可以解釋振動臺試驗中第二級階梯破壞嚴重以及第一級階梯處發生垮塌的現象。

3.3 模型破壞現象的機理分析

圖9展示了階梯式巖質邊坡隨著輸入地震波加速度幅值的增加而逐步破壞的發展過程，當激振加速度幅值為0.2g時，邊坡尚未出現明顯的裂隙。階梯陰角是邊坡地形陡緩變化的部位，極易產生應力集中。因此，該部位在地震波的拉?剪作用下最先產生破壞，在實際工程中須重點設防。當激振加速度幅值為0.6g時，瞬時的高能量激振加劇了陰角處的應力集中。隨著坡高的增加，邊坡表面的動力響應顯著，即表現出明顯的高程放大效應，在地震波張拉作用下造成工況一在第三級階梯陰角處出現一條初始裂隙。邊坡側面巖體出現平行于夾層走向的剪切裂隙，如圖9（a）所示；當激振加速度幅值達到0.8g時，坡體在地震波的反復拉?剪作用下，在各級階梯陰角處均出現了張拉裂隙，邊坡側面臨近坡表的軟弱夾層兩側出現了大量與夾層走向平行的拉?剪裂隙，此時，剪切作用力更為集中地作用在邊坡的陰角處，降低了邊坡抗剪強度與邊坡穩定性，如圖9（b）所示；當輸入加速度幅值為1.0g時，模型在地震波持續高強度剪切作用下，坡表裂隙持續加深、加寬，邊坡側面巖體裂縫發育密度增加。然而從坡體前部到后緣，裂縫的密度依次降低，說明地震波的橫向剪切作用對底部巖體的改造作用明顯，邊坡有沿著軟弱夾層向下滑動的趨勢，如圖9（c）所示。值得注意的是，雖然邊坡在多期地震作用下坡體內部和坡表存在多處裂隙，整體穩定性較差，但邊坡并未發生整體垮塌。這是因為邊坡內部和坡表發展的裂隙在激振過程吸收了部分地震能量，巖體濾波效應增強，阻尼比增加，導致邊坡出現“裂”而未“滑”、“松”而未“動”的震裂破壞。

相較于工況一，工況二表現出更加嚴重的破壞現象。當激振加速度幅值僅為0.2g時，第二級寬平臺相較其他平臺受到更大的慣性力，邊坡有向臨空面一側發生變形的趨勢。但由于此時地震波能量相對較小，邊坡未出現明顯裂隙。當激振加速度幅值為0.6g時，地震動力作用下的第二級階梯陰角部位首先出現拉裂隙。同時，由于邊坡受到高程放大效應的影響，在地震波拉?剪作用下模型側面高程較大的位置巖體發育較多平行于軟弱夾層走向的剪裂隙，并且有沿軟弱夾層滑動的趨勢，如圖10（a）所示；這一破壞現象在實際坡面起伏的巖質邊坡工程中經常出現，如青川縣紅光鄉三元壩多級階梯邊坡在汶川地震后，裂縫沿著邊坡陡緩變化部位擴展，即在邊坡的階梯陰角處發生拉裂變形，如圖10（b）所示。當激振加速度幅值達到0.8g時，作用于第二級階梯的地震慣性力更為顯著，表現為第二級階梯陰角處的張拉裂縫沿深度擴展，第二級階梯坡面產生多條與初始裂隙橫向接近平行的裂縫。由于臨空面放大效應和地震慣性力的協同作用，第二級階梯陽角位置的震裂變形表現出向坡外旋轉和傾倒，具體表現為裂縫在往復振動過程中發展方向沿邊坡臨空面發生彎轉，如圖10（c）所示。這說明邊坡陡立臨空面對振動過程較為敏感，是易發生震裂變形甚至破壞的部位。相似的現象也出現在2008年汶川地震中的青川縣房石鎮馬池梁邊坡，從圖10（d）中可以清楚地看到，坡體突出部位震裂裂縫變形強烈，裂縫順邊坡走向延伸時逐漸向邊坡傾向方向彎轉，即向弧形轉化，反映了邊坡穩定性逐漸惡化。邊坡側面巖體在激振催生的瞬時高能量拉?剪應力作用下出現與振動方向垂直的裂縫，裂縫呈拉裂性質，總體呈上寬下窄的楔形狀，向下逐漸延伸，有些裂縫與平行夾層走向的剪切裂隙相互貫通呈網格狀，使邊坡內部結構更加碎裂，削弱了邊坡的整體穩定性。激振加速度幅值達到1.0g時，邊坡破壞發展過程如下：當地震波加載到第一次能量集中釋放的第6 s時，由于第二級寬階梯受到強地震慣性力作用有向下沿軟弱夾層滑動的趨勢，加之上部邊坡結構在地震反復動力作用下不斷擠壓下部坡體，邊坡側面巖體的第一級階梯陰角部位出現了垂直振動方向的裂隙；地震波加載至第12 s時，邊坡側面沿夾層走向發展的裂縫在地震波的拉?剪作用下不斷張開閉合，且第一級階梯坡表處的拉?剪裂隙在持續激振作用下寬度急劇增大并繼續沿邊坡內部擴展，第一級階梯有沿軟弱夾層滑動的趨勢。值得注意的是，邊坡后緣在循環往復的激振作用下逐漸被拉裂，向遠離吸收邊界的方向運動；加載第29 s時，在地震波持續張拉作用下，第一級階梯被徹底拉裂，沿著軟弱夾層快速向下滑動并脫離坡體。在裂縫拉開的瞬間碎裂的巖塊掉入縫隙中，形成楔劈效應，使裂縫進一步擴展，如圖10（e）所示。加載結束后，邊坡后緣遠離吸收邊界8 cm，發生9 cm沉降，這說明邊坡上部結構沿軟弱夾層發生了滑動，震后的邊坡模型各平臺位置較初始狀態均有一定程度的下錯。汶川地震后有很多邊坡后緣被拉裂，發生明顯沉降，例如廣元市朝天區西北鄉高廟子斜坡在汶川地震的強烈作用下，坡體后緣產生50～120 mm貫通的張拉裂縫，后緣發生0.8～1.0 m的下沉，坡體上出現多處梯級張拉裂縫，如圖10（f）所示。試驗中兩種邊坡模型的最終破壞情況如圖11所示。根據邊坡的震裂累積破壞過程，可將破壞現象分為淺層蠕滑（0.1g～0.4g）、局部拉裂（0.4g～0.6g）、加速變形（0.6g～0.8g）和整體失穩（0.8g～1.0g）四個發展階段。模型試驗結果顯示，變形破壞模式總體表現為滑移?拉裂式。

