堆积型边坡地震动模拟试验技术及分析方法研究　　　　　　　

堆积型边坡地震动模拟试验技术及分析方法研究

邓锡保1 刘 洋 2

1.中国广州局集团公司 深圳工程建设指挥部，广东 深圳 518000；2.中科（湖南）先进轨道交通研究院有限公司，湖南 株洲，412007

　　　　　　　

摘 要 堆积型边坡是自然界中常见的一种边坡类型，在地震作用下，本来就存在受力不稳可能性的堆积型边坡很可能发生滑坡、崩塌等严重自然灾害。针对堆积型边坡提出了一套高精确度的地震动模拟试验技术，分别从试验相似定理、试验制作和监测及试验地震波的选取上提出了意见，并提出堆积型边坡地震动模拟分析在宏观和微观角度下的分析方法，对堆积型边坡的模拟试验技术和结论分析有一定的参考作用。

关键词 堆积型边坡；地震动模拟；试验技术；分析方法

中图分类号：U213.1+3 文献标识码：A

1 堆积型边坡及其地震危害性

堆积型边坡是自然界中常见的一种边坡类型，由于其一般由地质构造作用产生，经过滑坡、崩塌和冰溃等物理方式进行松散堆积，因此堆积型边坡常常处于较为不稳定的受力状态。在我国西南部山区存在有大量的堆积型边坡，存在着较大的崩塌和滑坡可能性，严重威胁周围的道路、房屋、水电站等建筑的安全。地震是一种危害性较大的自然灾害，我国有许多条大型断裂带，穿越了大面积的国土范围，尤其在我国中西部，数条断裂带纵横相连，因此存在大面积的地震高烈度区域。

地震导致的坡体灾害可能是瞬间触发的，也可能是后发性的，前者是坡体承受的惯性力发生改变后直接发生灾害，后者是地震造成地表变形和裂缝增加，使得岩土体力学强度降低或地下水变化，为坡体灾害埋下隐患。在地震作用下，本来就存在受力不稳可能性的堆积型边坡还很可能会存在较大的场地效应和鞭梢效应等加速度放大效应，导致松散土质发生较大的应力集中和受力变形，最终形成滑坡、崩塌等严重自然灾害，乃至于出现堰塞湖、泥石流等次生灾害，将会严重损害国家和人民的生命财产安全，造成不可估量的损失。公开资料显示，我国关于坡体灾害的数量年均多达三万起，并导致数百人伤亡，直接经济损失数十亿。地震导致的滑坡已成为世界范围内的一项重要研究方向，2018年9月6日，日本北海道发生里氏6.7级地震，就造成了大量的山体滑坡，见图1。

图1 地震导致山体大面积滑坡

2 堆积型边坡地震动模拟试验技术

对于结构抗震性能的研究国内外学者已经有了较为丰富的成果，但对于堆积型边坡等特殊地质地形的研究还正在发展^[1~5]，在理论研究方面有极限平衡法、概率分析法和极限分析法等，在数值计算上也有FLAC 3D、PLAXIS 3D等分析软件，但在物理模拟方面只有通过振动台试验才有较好的试验效果。现有的地震动模拟试验技术还有较大的提升空间，在满足相似定理的条件下还可以有进一步提升空间。本文针对堆积型边坡提出了一套高精确度的地震动模拟试验技术，可供学者研究，试验流程为：

（1）确定相关物理量。根据Buckingham π定理^[6]，可以确定振动台试验的相关物理量，当前的研究对物理控制量大多不够精确，分析整理可知，主要应该满足几何尺寸、质量密度和加速度的要求，并应该据此推导出粘聚力、弹性模量、内摩擦角、泊松比、重度、剪切波速、频率、角位移和线位移等物理量。

（2）试验模型制作及测点安置。试验材料可以采用河砂、石膏、粘土、水、砂卵石等，并据此制作滑体、基岩等结构，本文制作出的结构如图2所示。

图2试验模型图

此外，应该充分参考地震动作用下边坡动力响应数值计算结果和己有研究成果的，据此选用适当的传感器，主要可以使用加速度传感器、位移传感器和土压力传感器。

（3）进行试验。振动台试验主要采用输入加速度时程来实现地震波的模拟，对输入地震波进行归一化处理，通过调节其幅值来施加不同加速度峰值的单向地震动时程。现行常用的地震波有汶川卧龙地震波、Kobe地震波、EL Centro地震波等。

3 堆积型边坡地震动模拟分析方法

边坡在地震作用下的试验模拟分析主要可以从宏观和微观方面进行考虑。在宏观上可以分析边坡在地震下发生的裂纹产生及其发展规律、坡体角度变形、振动幅度、滑体变形规律等，在微观上可以分析边坡测点的加速度、位移和土压力等直接数据，以及模型自振频率、傅里叶谱、HHT变换谱等相关规律，以本文进行的试验为例，得出坡体中部在输入波峰值加速度为0.5g的情况下垂直向加速度时程曲线和傅里叶谱见图3及图4。

图3 测点加速度时程曲线

图4 测点傅里叶谱曲线

根据图3的测点加速度时程曲线可知，边坡中部的加速度峰值在0.4g以内左右波动，且波动较为均匀，因此边坡中部位置在此时还处于比较稳定的状态，在输入地震波结束后其恢复状态也较为平缓，因此此时的边坡中部大概率是安全状态。由图4的测点傅里叶谱曲线可知，该点处的卓越频率为10Hz，且在5~15Hz范围内有较为均匀的波动，卓越频率幅值也并不十分突出，因此其频率效应也不很明显。因此，在加速度时程曲线及傅里叶谱曲线的反映下，该点处的地震动响应在微观下不明显，有较大可能处于安全状态。

4 结 语

堆积型边坡是自然界中较为常见且危险性较大的一种地理类型，在地震频发区域严重威胁沿途的交通、水利水电等建筑安全，还可能导致巨大的次生灾害。本文针对堆积型边坡提出了一套高精确度的地震动模拟试验技术，分别从试验相似定理、试验制作和监测及试验地震波的选取上提出了意见，并提出堆积型边坡地震动模拟分析在宏观和微观角度下的分析方法，并进行了案例分析。本文对堆积型边坡的模拟试验技术和结论分析有一定的参考作用。

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