边坡地震动力稳定性研究进展

郑旭辉，孙进忠，邵安阳，梁志华

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京　100083)



边坡地震动力稳定性研究进展

郑旭辉，孙进忠*，邵安阳，梁志华

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京100083)

摘要：回顾了我国边坡地震动力响应规律研究的发展历程，分析了边坡动力响应在边坡剖面上分布的节律性特点，简述了边坡动力失稳机制问题。对分散在大量相关文献中的边坡地震稳定性分析方法进行了归纳，按研究手段和分析原理2个方面进行分类，介绍了当前边坡地震稳定性分析的若干方法，并指出了各种方法的优势与不足。在此基础上，总结了当前边坡地震动力学研究中存在的若干问题，指出了形成以区域地震作用参数为准则的边坡地震动力稳定性评价体系对地震地质灾害的评估预测意义重大，指明了今后的研究方向。

关键词：边坡；区域地震作用；地震动力响应；地震稳定性；分析评价

0引言

地震滑坡因其巨大的致灾力而广泛引起人们的关注，仅20世纪，地震滑坡已经造成了全球数万人丧生，导致几十亿美元的损失。强烈地震时, 地震诱发的滑坡崩塌灾害，特别是在山岳地区，其危害比地震直接造成的还要大[1]。我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带活动十分活跃。特别是近年来，在山地、丘陵等多坡地带，地震引起斜坡的大面积变形，诱发坡体失稳，导致边坡崩塌、滑坡等地质灾害频发，造成了严重的经济损失和安全隐患。因此，边坡的地震稳定性分析和评估成为了工程学者们尤为重视的一项课题。目前边坡地震稳定性分析方法主要基于极限平衡理论和应力——变形分析[2]。按研究手段考虑，单体边坡地震稳定性分析的方法主要有理论公式法、数值模拟法和物理模拟法3类。然而，这些方法都存在各自的局限性，难以真正揭示边坡在地震作用下的动力特性。

四川汶川“5.12”大地震后，边坡的地震动力响应问题成为了研究的热点。边坡在地震作用下的加速度、速度和位移(简称三分量)分布规律能有效反应边坡的动力响应状态，为边坡的稳定性评估提供重要依据。因此，研究边坡地震动力响应的相关问题对于边坡地震稳定性的分析、评价有重要意义。

1边坡动力响应相关研究

1.1　边坡地震动力响应规律

我国较早研究岩体边坡的动力问题的学者是王思敬，他通过振动模拟试验探索并建立了边坡块体运动的动力微分方程，通过数值积分求得块体滑动的动力学特征[3]。丁彦慧等[4-5]、辛鸿博等[6]和王余庆等[7]通过对我国历史地震触发的数百例地震崩滑实例的研究分析，分别提出了判别地震崩滑相关准则和方法。孙进忠等[8]则在相关研究的基础上，提出了边坡地震崩滑三级评判准则。祁生文[9-10]在相关研究中通过大量动力数值分析发现，边坡动力响应的位移、速度、加速度3量放大系数等值线在边坡剖面上分布具有节律性特点：对于一定的岩土体材料，当边坡高度在一定范围内时，边坡动力响应的位移、速度、加速度3量在铅直方向会出现放大作用；而当边坡高度超过这个范围时，边坡动力响应的3量分布会出现铅直方向的节律性特点；边坡边缘部位对振动的反应幅值较之内部存在放大现象，随着水平深度的进一步增加，位移、速度、加速度3量在水平方向也出现节律性的变化。边坡坡度的变化对位移、速度、加速度放大系数等值线图的分布形式有明显影响，坡度决定了3量分布的等值线方向和极值区的走向。徐光兴等通过大型振动台模型试验[11]和FLAC3D有限差分软件建模分析[12]，研究了边坡的自振特性，也发现了边坡对输入地震波存在垂直放大和临空面放大作用，边坡土体对输入地震波低频部分存在放大作用，对高频部分存在滤波作用。坡面加速度峰值放大系数随输入地震波振幅、频率的增加而减小，持时对加速度峰值响应的影响不大；坡体位移随振幅、持时的增加而显著增大，随频率的增大而减小。强震作用下剪应变增量最大区域的位置和形状表明，单一均质土层边坡的破坏模式仍是沿着某一弧形潜在滑动面失稳。

