青藏高原东南三江流域黄土类堆积体斜坡地震作用下的动力响应试验研究

唐学武 王晨 郭明珠 陈学良 曾金艳 张合 王志颖

摘要：青藏高原東南三江流域广泛存在堆积体斜坡，该类斜坡极易演化为滑坡灾害。以四川巴塘下归洼斜坡为例，通过振动台模型试验研究地震诱发的堆积体滑坡动力响应特征与破坏模式。试验结果表明，在地震作用初期，由于孔隙被挤密，斜坡的自振频率增大；在茂县波激励下，斜坡肩部动力响应最强烈。高幅值茂县波激励下，因斜坡整体刚度降低，放大效应减弱。Hibert谱描述了地震波在斜坡中的传播特征，向斜坡顶部传播时，地震波高频能量显著增强，地震波经过堆积层后，放大效应减弱。在足以致使堆积层滑动的强震作用下，坡表一定深度下动力响应呈现一致剧烈现象，斜坡上部会形成“脱离体”，“脱离体”在地震作用下上下颠簸运动;在临滑时，坡表出现最强烈的动力响应。斜坡的破坏模式为：地震初期，在重力和地震耦合作用下，坡表土体剥落;随地震幅值增加，坡肩与堆积层发生明显相对位移，堆积层表面出现裂缝;最终，坡脚发生明显相对位移，随后堆积层偏离基岩加速滑塌。基于地震信号特征的斜坡堆积层滑落过程可分为三阶段：（1）稳定阶段;（2）临滑阶段;（3）滑移阶段。

关键词：堆积体斜坡; 振动台试验; 时-频域特征; 边坡工程; 动力响应

中图分类号： P319.56      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2024）03-0536-12

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230127001

Experimental study on the dynamic response of accumulation slopes under earthquake action in Three-rivers Basin， southeast Tibetan Plateau：a case study of the Xiaguiwa landslide in Batang， Sichuan Province

TANG Xuewu1， WANG Chen2，3， GUO Mingzhu3， CHEN Xueliang2，ZENG Jinyan4， ZHANG He5， WANG Zhiying3

（1. Hunan Earthquake Agency， Changsha 410004， Hunan， China;2. Institute of Geophysics， CEA， Beijing 100081， China;3. Department of Urban Construction， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China;4.Shanxi Earthquake Agency， Taiyuan 030021， Shanxi， China;5. Hebei Earthquake Agency， Shijiazhuang 050001， Hebei， China）

Abstract： The three-river basin of the southeast Qinghai—Tibet Plateau has widespread accumulation slopes， which can easily evolve into landslide disasters. In this study， the dynamic response characteristics and failure modes of earthquake-induced accumulation landslides in the Xiaguiwa slope in Batang， Sichuan Province， were investigated with shaking table model tests. Results show that the natural frequency of the slope increases because of the compaction of pores in the early stage of earthquake action. Under the excitation of a Maoxian wave， the slope shoulder responds strongly. Under the excitation of a high-amplitude Maoxian wave， the amplification effect weakens because of the decrease in the overall stiffness of the slope. The Hibert spectrum describes the propagation characteristics of the seismic wave in the slope. When propagating to the slope top， the high-frequency energy of the seismic wave is considerably enhanced. The amplification effect weakens after the seismic wave passes through the accumulation layer. Under the action of strong earthquakes， the response of the slope surface at a certain depth shows a consistent and violent phenomenon. The upper part of the slope will form a “detachment body”， which will show upward and downward jerky motion under earthquake action. The strongest dynamic response appears at the slope surface approaching a slip. The characteristics of the failure mode of the slope are as follows： in the early stage of the earthquake， soil peeling occurs on the slope surface under the coupled action of gravity and earthquake; as the earthquake amplitude increases， relative displacement occurs between the slope shoulder and the accumulation layer， and cracks appear on the surface of the accumulation layer; finally， obvious relative displacement occurs at the slope toe， and the accumulation layer deviates from the bedrock and accelerates to collapse. The sliding process of the slope accumulation layer can be divided into three stages according to the characteristics of seismic signals： （1） stable stage， （2） impending slip stage， and （3） slip stage.

