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期刊: Landslides

作者: Yingbin Zhanga, Yao Xiaoa, Xiaofu Huangb, Pengcheng Yua, Dejian Lia, Qingdong Wangc, Dongliang Huangd & Xianqing Chenga.

工作單位: a: 西南交通大學(xué)

              b: 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院

              c：蘭州交通大學(xué)

              d：中南大學(xué)

大量證據(jù)表明，地震誘發(fā)的落石比重力誘發(fā)的落石具有更強(qiáng)的移動(dòng)性?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)一致表明，落石在移動(dòng)過(guò)程中往往伴隨坡面搖動(dòng)。為探究坡面搖動(dòng)對(duì)落石移動(dòng)性的影響，開展了一系列超過(guò)3000次的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)考慮了地震動(dòng)特性（振幅和頻率）、落石性質(zhì)（形狀和初速度）以及坡面條件（平坡和凸坡）等多種因素。采用方差分析和軌跡分析方法，系統(tǒng)地總結(jié)了不同條件下落石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其影響因素。其中，滑出距離和側(cè)向位移是分析的主要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，地震動(dòng)在決定落石運(yùn)動(dòng)學(xué)特性方面起著至關(guān)重要的作用。其中，地震荷載的振幅對(duì)落石的運(yùn)動(dòng)學(xué)行為有顯著的影響。與無(wú)地震荷載的情形相比，較大的振幅會(huì)導(dǎo)致落石移動(dòng)性更強(qiáng)，滑出距離和側(cè)向位移也顯著增大。落石的運(yùn)動(dòng)具有很強(qiáng)的內(nèi)在隨機(jī)性，其滑移距離和側(cè)向位移分布近似服從高斯分布。此外，落石的形狀是影響其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的另一個(gè)重要因素。側(cè)向邊緣較多的落石滑移距離和側(cè)向位移較大。這些發(fā)現(xiàn)有助于闡明邊坡震動(dòng)與落石運(yùn)動(dòng)之間的復(fù)雜關(guān)系，從而更深入地理解地震事件的動(dòng)力學(xué)和潛在危險(xiǎn)。

圖1 瀘定地震和尼泊爾地震引發(fā)的山體崩塌造成房屋和基礎(chǔ)設(shè)施損壞（作者拍攝）

圖2 振動(dòng)臺(tái)、傳動(dòng)裝置、邊坡模型實(shí)景及示意圖

圖3 試驗(yàn)所用落石樣本及簡(jiǎn)化示意圖：(a) TP，(b) QP，(c) PP，(d) HP

圖4 最大誤差與試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系。(a)給出了兩種位移在5%置信度下的擬合曲線及置信區(qū)間，并給出了各擬合曲線的方程及擬合優(yōu)度R2。(b)擬合曲線的一階導(dǎo)數(shù)

圖5 所有平行試驗(yàn)結(jié)果分布。(a) 所有落石的位移及位置分布曲線。(b) 不同形狀落石的滑行距離與側(cè)向位移箱線圖

圖6 在不同頻率、振幅和形狀效應(yīng)下位移的三維表面圖。左圖為滑行距離，右圖為橫向位移

圖7 不同落石形狀的長(zhǎng)細(xì)比對(duì)落石在振幅為600 cm/s2、頻率為6 Hz的地震動(dòng)作用下運(yùn)動(dòng)的影響。(a) 滑出距離。(b) 橫向位移

圖8 在不同試驗(yàn)條件下進(jìn)行的60次平行試驗(yàn)中，不同形狀落石的滑出距離和側(cè)向位移分布直方圖同時(shí)包含最大值、最小值和平均值。（a）TP，振幅=600 cm/s2，頻率=10 Hz。（b）QP，振幅=900 cm/s2，頻率=6 Hz。（c）PP，振幅=300 cm/s2，頻率=6 Hz。（d）HP，振幅=600 cm/s2，頻率=4 Hz