汶川地震后，学者们对边坡动力响应问题给予了更多关注：谭儒蛟[13-17]等学者通过数值模拟、动力时程分析等手段，对边坡动力响应规律进行探索；谭成轩[18-22]等学者则通过对汶川地震引发的大量灾害实例分析，更加深入地揭示了边坡地震动力响应的规律。

对于边坡地震动力响应规律的研究，有助于进一步揭示边坡在地震作用下的失稳机制。

1.2　边坡动力失稳机制

学者们根据边坡的自振特性及其地震动力响应规律，通过分析大量的边坡崩塌、滑坡实例，采用计算机建模等有效手段，对边坡动力的失稳机制问题做出了大量的研究，也得到了较为显著的成果。

一般认为，地震对边坡会产生2种作用：1)地震惯性力的作用；2)地震产生的超静孔隙水压力迅速的增大和累积作用，这2种作用共同导致了边坡的失稳。对于不同的边坡破坏类型，这2种作用的作用强度也不同：对于塑性流动失稳破坏是孔隙水压力的累积作用起主导作用；崩塌型、层体弯折型则是地震惯性力起决定作用；对于滑动型破坏则视情况而定。对于后发型边坡失稳，则是由于地震的累积效应导致边坡岩体力学参数的降低，为后来的外地质应力创造了条件，最终导致了边坡的失稳破坏[9]。

边坡动力失稳机制的研究，对边坡的稳定性分析、评估有重要意义，更为边坡失稳破坏的预防和治理提供了重要的理论支撑。

2边坡地震稳定性分析的内容与方法

边坡地震稳定性分析是岩土工程的一个重要研究内容，并已经形成一个应用研究课题。稳定性问题涉及矿山工程、水利水电工程等诸多工程领域，近年来受到越来越多的关注，研究方法层出不穷。然而，由于边坡受多种因素综合影响，其稳定性常表现出复杂多样性、不确定性等特征[23]。

对于边坡地震稳定性分析的研究内容，刘红帅等[24-25]将其大致归纳为7个方面内容：

1)边坡地震反应分析方法的研究，即如何在边坡岩土体中考虑地震动作用；2)边坡岩土体的动力特性、强度准则及参数测试的研究；3)边坡地震破坏机理与失稳方式的研究，这是边坡地震稳定性分析的关键；4)边坡地震稳定性评价方法，这是边坡地震稳定性分析的核心；5)边坡地震稳定性评价指标与安全标准的研究，即工程应用的标准；6)边坡输入地震动的研究；7)边坡地震稳定性评价指标的计算精度，即边坡地震稳定性评价指标的可靠性等。

对于边坡地震稳定性分析方法和影响因素等问题，已经有大量学者进行了研究，如高艳平等[26]研究了神经元网络在预测边坡地震稳定性中的应用；黄骁等[27]结合Bishop法和Sarma法对山脚建筑物场地边坡稳定性进行分析评价；孙进忠等[28]通过数值分析法研究了结构面在岩体边坡地震运动中的影响；高磊等[29]通过数值分析手段对多层采空区条件下的高速公路路堑边坡稳定性进行分析；朱宏伟等[30]和梁义聪等[31]则基于拟静力法对边坡地震稳定性分析进行研究；Facciorusso J等[32]提出了边坡地震稳定性的三级区划法。此外，也有多位学者进行过总结[33-38]。总的来说，对于边坡稳定性分析，可按照研究手段和分析原理2个方面进行分类。

按研究手段考虑，边坡地震稳定性分析方法主要有理论公式法、数值模拟法和物理模拟法3类：

1)理论公式法采用岩土力学的计算方法，利用岩土物理力学参数与边坡受力状态之间的关系表征边坡的力学稳定性，方法简单、物理意义明确。但该法因不能考虑地震作用的动力过程而无法真正揭示边坡在地震作用下的动力特性。

2)边坡地震稳定性分析常采用的数值模拟方法有：有限元法、离散元法和快速拉格朗日元法。该法为研究边坡地震动力响应过程提供了可能，但尚存在建模对边坡结构及岩土物理力学参数的要求高、网格剖分尺度要求严、动力响应分析耗时长等问题。