Keywords：accumulation slope; shaking table test; time-frequency domain characteristics; slope engineering; dynamic response

0 引言

青藏高原位处地中海—喜马拉雅地震带，在印度与欧亚板块的持续碰撞挤压作用下，新构造运动强烈，活动断裂发育，强震频发［1］。大量震例表明，在青藏高原东南三江流域，地震诱发地质灾害的主要类型是滑坡和崩塌，具有数量多、分布广、危害大的特点［2］。由于风化和构造作用，该区的岩质斜坡往往在坡表堆积了一层相对于下部基岩更软的土或岩体（一般为耕地土、砾石土、黏土等），形成堆积体斜坡［3］。堆积体斜坡堆积层多孔隙、节理垂直、结构松散，对地震动敏感，在强震作用下易发生变形破坏，演化为大规模、破坏性的滑坡［4］。在同震滑坡中，堆积体滑坡因分布范围广、规律性差、防治难度大，需额外注意。典型的堆积体滑坡有三峡库区卧沙区滑坡［5］、汶川罐滩滑坡［6］、紫坪铺古滑坡［7］、唐家山滑坡［8］、小林村滑坡［9］、永光村滑坡［10］等［11］。青藏高原东南三江流域横跨青藏高原东南的高山峡谷区与藏北高原区，且断裂带繁多，地质环境脆弱，灾害频发。堆积体滑坡是三江流域广泛存在的一类滑坡，发生时除造成直接经济损失、人员伤亡外，还常导致堰塞湖发生［12］。因此，探究强震作用下堆积体滑坡的动力响应特征和破坏模式是十分必要的。

国内外研究者针对地震滑坡的动力响应特征与破坏模式曾开展大量研究，采取了理论分析［13-14］和数值模拟［15-16］等多种方法。近些年来，物理模型试验由于在斜坡地震动力响应定量研究方面的优越性而被广泛使用［17-19］。梁敬轩等［20］通过室内物理模型试验，对堆积体斜坡中基-覆界面及坡面、倾角对堆积层的动力响应影响进行了研究，得出堆积体斜坡的破坏模式由三者共同控制。张泽林等［21］研究地震振幅对黄土-泥岩斜坡动力响应特征的影响并分析了其破坏模式。Cao等［22］基于振动台试验结果，研究了降雨和地震耦合作用下风化层堆积体斜坡的动力响应和破坏模式。Ma等［23］使用振动台试验对黄土-基岩斜坡的破坏模式进行研究，并使用数值模拟进行验证对比。Chen等［24］基于能量角度对地震作用下黄土-基岩斜坡的能量特征进行了研究，并用能量突变表征斜坡损伤。Zhou等［19］和Chen等［25］对多次不同振幅和方向地震作用下堆积体-基岩斜坡的损伤演化进行了研究。Yu等［26］着重研究了跨断裂带黄土-泥岩斜坡的动力响应特征。以上关于地震下堆积体斜坡的研究对于破坏模式的描述主要依据的是表观的破坏特征，而更为深入的、关于堆积体斜坡整体的动力特性，以及动力响应与滑坡发生时的关系却很少有涉及。

本文选取青藏高原东南三江流域巴塘县典型滑坡点，概化模型以开展堆积体斜坡振动台模型试验，研究堆积体斜坡在地震作用下的动力响应特征与破坏模式，揭示了斜坡临滑动力响应特征。结论对堆积体斜坡的防治以及边坡工程领域的发展有一定价值。

1 试验概述

1.1 研究区概况

下归洼滑坡位于金沙江沿岸，长约1 850 m，宽约1 000 m，面积约为1.7×106 m2，滑坡平均厚度约40 m，体积约4.9×107 m3，滑坡后缘高程约3 200 m，前缘高程约2 500 m。根据出露地层判断，下归洼滑坡被分为A、B、C、D四个区域：A区为滑坡主要滑动区，目前处于稳定状态，该区域的岩层严重弯曲和断裂；B、C区坡面部分附着松散堆积层，受到地震作用有发生滑坡的危险；D区坡表主要为岩石，最右侧覆盖松散堆积层[图1（a）]。