本研究利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析了地震誘發(fā)的落石，重點(diǎn)研究其運(yùn)動(dòng)學(xué)行為及其對(duì)災(zāi)害管理的影響。通過(guò)對(duì)3000多次試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)落石運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出顯著的隨機(jī)性，其滑行距離和橫向位移大致服從高斯分布。這種隨機(jī)性凸顯了概率方法在落石風(fēng)險(xiǎn)建模中的重要性，而非純粹的確定性方法。

結(jié)果表明，地震地面運(yùn)動(dòng)通過(guò)振動(dòng)提供額外的動(dòng)能，放大了落石的彈跳和滾動(dòng)行為，從而顯著增強(qiáng)了落石的流動(dòng)性。研究發(fā)現(xiàn)，地面運(yùn)動(dòng)振幅與滑行距離之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在災(zāi)害評(píng)估中考慮地震振幅的必要性，尤其是在地震多發(fā)地區(qū)。然而，頻率的影響呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的模式，這表明需要進(jìn)一步研究以完善預(yù)測(cè)模型。

落石的特征，例如形狀和長(zhǎng)細(xì)比，也對(duì)滑行距離和橫向位移起著關(guān)鍵作用。球形落石具有較多橫向邊緣，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量耗散較少。相反，細(xì)長(zhǎng)的落石更容易滑落，而不是有效地彈跳。這些見(jiàn)解對(duì)于評(píng)估不同類型的落石的潛在影響區(qū)域至關(guān)重要，從而能夠更精確地繪制災(zāi)害地圖。

此外，初速度和坡度類型顯著影響落石行為。由于摩擦損失減少，凸坡比直坡滑出距離和橫向位移更大。這些因素對(duì)于評(píng)估交通走廊沿線或基礎(chǔ)設(shè)施附近的風(fēng)險(xiǎn)尤為重要，因?yàn)檫@些地方的坡度幾何形狀和滑脫條件差異很大。

然而，本研究也存在一些需要注意的局限性。首先，實(shí)驗(yàn)采用了頻率范圍有限（4、6、8 和 10 Hz）的簡(jiǎn)諧波，無(wú)法完全捕捉真實(shí)地震事件的復(fù)雜頻率成分，這可能會(huì)限制結(jié)果在自然地震場(chǎng)景中的適用性。其次，為了確保實(shí)驗(yàn)的一致性，落石樣本的釋放方向是固定的，而在自然界中，落石的滑脫方向可能多種多樣，這可能會(huì)影響其軌跡和最終位置。第三，坡度模型由光滑的鋼板構(gòu)成，不同于自然坡度不均勻且粗糙的表面，這可能會(huì)對(duì)落石運(yùn)動(dòng)學(xué)產(chǎn)生不同的影響。此外，雖然選擇簡(jiǎn)單的棱柱形落石模型對(duì)于研究滑行距離是有效的，但它并不能完全解釋在自然發(fā)生的不規(guī)則形狀落石中觀察到的橫向擴(kuò)散現(xiàn)象。因此，這一局限性限制了橫向擴(kuò)散研究結(jié)果的更廣泛應(yīng)用。

為突破這些局限性，未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方向：（1）結(jié)合實(shí)際坡體材料和地形，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置的真實(shí)感，簡(jiǎn)化鋼板模型，提高其在自然條件下的適用性；（2）探索更大尺寸和更多形狀的落石，以確定觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)行為是否適用于實(shí)際自然環(huán)境中的大型落石，從而克服小尺寸和單一形狀樣本的局限性，更好地研究落石的三維運(yùn)動(dòng)特性；（3）研究頻譜更寬的地面運(yùn)動(dòng)，有助于更全面地理解地震對(duì)落石動(dòng)力學(xué)的影響，克服本文所用頻率范圍較窄的局限性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為地震條件下落石的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征提供了寶貴的見(jiàn)解，有助于改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并為地震多發(fā)地區(qū)的減災(zāi)策略制定提供參考。雖然本研究并不針對(duì)特定區(qū)域或直接實(shí)施這些應(yīng)用，但它為未來(lái)落石災(zāi)害管理的研究和實(shí)際工作奠定了基礎(chǔ)。

Zhang, Y., Xiao, Y., Huang, X. et al. Rockfall movement and propagation during earthquakes: Insights from shaking table tests. Landslides (2025).