3)物理模拟法按照物理相似原理制作相似物理模型，采用物理实验方法模拟边坡地震动力响应。该法能够较真实直观地反映边坡的薄弱部位、破坏过程和破坏方式，便于直接判断边坡的地震稳定性，是理论公式法、数值模拟法的重要补充和结果验证的依据之一[3,39]。但模型实验成本高、耗时耗力，而且边坡地震响应振动台模拟的物理相似性尚有争议，其预测的结果具有不确定性[40]，能否反映实际边坡的地震响应仍值得考虑。

按分析原理考虑，边坡地震稳定性分析方法可分为拟静力法、Newmark法和动力时程法：

1)国外采用拟静力法分析边坡地震稳定性早有先例，现在也仍在使用[41-42]，我国规范也将该法确定为分析地震边坡的常规方法。拟静力法将边坡受到的地震力用等价的常静力代替，采用静力稳定性分析的基本思想建立极限平衡方程，计算边坡的稳定安全系数。该法虽简单易行，但没有考虑地震动特性、土层动力性质及阻尼性质，无法反映土体在地震时的响应，也不能提供地震作用时破坏面的信息。褚雪松等[43]研究过拟静力法在边坡地震稳定性分析中的适用性。吕擎峰等[44]在分析了误差和不合理性产生的机理后，考虑地震惯性力，对拟静力法提出了改进，但仍未能解决这一问题。

2)Newmark法根据地震永久变形来评价边坡的稳定性[45]，该法得到了国内外学者的高度关注和深入研究[46]，并在工程中得到了大量应用。然而，Newmark法实际上是一个很粗略的计算方法，该法在分析边坡永久位移时，未考虑边坡岩体自身变形以及地震荷载作用下岩土体动态特性与静态特性之间的差异。此外，Newmark法求得的永久位移实际上是一个平均位移，并不能反映地震作用下边坡岩土体中各点位移的分布情况。

3)动力时程法能真实反映地震作用的动力过程，充分考虑地震动3要素(振幅、持时、频率)对边坡地震稳定性的作用和影响，可以更好地反映边坡的动力特性，但也存在建模复杂、计算量大等问题。计算过程中的数值积分精度及稳定性也有待解决，结果的可靠性与输入的地震动也有很大的相关性。

近年来，孙进忠及其合作者通过一系列研究，又提出了边坡地震稳定性的临界加速度分析、荷载增强分析、动力超载分析等方法[47-50]，为边坡稳定性分析提供了新的思路。

3边坡地震动力学研究中存在的问题

边坡动力问题属于多学科交叉性的复杂问题，虽然近年来有诸多学者进行了深入研究，也取得了很多成果。但其研究并未成熟，仍有很大的发展空间，也存在较多问题。归纳起来，当前对于边坡地震动力学研究主要存在以下几方面问题：

1)边坡地震稳定性的涵义不明确。边坡地震稳定性一般的命题应该是：相对于一定的区域设防地震作用，边坡是否会发生地震破坏失稳；需要比较的是使边坡发生破坏的地震作用(临界地震作用)与设防地震作用的相对大小，因此，应该属于超载稳定性问题。然而迄今为止，对于边坡地震稳定分析，除了孙进忠等[51-52]提出了地震超载稳定性的概念外，尚无其它文献报道。

2)边坡简化模型与实际情况的差异。虽然对边坡动力响应的规律进行了研究，但是这种规律性是在简化了模型的前提下得到的，也没有考虑动力作用过程中地下水的影响。对某一特定边坡只能判断动力响应的位移、速度、加速度分布形式，尚不能给出位移、速度、加速度放大系数的具体量值，只能做半定量的预测，距离工程应用尚有一定的距离，这也将是今后边坡动力响应规律研究努力的方向。

3)岩土体动力本构关系的研究有待深入。从目前的研究情况来看，多数研究还是基于岩土体静力本构关系，特别是计算机数值模拟时建立的模型，分析时均采用软件内置的静力本构关系，未考虑输入地震动力后相关参数和本构关系的变化。孙进忠等[53]曾对岩土介质动静力学参数与介质物理组构参数之间的关系进行过初步研究，但未能建立起介质的动力本构关系。对于边坡地震动力相关问题的研究，只有基于相应的动力本构关系，才能更好地揭示边坡动力响应规律。