滑坡区位于巴塘与雄松—苏洼龙（金沙江断裂带）西支两个活动断层之间［图1（b）］。巴塘断层（F1）走向NE30°，倾向NW，约200 km长，是一条以右旋走滑活动为主的全新世活动断裂带，全新世晚期以来的水平滑动速率为3～4 mm/a，历史上触发了多次6.0级以上地震［27-30］;雄松—苏洼龙（F2）断层走向近SN，约300 km长，古新世以来经历了几百千米的右旋走滑运动［31-32］。研究区下部基岩为二叠系下统P1角闪岩和云母片岩，堆积层为第四系全新统Q4冲积、冲洪积、崩坡积堆积物［图1（a）］。

1.2 试验设备

振动台试验在北京工业大学国家重点试验室地震模拟振动台设备上完成，表1所列为振动台设备参数。

1.3 相似关系及相似材料制作

π定理是量纲分析法的正规形式，π定理和量纲分析法对模型参数的确定起到重要作用。虽然量纲分析中出现的任意函数的具体形式未知，但只要保持无纲量不变，则模型的行为与原型等价［33］。

根据Buckingham π定理和量纲分析法，结合以往岩质斜坡振动台模型试验研究，确定本次试验基本量纲的相似常数［34］。选取模型几何尺寸L、密度ρ和时间t作为基本控制量。受限于试验条件，相似常数分别取为CL=100、Cρ=1、Ct=10，推导出的模型主要物理参数相似比如表2所列。

1.4 相似材料制作

硬岩和软岩原型分别为青藏高原地区广泛存在的角闪岩与云母片岩。角闪岩物理力学参数通过单/三轴与巴西劈裂試验获取，云母片岩物理力学参数参考现有资料进行取值［35］。基岩上堆积层使用黄土掺少量碎石，以模拟堆积层真实情况。

将各种选材因素纳入考虑范围，参考斜坡模型试验常用的几种相似材料及不同配比下的物理力学参数［36］。模型斜坡中有两种岩性岩块，岩块采用粉质黏土、石膏、石英砂、甘油和水作为模型的相似材料，通过点荷载等试验确定模型材料的材料配比和物理力学参数，结果如表3、4所列。

1.5 模型制作

以下归洼滑坡B、C区为基础，设计了如图2所示的试验模型。斜坡模型的制作在模型箱内完成，制作模型的空间顺序为由下到上、由里到外，提前预制好的岩块逐块砌筑，最后在砌筑完成的基岩坡上铺上土层以模拟斜坡上覆的堆积层。斜坡模型的详细制作流程为：（1）查阅模型试验相关资料，结合量纲分析法和π定理确定模型材料的相似比和物理力学参数。（2）准备原材料，人工将原材料搅拌均匀为流态，使用不同规格的模具将原材料制作为预制岩块。（3）在模型箱底部铺设土层并夯实，铺设土层高为10 cm，底部土层的存在可以防止模型斜坡底部横向的滑动位移，同时在模型箱的X向两侧增设

5 cm厚泡沫板以减少边界效应对试验结果的影响。（4）由里到外，由下到上逐块地将预制块分层砌筑。根据以往的相似试验，同时为保证岩块与滑动面的强度差，层间滑动面使用黏土、石膏和少量滑石粉材料模拟。（5）在基岩坡砌筑完成后，在坡表铺设15 cm厚的黄土层掺少量碎石，并使用手动夯实器夯实。最终成型的斜坡如图3所示。

1.6 传感器布设与加载方案

为研究斜坡的动力响应特征和动力特性，在斜坡的坡表和坡内布置共计22个加速度传感器，同时在振动台台面上布置1个加速度传感器作为基准点。传感器全部布置在模型中间的纵剖面上以减轻边界效应，如图4所示。

试验输入的地震波采用天然波和人工波两种类型，加载方向为X向。天然波为汶川地震中茂县监测台站实测到的茂县波，茂县地震波持续了300 s;人工波采用100年超越概率为10%（100 a-10%）的地震波和10 Hz正弦波（正弦波作用为使斜坡破坏）。以往研究采用的地震波大多为单峰或双峰的地震波，很少有考虑到地震波峰值持续时间比较长的情况，且很少考虑输入地震波的合理性。根据当地潜在震源区特征，使用中国地震局XQH4.0軟件人工合成了一条100年超越概率为10%人工波。茂县波和100 a-10%地震波的时程曲线和频谱特征曲线如图5所示。图中所展示的地震波为茂县波原波，加载波形为时间压缩比10倍的茂县波。地震波的加载幅值选取0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g、0.8g和1.0g，详细加载次序见图6。