4 討" 論

本文通過地震模擬振動臺試驗研究階梯式順層巖質邊坡的地震響應機制和震裂損傷效應，選取兩種不同寬度的階梯平臺邊坡，基于實時采集的試驗數據，分析階梯式順層巖質邊坡不同平臺位置的加速度變化規律，提出加速度放大系數比表征兩種邊坡動力響應的相對大小，重點探討不同坡面形態對應部位地震動響應的差異。通過Snell定律分析地震波在模型場地內的傳播規律，結合振動臺試驗中邊坡的破壞現象，闡明階梯式順層巖質邊坡模型在多期地震下的動力響應機制。振動臺試驗詳細地揭示了這兩種階梯狀順層巖質邊坡的破裂演化過程和破壞模式，直觀地反映了振動臺試驗結果與實際地震破壞現象的關系，有力地驗證了傳感器試驗數據。

在一系列的振動臺模型試驗中，第一條初始裂縫均出現在階梯的陰角部位，并依次在巖體中傳播擴展，隨著激振加速度幅值的提高，巖體沿軟弱夾層滑動趨勢明顯。最終，在高能量地震動激勵下，階梯狀順層巖質邊坡沿軟弱夾層出現剪切滑移。邊坡最終發生震裂破壞是地形地貌、地質構造、地層巖性以及地震動等多因素耦合作用的結果。文中試驗監測數據和分析方法與試驗加載時邊坡的震裂漸近破壞過程相吻合。本研究選取階梯寬度不同的兩種邊坡坡形來模擬人類活動和自然作用下邊坡可能呈現的形態，如：路塹邊坡、人工開挖的礦山以及自然作用下形成的黃土塬都呈現出階梯狀的特點。因此，選取的階梯式順層巖質邊坡模型具有較為廣泛的普適性。在試驗中裂縫均最先出現在階梯陰角處，說明階梯陰角是抗震薄弱部位，在實際工程中應重點設防。綜上所述，由于本文選取的邊坡模型兼顧了人類活動和自然作用共同的影響，因此，論文研究成果對地震作用下的邊坡工程既有實際的指導意義，也具有普遍性的示范應用價值。在未來進一步的研究中，還可通過改變邊坡的地質結構、地形地貌和動力學參數，建立巖體物理力學參數與邊坡破壞演化過程之間的關系，分析邊坡地震響應機理。此外，關于軟弱夾層的地震響應規律需要更多的試驗和數值模擬來驗證和探討，特別是關于軟弱夾層和邊坡形態之間如何相互影響，需要進一步定量研究和參數化分析。

5 結" 論

（1） 通過對階梯式順層巖質邊坡不同平臺位置的加速度放大系數分析表明，邊坡整體表現出明顯的高程放大效應。當激振幅值在0.2g～0.6g時，加速度放大系數隨幅值增加而增大；當激振幅值超過0.6g時，由于邊坡震裂損傷不斷累積，坡體的濾波作用增強，加速度放大系數的增加幅度趨于平緩。

（2） 提出加速度放大系數比判斷兩種邊坡動力響應的相對大小，分析表明均勻階梯寬度的邊坡具有較強抵御地震破壞的能力。

（3） Snell定律研究地震波在階梯式巖質邊坡中的傳播規律，地震波在邊坡巖土體中傳播時，坡面形態影響波在邊坡中的傳播路徑，進而影響邊坡的動力響應。地震波通過界面傳至坡表時，由于巖體阻尼對入射波有吸收作用以及應力波的反射機制，造成地震波能量的衰減效應。

（4） 根據邊坡的震裂累積破壞過程，將破壞現象分為淺層蠕滑（0.1g～0.4g）、局部拉裂（0.4g～0.6g）、加速變形（0.6g～0.8g）和整體失穩（0.8g～1.0g）四個發展階段。邊坡變形破壞模式總體表現為滑移?拉裂式。

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第一作者： 信春雷（1986―），男，博士，副教授。E-mail： xinchunlei@cdut.edu.cn

通信作者： 馮文凱（1974―），男，博士，教授。E-mail： fengwenkai@cdut.cn