4)边坡自振特性与地震动力破坏方式的关系问题。根据共振原理，边坡自振特性与边坡地震破坏之间必然存在一定联系。然而，迄今为止的边坡地震动力响应分析中，边坡自振特性与边坡地震动力响应和破坏方式的关系问题一直没有得到很好的重视。宋光明等[54]曾利用爆破振动研究过边坡的自振特性，但与边坡动力破坏方式的联系做得并不够；祁生文等[9-10]也曾关注过均质岩体边坡地震响应强度变化的节律现象，但是这种节律变化与边坡地震动力破坏方式的关系还有待进一步揭示。

5)边坡地震破坏失稳概率分析问题。地震发生有极大的不确定性，从而由地震造成的边坡地震破坏失稳状态也会有很大的不确定性。因此，对于边坡地震稳定性分析结果的不确定性必须有一个合理的估计，才能满足地质灾害评价预测的要求。然而查阅相关文献发现，现今对这一问题并无深入研究。Miles S.B等[55]，汪华斌等[56]曾采用Newmark方法分析边坡的临界地震加速度，再与区域设防地震加速度相比较判断边坡的地震稳定性，并利用设防地震加速度的超越概率估计边坡地震滑坡灾害的发生概率。这些分析方法对于地震波入射方向、地震动力作用方向、频率成分和持续时间等特征组合变化导致的边坡地震破坏失稳方式多样性的估计还远远不够。此外，迄今为止，尚无结合动力时程法分析边坡地震失稳概率的报道。因此，边坡地震破坏的概率如何分析，仍然有待解决。

4结论和展望

边坡地震动力响应问题是一个多学科交叉问题，研究难度较大。许多学者通过长期研究，对边坡自振特性、动力响应规律及其失稳机制进行了大量研究，取得了一些成果，形成了一系列的边坡地震稳定性评价准则、方法等，但是边坡动力学的相关研究仍未成熟，尚存在一些关键的科学问题亟待解决。例如，边坡地震稳定性涵义需要进一步明确；边坡的简化模型需要与实际情况更为匹配；岩土体动力本构关系的研究有待深入；边坡自振特性与地震动力破坏方式的关系研究涉及甚少；以及边坡地震破坏失稳概率分析问题。进一步深入研究以解决这些问题，并形成一套以地震作用参数为准则的边坡地震动力稳定性评价体系，将是地震地质灾害研究评价的重中之重。从学术角度而言，这些研究可以为边坡地震运动学研究奠定基础；而从工程实际价值角度而言，这不仅能帮助我们对边坡地震动力稳定性做出客观的分析和评价，而且可以为边坡地震灾害的防灾减灾提供有力的技术支撑，减少经济损失，降低安全隐患。

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Research Progress of Slope Dynamic Stability under Seismic Actions

ZHENG Xu-hui, SUN Jin-zhong, SHAO An-yang, Liang Zhi-hua

(School of Engineering and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing100083, China)

Abstract:In this paper, we review the development process of researches on laws of seismic dynamic response, analyze the rhythmic characteristics of dynamic response of slope on its cross section and describe the dynamic instability mechanism. We summarize the methods of dynamic stability analysis that are scattered in a large number of relevant literatures, classify them by research methods and analysis principle, and point out their advantages and disadvantages. On this basis, we summarize a series of issues that exist in the current study on seismic dynamic response of slope, point out the significance of forming an evaluation system of dynamic stability of slope by seismic action parameters and indicate the direction of future research.

Key words:slope; regional seismic action; dynamic response to seismic action; earthquake stability; analysis and evaluation

通讯作者：*胡斌(1966—)，男(汉)，高级工程师，河北省地震监测网络中心主任．E-mail：hubin@eq-he.ac.cn

作者简介：董一兵(1983—)，男(汉)，工程师，地球物理学，博士生，现主要从事测震台网工作．E-mail：yuehun06@163.com

基金项目：河北省科技支撑计划项目“河北省重点地区壳幔结构及地震监测预报关键技术研究”(13275407D)

收稿日期:2015-06-15

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2015.04.001

中图分类号:P315.9；X43

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2015)04-0001-05