2.1 动力特性

斜坡的动力特性和动力响应特征分别可以对斜坡的地震特征进行定性和定量分析。斜坡的动力特性可以反映斜坡动力响应的内在规律，斜坡的固有动力特性包括自振频率和阻尼比，可以通过传递函数获得［37］。在本试验中，传递函数是斜坡的动力特性在频域内的形式，即斜坡本身对输入信号在频域中传递特性的描述，将获得的传递函数峰值进行归一化后得到加速度模式，再采用半功率带宽法计算阻尼比。

图7（a）为通过传递函数法获取的斜坡初始自振频率。图7（b）为地震波加载历程中自振频率和阻尼比变化曲线。由图7（b）可以看出，经过地震作用之后，斜坡自振频率下降，阻尼比上升，这与前人的研究结果相同，验证了我们所进行的试验的合理性［37-38］。在0.1g地震波作用后，斜坡自振频率上升，阻尼比下降，说明斜坡此时内部的块体间发生相互碰撞、挤压，导致块体间空间被挤密。因此，此时自振频率和阻尼比的变化趋势与正常情况下相反。真实斜坡在遭遇最初的地震时，也可能会由于地震的强烈作用导致内部岩体相互碰撞、挤密。

2.2 动力响应基本规律

为研究斜坡各位置动力响应特征，选取峰值场地加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）放大系数为分析参数，定义PGA放大系数为各监测点的峰值加速度与台面监测点的峰值加速度之比，以此来反映斜坡上各点动力响应的强弱关系。

为研究堆积体斜坡在地震作用下的基本动力响应规律，选取幅值为0.1g和0.5g的茂县波、幅值为0.5g的100 a-10%人工合成波和幅值为1.0g的10 Hz正弦波（滑动过程中）作为输入条件，绘制斜坡PGA放大系数等值线图。由图8可以看出，斜坡未滑动时，在地震波激励下，斜坡顶部的PGA放大系数最大。除此之外，相对于斜坡其他位置，斜坡中部土层的PGA放大系数也有明显增大现象。堆积体斜坡也存在动力响应在坡脚减弱的现象，这可能是由于斜坡底部平面给斜坡表面的堆积层附加了约束［39］。

在茂县波和100 a-10%人工合成波激励下，斜坡上的动力响应分布是相似的。高幅值茂县波激励下，因斜坡整体刚度降低，斜坡的PGA放大系数减小。在1.0g幅值、10 Hz正弦波激励下，由于此时斜坡堆积层发生滑动，斜坡靠近坡表大概350 mm深度范围内的动力响应很强烈，PGA放大系数大于1.9的区域约占整个斜坡剖面面积的一半。此时，PGA放大系数在坡表中部达到最大值。由此可见，当发生幅值比较大的地震时，此类斜坡可能会诱发比较严重的灾害。总而言之，在堆积层未滑动时，斜坡上覆的堆积层对斜坡动力响应并无大的影响。而在致使堆积层滑动的强震作用下，坡表处动力响应明显强于其他位置，动力响应最强的位置位于坡表1/2高程处两侧。

3 斜坡动力响应特征

地震波在斜坡中传播时会引起斜坡振动。根据前人的研究，斜坡动力响应在空间上的变化规律可用“高程效应”和“趋表效应”来表示。“高程效应”表现为随斜坡高程增加，斜坡动力响应呈增大趋势;“趋表效应”表现为越接近坡表，斜坡动力响应越剧烈。

3.1 斜坡高程效应

图9为在0.1g茂县波激励下堆积体斜坡堆积层两侧不同高程处的Hibert谱热图，第1列和第2列测点由上到下分别为A13～A17和A18～A22。Hibert谱清晰地描述了地震能量在时域和频域上的分布。结合堆积层同一侧的测点可以观测出地震能量沿高程的分布呈现出“高程效应”。在0.1g茂县波激励下，基覆层两侧地震信号的频率在斜坡底部主要集中在30 Hz左右;随高程增加，低频能量转为高频能量，斜坡中上段的A16、A17、A21和A22信号频率主要分布在30～40 Hz。地震能量主要分布在5～10 s，和茂县波时程图峰值区域所在时间区域一致;10 s后信号频率主要分布在30 Hz左右;由于斜坡体的滤波作用，随着高程增加，10 s后的地震能量减弱。与堆积层左侧相比，坡表的地震能量峰值所对应的频率更低，这是由于堆积层对地震波的改造作用。

3.2 斜坡趋表效应

图10为0.1g～0.3g幅值茂县波激励下斜坡不同水平面上PGA放大系数曲线。由图10可以明显看出，在斜坡不同高程上的水平面上，由内到外，斜

坡PGA放大系数变化规律不一致：在斜坡底部和斜坡1/4高程水平面处，PGA放大系数由内到外先增大，靠近坡表时减小;在斜坡1/2高程水平面上，PGA放大系数在坡表减小;在斜坡3/4高程水平面上，坡表PGA放大系数最大，这证实了堆积体斜坡破坏从坡肩开始破坏。在斜坡底面、1/4和1/2高程水平面上，坡表附近的PGA放大系数均有减弱现象，这与董金玉等［40］和吴志坚等［41］所得到的距离坡表越近，PGA放大系数越大不同。根据Indraratna等［42-43］的研究，认为动力响应在坡表附近减弱的原因是地震波在强度较低的材料中的透射能力非常弱。材料所具备的这种特性可能是因为地震波传播时导致材料振动，在层间颗粒的崩解与交错运动时使地震波的能量被吸收掉一部分。

4 堆积层滑动状态下斜坡动力响应

图11为1.0g幅值、10 Hz正弦波激勵下斜坡坡表的地震波时程曲线。在斜坡堆积层处于滑动状态时，堆积层的动力响应有明显增大，且滑动状态下地震波时程曲线形态发生了畸变。在坡表下段，畸变并不明显，而在坡表中上段明显可以看到地震波时程曲线后半段的形态发生了变化，呈收缩状。此时斜坡上覆土体发生滑动，PGA放大系数最大的位置位于时程曲线的前半段，可以推断坡表最剧烈的动力响应的产生原因是在强烈地震作用下，斜坡堆积层发生颠簸，而不是堆积层滑动导致的。

在1.0g、10 Hz正弦波激励下堆积层发生滑动，图12为在该正弦波激励下斜坡PGA放大系数在坡表和坡内沿高程向和水平向的变化曲线。在坡表0～1/4高程段和坡内0～1/2高程段，PGA放大系数随高程增加而增大，到此位置后无论是坡内还是坡表的PGA放大系数均保持在一个很大的数值上，可以说明斜坡在此位置以上的动力响应均很强烈。而在水平向上，在1/4和1/2坡高的水平面上，随着距离坡表越来越近，斜坡PGA放大系数先增大，而后相似地保持在一个很大的数值上。在强震作用下，斜坡一定高度以上坡表附近会形成一定区域的“脱离体”，“脱离体”和斜坡下部的反应有区别，波动剧烈，该区域内的动力响应也比较相似。

根据高速摄像机拍摄的试验过程，堆积体斜坡的破坏过程可分为三个阶段（图13）：

第一阶段（稳定阶段）：地震初期，堆积层在重力和地震力的耦合作用下出现表层岩土体剥离现象，坡脚出现大量剥离的岩土体（为使斜坡缝隙符合常态的低幅值地震波～0.5g）;

第二阶段（临滑阶段）：在斜坡顶部，坡肩和堆积层发生明显相对位移，堆积层上部和坡表1/4～1/2高程处出现裂缝（0.5g～0.8g）;

第三阶段（临滑阶段和滑移阶段）：坡脚发生明显相对位移，随后堆积层偏离基岩加速滑塌（0.8g～1.0g、10 Hz正弦波）。

由地震作用直接导致的堆积体滑坡可以划分为三个阶段：（1）稳定阶段，堆积层斜坡未发生滑坡且堆积层动力响应不强烈;（2）临滑阶段，堆积层处出现滑坡发生前后最剧烈的振动，该时刻堆积层具备最大的峰值加速度，整个斜坡的上部具备相近的峰值加速度;（3）滑移阶段，由于第二阶段破坏了基岩滑床和堆积层之间的黏结，导致发生滑坡。

5 讨论与结论

本文基于振动台模型试验，研究了地震作用下堆积体斜坡的动力响应特征与破坏模式，选取了匹配当地特征的地震动——100年超越概率10%人工波，重点研究了堆积体斜坡临滑时斜坡的动力响应特征。根据试验结果，相比于茂县波激励，100 a-10%人工波激励下堆积体斜坡PGA放大系数较小。与茂县波激励下斜坡动力响应放大区集中于坡肩相比，100 a-10%人工波激励下坡表中部也有相对较大的放大效应，这些现象与地震波的频谱成分有关。在由地震引发的堆积体滑坡中，最强烈的动力响应出现于滑坡发生前的一小段时间内。在强烈地震作用下，斜坡临空面附近会与斜坡下部发生脱离，在非常大的峰值加速度下振动。

该试验揭示了堆积体斜坡在地震作用下的动力响应特征和破坏模式，为此类斜坡的防治提供了依据，尤其对基岩坡角为45°的平铺型堆积体斜坡具有重要参考价值。主要结论如下：

（1） 在地震作用下，斜坡的自振频率呈降低趋势，而阻尼比呈增大趋势，但在地震最初作用阶段，规律与此相反。常态下，斜坡坡肩动力响应最剧烈，坡表中部也有比较明显的动力响应。常态下，不同地震波作用时，斜坡动力响应特征相似。因为斜坡整体刚度的下降，0.5g幅值茂县波激励下的PGA放大系数小于0.1g幅值茂县波。在致使堆积层滑动的地震作用下，斜坡坡表附近动力响应强烈，PGA放大系数最大处位于坡表中段两侧。

（2） 随高程增加，斜坡能量呈增大趋势。地震波到达10 s后（地震波达到峰值）的地震能量减弱，高频段的斜坡动力响应放大比低频段强烈，高频段峰值随斜坡高程增加逐渐增大，而低频段峰值在部分区域减小。

（3） 在不同高程水平面上，由坡内到坡外，PGA放大系数变化规律不同。在斜坡底面、1/4高程水平面和1/2高程水平面上，坡表附近的动力响应有减弱现象。100 a-10%人工合成波激励下的斜坡动力响应弱于天然波。

（4） 在足以造成斜坡堆积层滑动的强震作用下，坡表PGA放大系数最大值出现在堆积层滑动前，是因为在地震作用下斜坡堆积层发生颠簸。在强震作用下，斜坡一定高度以上靠近坡表的位置会形成一定区域的“脱离体”，发生剧烈的振动。斜坡堆积层滑落过程可分为三阶段：（1）稳定阶段;（2）临滑阶段;（3）滑移阶段。

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（本文編辑：贾源源）

基金项目：国家重点研发计划资助项目（2018YFC1505001）；国家重点研发计划项目（2023YFC3007305，2019YFC1509403）；国家自然科学基金（51978633，51678537）

第一作者简介：唐学武（1987-），男，湖南邵阳人，硕士研究生，工程师，主要从事工程场地地震安全性评价，活动构造，地震工程地球物理勘探方面的研究。E-mail：527480544@qq.com。

通信作者：王 晨（1998-），男，黑龙江牡丹江人，博士研究生，主要从事链生地震灾害与震源模拟方面的研究。E-mail：1422896940@qq.com。

唐学武，王晨，郭明珠，等.青藏高原东南三江流域黄土类堆积体斜坡地震作用下的动力响应试验研究：以四川巴塘下归洼滑坡为例［J］.地震工程学报，2024，46（3）：536-547.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230127001

TANG Xuewu，WANG Chen，GUO Mingzhu，et al.Experimental study on the dynamic response of accumulation slopes under earthquake action in Three-rivers Basin， southeast Tibetan Plateau： a case study of the Xiaguiwa landslide in Batang， Sichuan Province［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：536-547.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230127001